Đề tài Tìm hiểu hệ thống mc-Cdma

LỜI NÓI ĐẦU Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin là một nhu cầu thiết yếu. Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi lúc, mọi nơi. Nhu cầu này ngày càng lớn nên số lượng khách hàng sử dụng thông tin di động ngày càng tăng, các mạng thông tin di động vì thế được mở rộng ngày càng nhanh. Chính vì vậy, cần phải có các biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động hiện có. Hệ thống CDMA ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đó. Hơn nữa, so với hai phương pháp đa truy nhập truyền thống là phân chia theo tần số FDMA và phân chia theo thời gian TDMA thì phương pháp truy nhập phân chia theo mã CDMA có những đặc điểm nổi trội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau Tuy nhiên, trong tương lai, nhu cầu về các dịch vụ số liệu sẽ ngày càng tăng, mạng thông tin di động không chỉ đáp ứng nhu cầu vừa đi vừa nói chuyện mà còn phải cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ đa dạng khác như truyền dữ liệu, hình ảnh và video Chính vì vậy, vấn đề dung lượng và tốc độ cần phải được quan tâm. Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến cũng như hữu tuyến. Ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thông, hệ thống ít phức tạp do việc điều chế và giải điều chế đa sóng mang bằng giải thuật IFFT và FFT. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, ý tưởng về kỹ thuật MC-CDMA đã ra đời, dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM. MC-CDMA kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM: tốc độ truyền cao, tính bền vững với fading chọn lọc tần số, sử dụng băng thông hiệu quả, tính bảo mật cao và giảm độ phức tạp của hệ thống. Chính vì vậy, MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động trong tương lai. MỤC LỤC Trang Phần A: Giới thiệu i Phần B: Nội dung 1 Chương I:Một số vấn đề về thông tin di động 2 1.1 Khái quát về hệ thống thông tin di động tế bào 2 1.2 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động 3 1.3 Kênh truyền vô tuyến 5 1.4 Các kỹ thuật đa truy cập 9 Chương II: Các kỹ thuật trải phổ 13 2.1 Giới thiệu chung 14 2.2 Các kỹ thuật trải phổ 15 2.3 Các chuỗi trải phổ 19 Chương III: Kỹ thuật DS-CDMA 21 3.1 Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã 22 3.2 Máy thu RAKE 23 3.3 Điều khiển công suất 24 3.4 Hệ thống DS- CDMA 26 Chương IV: MC-CDMA 4.1 Kỹ thuật OFDM 32 4.2 Hệ thống MC-CDMA 34 4.3 Kết luận và hướng phát triển đề tài Phần C : Phụ lục và tài liệu tham khảo Phụ luc I :Hình ảnh mô phỏng OFDM 46 Phụ lục II: Hình ảnh mô phỏng MC-CDMA 47 Tài liệu tham khảo 54

pdf63 trang | Chia sẻ: lvcdongnoi | Ngày: 17/06/2013 | Lượt xem: 2784 | Lượt tải: 9download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Đề tài Tìm hiểu hệ thống mc-Cdma, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1.4 là f0. Hình 1.4a Kênh truyền chọn lọc tần số (f0 < W) Trên hình 1.4a, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 8 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau. Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số . Hình 1.4b Kênh truyền fading phẳng (f0 > W) Ngược lại, trên hình 1.4b, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau. Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là Kênh truyền fading phẳng hoặc Kênh truyền không chọn lọc tần số. b. Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian (Time Selective Channel và Time Nonselective Channel) Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuất hiện và những vật thể cũ mất đi … Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản xạ, tán xạ … qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian. Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherent time. Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian). Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với coherent time thì kênh truyền đó được gọi là Kênh truyền chọn lọc thời gian. Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là Kênh truyền không chọn lọc thời Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 9 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng gian hay phẳng về thời gian. c. Xét kênh truyền điển hình trong MC-CDMA Với một kênh fading chọn lọc tần số, chúng ta giả sử có một kênh WSSUS với L đường dẫn nhận được ở dạng phức tương đương một đáp ứng xung dãi nền :      ,, 1 ; L j l jl j t l h t        (1.1) Ở đây j là số thứ tự của user , βl,j(t) là độ lợi của tuyến thứ l , và τl,,j là trễ trong lan truyền cho tuyến thứ l. Giả sử với một kênh truyền độc lập và đồng nhất cho mỗi người dùng, tuyến thứ l là một biến Gaussian phức độc lập lẫn nhau với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai là 2l , đặc tính trễ đa đường của kênh truyền được cho bởi:       , 2 1 h j h L l l l             (1.2) Và hàm tương quan khoảng cách tần số của kênh được cho bởi công thức :     2 H j j f h e d               (1.3) Hình 9.1 cho thấy đặc điểm của trễ đa đường. 1.4 Các kỹ thuật đa truy cập 1.4.1 Giới thiệu chung Trong bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến nào, dải băng tần được cho phép sử dụng là luôn bị giới hạn. Vì vậy, việc chia sẻ kênh truyền để nhiều users Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 10 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng có thể sử dụng đồng thời là một nhu cầu cấp thiết. Các kỹ thuật đa truy nhập ra đời từ đó. Có ba kỹ thuật chính được sử dụng, đó là: FDMA – Frequency Division Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo tần số TDMA – Time Division Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo thời gian CDMA – Code Division Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo mã Chúng ta tưởng tượng dải băng tần sử dụng là một căn phòng lớn. Khi đó: FDMA: căn phòng lớn được chia thành nhiều phòng nhỏ, mỗi cặp đựơc cấp một phòng để nói chuyện. TDMA: tất cả các cặp tập trung trong một phòng lớn và thay phiên nhau nói chuyện, mỗi cặp được nói chuyện trong một khoảng thời gian nhất định. CDMA: tất cả các cặp tập trung trong một phòng và đồng thời nói chuyện, mỗi cặp nói chuyện bằng một ngôn ngữ riêng. Khi âm lượng của các cặp càng nhỏ thì số cặp có thể tồn tại trong phòng (mà không gây nhiễu lẫn nhau) càng lớn. 1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) Kỹ thuật phân kênh theo tần số ra đời đầu tiên. Với kỹ thuật này, mỗi user được cấp một kênh (hay khoảng tần số) riêng như hình 1.5. Như vậy, trong FDMA, toàn bộ băng tần được chia thành những khoảng tần số khác nhau và những khoảng tần số này được ấn định cho từng user. Không user nào được chia sẻ kênh của mình cho user khác ngay cả khi nó không được sử dụng (kênh ở trạng thái rảnh). Hình 1.5 Kỹ thuật phân kênh theo tần số Chính vì vậy, việc sử dụng tần số bị giới hạn và trở nên kém hiệu quả. Tuy nhiên, do mỗi user truyền và nhận tín hiệu trên kênh riêng của mình nên những users trong cùng một tế bào (cell) không gây nhiễu cho nhau ( trường hợp lý Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 11 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng tưởng). Nhưng do yêu cầu cần có một số lượng lớn người sử dụng trong mạng, các khoảng tần số sẽ được sử dụng lại ở các tế bào khác. Chình vì vậy có thể user ở tế bào A gây nhiễu cho một user ở tế bào B gần đó do hai người cùng sử dụng chung một khoảng tần số. Nhiễu này gọi là nhiễu đồng kênh CCI (co- channel interference). Ưu điểm: + Băng thông của mỗi kênh là tương đối hẹp nên hạn chế được fading chọn lọc tần số. + Các tính toán cho hệ thống sử dụng FDMA khá đơn giản. + Việc đồng bộ là tương đối đơn giản. Khuyết điểm: + Mỗi user chỉ được cấp cho một khoảng tần số nhất định nên tốc độ bit tối đa trên một kênh là cố định và do đó, hệ thống FDMA không thích hợp với truyền dẫn số. + Cần phải có khoảng băng tần bảo vệ để giảm thiểu nhiễu xuyên kênh và để có thể sử dụng bộ lọc lọc lấy khoảng tần số mong muốn. + Cần bộ lọc băng hẹp tốt. 1.4.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Kỹ thuật phân kênh theo thời gian được ra đời sau kỹ thuật phân chia theo tần số với hiệu quả sử dụng kênh truyền cao hơn. Với TDM, mỗi user có thể sử dụng toàn bộ băng tần nhưng trong một khoảng thời gian nhất định nào đó. Vì vậy, các user khác nhau có thể truyền và nhận tin tức, từng người từng người một, trên cùng một khoảng băng tần nhưng tại những thời điểm khác nhau. Hình 1.6. Kỹ thuật phân kênh theo thời gian (TDMA) Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 12 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng Điều này được minh họa trong hình 1.6. Như vậy, về mặt lý thuyết, các users trong cùng một tế bào cũng không gây nhiễu cho. Tuy nhiên, trong cùng một thời điểm cũng có thể có một user ở tế bào bên cạnh truyền và nhận tín hiệu cho nên trong cách truy nhập này cũng xuất hiện nhiễu đồng kênh CCI. 1.4.4 Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) Sẽ được đề cập trong phần sau . CHƯƠNG II CÁC KỸ THUẬT TRẢI PHỔ Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 14 Chng II : Các k thut tri ph 2.1 Giới thiệu chung Mục đích:Làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các máy thu không mong muốn, làm cho các máy thu này khó khăn trong việc tách và lấy ra được bản tin. Để biến đổi bản tin thành tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng mã ngẫu nhiên để mã hoá bản tin. Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết mã này để có thể tạo ra bản sao mã này một cách chính xác, đồng bộ với mã được phát và lấy ra bản tin. Vì vậy ta phải sử dụng mã “giả” ngẫu nhiên. Mã này phải được thiết kế để có độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần của bản tin. Bản tin được mã hóa sao cho tín hiệu sau khi mã hoá có độ rộng phổ gần bằng độ rộng phổ của tín hiệu giả ngẫu nhiên. Quá trình này được gọi là “quá trình trải phổ”. Ở máy thu thực hiện quá trình nén phổ tín hiệu thu được để trả lại độ rộng phổ bằng độ rộng phổ ban đầu của bản tin. Một hệ thống thông tin được xem là trải phổ khi thỏa 2 điều kiện: + Băng thông tín hiệu đã trải phổ lớn hơn rất nhiều so với băng thông tín hiệu thông tin. + Mã dùng để trải phổ độc lập với tín hiệu thông tin. Ưu điểm của kỹ thuật thông tin trải phổ: + Khả năng đa truy cập: Cho phép nhiều user cùng hoạt động trên một dải tần, trong cùng một khoảng thời gian mà máy thu vẫn tách riêng được tín hiệu cần thu. Đó là do mỗi user đã được cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều user, nó tiến hành giải mã và tách ra tín hiệu mong muốn. + Tính bảo mật thông tin cao: Mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ rất thấp, gần như mức nhiễu nền. Do đó, các máy thu không mong muốn khó phát hiện được sự tồn tại của tin tức đang được truyền đi trên nền nhiễu. Chỉ máy thu biết được chính xác quy luật của chuỗi giả ngẫu nhiên mà máy phát sử dụng mới có thể thu nhận được tin tức. + Bảo vệ chống nhiễu đa đường: Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 15 Chng II : Các k thut tri ph Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín hiệu trên kênh truyền vô tuyến. Các tín hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều là bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ và bị trễ so với tín hiệu được truyền thẳng (Line of Sight). Vì vậy tín hiệu thu được ở máy thu đã bị sai lệch, không giống tín hiệu phát đi. Sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể tránh được nhiễu đa đường khi tín hiệu trải phổ sử dụng tốt tính chất tự tương quan của nó. 2.2 Các kỹ thuật trải phổ 2.2.1 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần (FH-SS : frequency hoping spread spectrum) Tín hiệu được phát đi trên một dãy các tần số dường như là thay đổi ngẩu nhiên.Và phía máy thu cũng thay đổi liên tục giữa các tần số theo thứ tự như phía máy phát. Những máy thu trộm khó có thể thu được đúng thông tin,việc thu trộm ở tần số nào đó chỉ ảnh hưởng đến vài bit dữ liệu.Thường dùng L trạng thái nhảy tần số (L= 2^N -1 với N là chiều dài chuổi mã). Mỗi kênh phát trong một khoảng thời gian xác định.Theo IEEE 802.11 là 300mS.Chuỗi tần số được qui định bởi một mã trải phổ Hình 2.1 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 16 Chng II : Các k thut tri ph Hình 2.2 Máy phát FH-SS Hình 2.3 Máy thu FH-SS Trong hệ thống trải phổ nhảy tần,cứ sau khoảng thời gian TH tần số sóng mang lại nhảy sang một tần số khác.Tốc độ nhảy tần có thể nhanh hoặc chậm hơn so với tốc độ bit Tb của tín hiệu thông tin. Nếu fH ≥ fb : trong khi máy phát phát một bit dữ liệu, có ít nhất một lần nhảy tần số. Và hệ thống được gọi là nhảy tần nhanh Hình 2.4 Nhảy tần nhanh Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 17 Chng II : Các k thut tri ph Nếu fH < fb : sau mỗi lần nhảy tần, máy phát phát liên tiếp một số bit trước khi nhảy sang một tần số khác. Và hệ thống được gọi là nhảy tần chậm. Hình 2.5 Nhảy tần chậm Ưu điểm : Dễ đồng bộ hơn hệ thống dùng kỹ thuật DS – SS do hệ thống FH – SS chấp nhận sai số đồng bộ trong khoảng thời gian TH >> Tchip trong hệ thống DS – SS. Xác suất nhiều user cùng truyền trên một tần số tại một thời điểm là rất nhỏ. Vì vậy có thể tránh được hiệu ứng gần – xa do các user ở gần trạm gốc và xa trạm gốc có thể đang phát ở các tần số khác nhau. Hệ thống FH – SS có thể sử dụng băng thông rộng hơn nên khả năng triệt nhiễu băng hẹp tốt hơn hệ thống DS – SS. Nhược điểm : Để đạt được số tần số nhiều (độ lợi xử lí cao) là vấn đề hết sức khó khăn.Đó là vấn đề thiết kế bộ tổng hợp tần số. Sự thay đổi đột ngột tần số của tín hiệu khi nhảy tần dẫn đến việc tăng băng tần sử dụng. 2.2.2 Kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian (Time hoping spread spectrum) Trục thời gian được chia thành các khung (frame). Mỗi khung lại được chia thành k khe thời gian (slot). Trong một khung, tùy theo mã của từng user mà nó sẽ sử dụng một trong k khe thời gian của khung. Tín hiệu được truyền trong mỗi khe có tốc độ gấp k lần so với trường hợp tín hiệu truyền trong toàn bộ khung nhưng tần số cần thiết để truyền tăng gấp k lần. Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 18 Chng II : Các k thut tri ph Hình 2.6 Trải phổ nhảy thời gian 2.2.3 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS : Direct sequence spread spectrum) Mỗi bit dữ liệu được biểu diễn bằng chuỗi nhiều chip (tốc độ chip lớn hơn nhiều lần so với tốc độ bit). Mã trải phổ làm phổ tín hiệu rộng ra tỷ lệ so với số chip được dùng. Một phương pháp cụ thể dùng để trải phổ chuỗi trực tiếp: - Kết hợp dữ liệu với mã trải phổ bằng mạch XOR. +Bit 1 sẽ làm đảo cực tính mã trải phổ. +Bit 0 không làm thay đổi. Mỗi user sử dụng một mã trải phổ riêng các mã trải phổ có sự tương quan chéo rất thấp. Hình 2.7 Tín hiệu trải phổ Hình 2.7 Quá trình trải phổ Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 19 Chng II : Các k thut tri ph Hình 2.9 Máy phát DS-SS Hình 2.10 Máy thu DS-SS Ưu điểm : Có thể thực hiện đa cập mà không cần đồng bộ giữa các máy phát. Việc tạo ra các tín hiệu mã hóa tương đối đơn giản do chỉ cần sử dụng các bộ nhân. Nhược điểm : Cặp máy phát-thu phải được đồng bộ chip,sai số đồng bộ phải nhỏ hơn chu kỳ chip (Tchip) Các máy phát gần máy thu có thể gây nhiễu và làm sai lệch tín hiệu từ các máy phát ở xa (hiệu ứng gần-xa). 2.3 Các chuỗi trải phổ 2.3.1 Chuỗi giả ngẫu nhiên PN (Pseudo-random Noise) Là một chuỗi giả ngẫu nhiên hay giả nhiễu gồm các bit 0 và bit 1, nhưng không hẳn hoàn toàn là ngẫu nhiên mà nó được xác định cụ thể được biết rõ bởi máy thu và máy phát, chỉ ngẫu nhiên với user không liên quan. Chu kỳ chuỗi PN càng dài thì tính triệt nhiễu và tính bảo mật càng tốt. 2.3.2 Các tính chât chuỗi PN (pseudo noise) Tính đối xứng: Trong mọi chu kỳ của chuỗi PN, tổng số bit 0 và tổng số bit 1 khác nhau nhiều nhất 1 số. Sự cân bằng này có tác dụng triệt sóng mang trong điều chế sóng mang,tín hiệu càng đối xứng thì tính triệt sóng mang càng cao. Tính tự tương quan : Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 20 Chng II : Các k thut tri ph Hàm tự tương quan của chuỗi PN tuần hoàn được định nghĩa như sau: Hàm tự tương quan biểu thị sự giống nhau giữ tín hiệu pn(t) phát tại máy phát và bản sao của nó bị trễ hay sớm đi một khoảng thời gian là số nguyên lần chu kỳ bit. Và nếu chuỗi PN có chiều dài n thì hàm tự tương quan có giá trị là n, hàm tự tương quan có dạng tam giác đỉnh bằng số bit của chuỗi : Hình 2.11 Hàm tự tương quan của chuỗi PN Tính tương quan chéo : Tương quan chéo mô tả cho vấn đề nhiễu giữa pni và pnj Hàm tương quan chéo là sự tự tương quan giữa hai mã khác nhau pni và pnj . Khi tương quan chéo bằng 0 với mọi các mã được gọi là trực giao. Trong CDMA mã của các user thỏa mãn tính chất trực giao mặc dù được truyền chung kênh băng thông nhưng vẫn đảm bảo được tính triệt nhiễu và bảo mật do tương quan giữa user này và user khác.Trong thực tế tương quan chéo không hoàn toàn bằng 0 nhưng nó rất nhỏ. 2.3.2 Chuỗi Gold 2.3.3 Chuỗi Gold trực giao (Orthogonal Gold) 2.3.4 Chuỗi Kasami 2.3.5 Chuỗi Hadamarh Walsh 2.3.6 Chuỗi GOLAY bù /2 ( ) ( ). ( ) C C C C N T N T Ra pn t pn t dt     ( )Rc  CHƯƠNG III KỸ THUẬT DS-CDMA (Direct sequence –code division multiple access) Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 22 Chng III : K thut DS-CDMA 3.1 Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã (CDMA : code division multiple-access) Hình 3.1 Kỹ thuật CDMA Mỗi user sẽ được gán cho một mã xác định thuộc tập mã trực giao do đó các user có thể sử dụng chung khoảng băng tần trong cùng một thời gian. Do CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ, do đó ở mỗi trạm phát sẽ sử dụng một chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên tác động vào tín hiệu tin tức. Khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều trạm phát khác nhau, nó sẽ lấy tín hiệu mong muốn bằng cách giải mã tín hiệu bằng chuỗi mã riêng của chính tín hiệu đó. Hình 3.2 Quá trình trải – nén phổ trong CDMA Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 23 Chng III : K thut DS-CDMA Trong hình 3.2, máy thu mong muốn nhận được tín hiệu tin tức từ user A nên đã sử dụng chuỗi mã dành riêng cho A để giải mã. Khi đó, các tín hiệu nhận được từ các users không mong muốn (B, C) trở thành nhiễu đối với tín hiệu từ A (do tính tương quan chéo thấp), và do đó, ta có thể thu được tín hiệu từ A một cách dễ dàng. Ưu điểm : Sử dụng hiệu quả băng tần. Về mặt lý thuyết, hệ thống sử dụng CDMA không hạn chế số lượng user sử dụng. Giảm được ảnh hưởng của nhiễu đa đường. Tính bảo mật cao do người ngoài rất khó xác định qui luật của chuỗi mã sử dụng, do đó khó khôi phục được tín hiệu thu được. Nhược điểm : Chất lượng thông tin giảm khi số user tăng (BER tăng khi số user tăng dẫn đến nhiễu MAI). Bị ảnh hưởng bởi hiện tượng gần-xa, do đó cần phải sử dụng kỹ thuật điều khiển công suất một cách chính xác. Cần phải có sự đồng bộ mã trải phổ chính xác để thu đúng tín hiệu. 3.2 Máy thu RAKE Các máy thu CDMA có khả năng khắc phục hiệu ứng đa đường khi các tín hiệu đến máy thu cách nhau các khoảng lớn hơn thời gian một chip. Máy thu CDMA có chất lượng tốt là máy thu RAKE (hình 3 .3 ) Hình 3.3 Máy thu RAKE Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 24 Chng III : K thut DS-CDMA Nguyên lý hoạt động của máy thu RAKE: Tín hiệu tin tức sau khi trải phổ và điều chế được truyền đi qua kênh truyền vô tuyến đa đường. Sau đó, tín hiệu đa đường được giải điều chế và được thu bởi máy thu RAKE. Trên hình 3.3, khối Multipath Channel với các bộ trễ và suy hao mô tả các vật cản trở trên kênh truyền vô tuyến. Do đó, các tín hiệu đến máy thu RAKE là các tín hiệu đến từ nhiều đường khác nhau, là các bản sao của tín hiệu tin tức. Một máy thu RAKE lý tưởng có một nhánh (finger) cho mỗi thành phần tín hiệu đa đường. Tuy nhiên, trong thực tế, máy thu RAKE chỉ thu một số thành phần đa đường đến máy thu. Mỗi thành phần này được lấy tương quan với mã trải, đồng bộ thời gian trễ, được nhân với trọng số tương ứng rồi kết hợp lại. Bằng cách tính toán các trọng số một cách hợp lý, máy thu RAKE có thể khắc phục tốt hiệu ứng đa đường. 3.3 Điều khiển công suất 3.3.1 Hiệu ứng gần – xa ( near - far) Hình 3.4 Hiệu ứng gần –xa Khi user B ở xa trạm gốc hơn so với user A, công suất từ B đến trạm gốc sẽ bị suy hao nhiều hơn và do đó, công suất của tín hiệu mong muốn là B sẽ nhỏ hơn công suất nhiễu (công suất của A) Mức công suất mà trạm gốc nhận được từ mỗi user phụ thuộc vào khoảng cách từ user đó đến trạm gốc. Do mỗi user là một nguồn gây nhiễu cho các users khác và khi công suất của một user càng lớn, nó càng gây nhiễu cho các users khác. Vì vậy, cần phải có một phương pháp để đảm bảo cho tất cả các users đều gửi cùng một mức công suất đến máy thu sao cho không có quan hệ bất lợi, không công bằng nào giữa các users. Kỹ thuật điều khiển công suất được áp dụng cho các hệ thống CDMA để giải quyết vấn đề này. 3.3.2 Điều khiển công suất Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 25 Chng III : K thut DS-CDMA Hình 3.5 Điều khiển công suất vòng hở Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 26 Chng III : K thut DS-CDMA Hình 3.6 Điều khiển công suất vòng kín 3.4 Hệ thống DS-CDMA 3.4.1 Bộ phát DS-CDMA Hình 3.7 trình bày bộ phát DS-CDMA cho người dùng thứ j với dạng điều chế kết hợp PSK. Tín hiệu dải nền phức tương đương được cho bởi công thức:           1 0 DSK DS DS j j j j c c s i k s t a i b k c k iK p t kT iT          (3.1) Với aj(i), bj(k) và cj(k) là ký hiệu thông tin thứ i, chip thứ k của mã trải phổ ngắn (short spreading code) (phân kênh _ channelizing) với chiều dài KDS và chip thứ k của mã trải phổ dài (long spreading code)(xáo trộn _ scrambling) với chiều dài dài hơn nhiều so với KDS tương ứng. Ở đây, hai mã trải phổ được chuẩn hóa thành : 1 2 0 ( ) 1 D SK j k b k    (3.2) 1 2 0 ( ) 1 D SK j k c k    (3.3) Ngoài ra, trong công thức (3.1), Tc và Ts là chu kỳ chip [chip duration] và chu kỳ tín hiệu [symbol duration] tương ứng và pc(t) là dạng sóng xung chip [chip pulse waveform] Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 27 Chng III : K thut DS-CDMA Hình 3.7 : Hệ thống DS-CDMA : (a) Bộ phát; (b) Phổ công suất của tín hiệu phát; (c) Bộ thu I-finger Rake Hình 3.7(b) trình bày phổ công suất của tín hiệu phát. Nếu dùng bộ lọc Nyquist với hệ số độ dốc(roll-off) α như là bộ lọc tạo dạng xung dải nền [baseband pulse shaping filter], với băng thông được tính bởi :  1 DSDS s KB T   (3.4) Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 28 Chng III : K thut DS-CDMA 3.4.2 Bộ thu DS-CDMA Hình 3.7(c) trình bày bộ thu DS-CDMA với bộ kết hợp I-finger Rake cho người dùng thứ j’. Sóng qua kênh nhận được có thể biểu diễn :     1 ( ) J DS DS j j r t r t n t    (3.6)        , 1 ; ( ) J DS DS DS j j j l j j l l r t s t b t d t s t           (3.7) Với J là tổng số các user hoạt động, rj DS(t) là thành phần tín hiệu nhận được từ người dùng thứ j, và n(t) là thành phần nhiễu cộng Gauss dạng phức [complex additive Gauss noise component] với trị trung bình bằng 0 và phương sai là . Biến số quyết định cho user thứ j’ tại thời điểm t = iTs có công thức :    ' 'DS DS sj jD i D t iT         ' ' ' ( 1) * * * . 1 1 ( ) s l s l i TI DS DS s c c s ll j j j l s iT iT b k c k iK p t kT iT r t dt T               (3.8) Sự quyết định ký hiệu (the symbol decision) ở aj(i) thì được tạo ra dựa trên cực của các thành phần cùng pha và vuông góc của công thức (9.10). Chúng ta định nghĩa việc xử lý quyết định là :  ˆ DEC ( )DSja i r t    (3.9) Bộ tổ hợp Rake là một dạng của sơ đồ tách từng user (single user detection scheme) mà không yêu cầu thông tin trên các user đang hoạt động (active user) khác. Vì vậy, không những chỉ có 1 thiết bị di động đầu cuối ở 1 đường xuống (từ một trạm gốc đến một thuê bao riêng) mà còn có một trạm gốc ở 1 đường lên (từ một thuê bao riêng lẻ đến một trạm gốc) có thể sử dụng bộ tổ hợp Rake. Mặt khác, ở đường lên, một trạm gốc có thể biết được thông tin của tất cả các user đang hoạt động. Vì vậy, nó cũng có thể dùng một sơ đồ xác định đa user (multiuser detection scheme). Tại trạm gốc, kênh đáp ứng xung (được ước lượng _ estimated) (the channel impulse response)và tín hiệu thông tin được phát hiện cho tất cả các user đều được Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 29 Chng III : K thut DS-CDMA kích hoạt, vì vậy trạm gốc có thể tạo ra bản sao của tín hiệu nhận được cho người dùng thứ j :        , 1 ˆ ( ;ˆ ) ˆ I DS DS DS j j j l j j l l r t t b t d ts ts           (3.10)         1 0 ˆ ˆ ( ) DSK DS DS j j j j c c s i k s t a i b k c k iK p t kT iT          (3.11) Sơ đồ khử giao thoa nối tiếp (serial interference cancellation)(SIC) đầu tiên sắp xếp lại các user tích cực theo thứ tự giảm dần theo công suất tín hiệu nhận được. Công suất tín hiệu nhận được của người dùng thứ q được định nghĩa là : 21 ( ) 2 DS q qP E r t      (3.12) Dạng sóng nhận được có thể được viết lại :     1 ( ) J DS DS q q r t r t n t    (3.13) Với : 1 , ( 2,3, , )q qP P q J    (3.14) Cần chú ý đến tín hiệu nhận được với công suất lớn hơn có thể có khả năng giải điều chế với độ tin cậy cao hơn, sau đó sơ đồ SIC tạo ra sự quyết định ký tự (the symbol decision) là :  1ˆ DEC ( ) DSa i r t    (3.15)     ' ' 1 ' 1 ˆ ˆDEC ( ) , ( 2, 3, , ) q DS DS jq q a i r t r t q J              (3.16) CHƯƠNG IV MC-CDMA (MULTI CARRIER CODE DIVISION MULTIPLE ACCESS) Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 31 Phn C : ph lc và tài liu tham kho 4.1 Kỹ thuật OFDM 4.1.1 Giới thiệu OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp,mỗi kênh có một sóng mang.Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự.Vì vậy,phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống.Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ. 4.1.2 Ưu điểm hệ thống OFDM OFDM tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách cho phép chồng lấp những sóng mang con. Bằng cách chia kênh thông tin ra thành nhiều kênh con fading phẳng băng hẹp, các hệ thống OFDM chịu đựng fading lựa chọn tần số tốt hơn những hệ thống sóng mang đơn. OFDM loại trừ xuyên nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời bảo vệ trước mỗi symbol. Sử dụng việc chèn (interleaving) kênh và mã kênh thích hợp, hệ thống OFDM có thể khôi phục lại được các symbol bị mất do hiện tượng lựa chọn tần số của các kênh. Kỹ thuật cân bằng kênh trở nên đơn giản hơn kỹ thuật cân bằng kênh thích ứng được sử dụng trong những hệ thống đơn sóng mang. Sử dụng kỹ thuật DFT để bổ sung vào các chức năng điều chế và giải điều chế làm giảm độ phức tạp của OFDM. Các phương thức điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu bổ sung vào bộ giám sát kênh. OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với các hệ thống sóng mang đơn. OFDM chịu đựng tốt với nhiễu xung và nhiễu xuyên kênh kết hợp. 4.1.3 Nhược điểm hệ thống OFDM Nhạy với offset tần số (đây là vấn đề trầm trọng nhất của OFDM),offset thời gian (time offset) do sai số đồng bộ. + Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang con.Do vậy OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Doppler. + Các sóng mang phụ chỉ thực sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng 1 tập tần số.Do đó máy thu phải ước lượng và hiệu chỉnh offset tần số của tín hiệu thu được. Sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng làm giảm đi một phần hiệu suất sử dụng đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích. Đường bao biên độ của tín hiệu phát không bằng phẳng. Điều này gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuyếch đại công suất ở máy phát và máy thu. Nói cách khác là vấn đề công suất đỉnh (Peak power problem). Khi ta cộng tất cả các tín hiệu điều chế từ các sóng mang con, trong trường hợp tất cả các tín hiệu này đồng pha nhau sẽ tạo ra công suất đỉnh rất lớn. Khi đi qua bộ khuếch đại phi tuyến sẽ gây ra 2 vấn đề rất nghiêm trọng cho đường truyền số là : tăng BER và tăng phát xạ ngoài băng (out- of-band radiation). Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 32 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Hình 4.1 Vân đề công suất đỉnh Hình 4.2 Tín hiệu vào bộ khếch đại phi tuyến Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 33 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Ta có thể dùng phương pháp Partial Transmit sequence để giải quyết vấn đề công suất đỉnh : Nghĩa là nhóm các Sub-Carrier lại, IFFT với từng nhóm một, dịch pha tương ứng để đảm bảo tín hiệu ở đầu ra không đồng pha với nhau gây ra peak, lượng dịch pha này sẽ được truyền đồng thời với tín hiệu vào bộ khuếch đại phi tuyến, bên thu sẽ dùng các thông tin này để dịch pha trở lại như cũ rồi giải điều chế tín hiệu. Hình 4.3 Phương pháp Patrial transmit 4.1.4 Điều chê OFDM a. Sơ đồ khối điều chế OFDM Giả sử băng thông hệ thống là B chia thành Nc kênh con, với chỉ số kênh con là n, n   LLLL ,1,...,1,0,1,...,1,  , nên NFFT=2L+1. Dòng dữ liệu đầu vào la chia thành NFFT dòng song song với tốc độ dữ liệu giảm đi NFFT lần thông qua bộ chia nối tiếp/song song. Dòng bit trên mỗi luồng song song la lại được điều chế thành mẫu của tín hiệu phức đa mức nkd , , n là chỉ số song mang phụ, i là chỉ số khe thời gian tương ứng với Nc bit song song sau khi qua bộ S/P, k là chỉ số khe thời gian ứng với Nc mẫu tín hiệu phức.Các mẫu tín hiệu phát nkd , được nhân với xung cơ sở để giới hạn phổ của mỗi sóng mang, sau đó được dịch tần lên đến kênh con tương ứng bằng việc nhân với hàm phức ejL s t , làm các tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau. Tín hiệu sau khi nhân với xung cơ sở và dịch tần cộng lại qua bộ tổng và cuối cùng được biểu diễn như sau : Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 34 Phn C : ph lc và tài liu tham kho m’k(t)=     L Lm tj nk sekTtSd )(', (4.1) Tín hiệu này được gọi là mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biễu diễn tổng quát tín hiệu OFDM sẽ là m(t)= )( ' tm k k   =   k     L Lm tj nk sekTtSd )(', (4.2) Trước khi phát đi thì tín hiệu OFDM được chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên kí hiệu ISI. Phép điều chế OFDM có thể thực hiện được thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện được bằng phép biến đổi DFT. Thay vì sử dụng IDFT người ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM, sử dụng FFT cho bộ giải điều chế OFDM. Điều chế OFDM bằng phương pháp biến đổi ngược Fourrier nhanh cho phép một số lượng lớn các sóng mang con với độ phức tạp thấp. Hình 4.4 Sơ đồ điều chế OFDM b.Điều chế bằng thuật toán IFFT Tín hiệu sau bộ giải điều chế OFDM khi chuyển đổi tương tự thành số, luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số lấy mẫu Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 35 Phn C : ph lc và tài liu tham kho ta= B 1 = FFTN 1 = FFT S N T (4.3) Ở tại thời điểm lấy mẫu t=kT+lta,, S ’(t-kT) =S0, do vậy (4.2) viết lại : m’k(kTs+lta) = S0     L Ln ltkTjn nk aSsed )(,  =S0    L Ln ltjnkTjn nk aSSs eed  .., (4.4) Do ωSkTS = 2  k f kf S S 2 1  , kết quả 1SS kTjne  Tương tự như vậy, với FFTFFTS S aS N nl j Nf fjn ltjn eee   2 1 2  , (4.4) được viết lại: m’k(kTs+lta)=S0    L Ln N nl j nk FFTed 2 , (4.5) Phép biểu diễn (4.5) trùng với phép biến đổi IDFT. Do vậy bộ điều chế OFDM có thể thực hiện một cách dễ dàng bằng phép biến đổi IDFT. 4.1.5 Giải điều chế OFDM Hình 4.5 Bộ giải điều chế OFDM Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 36 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Các bước thực hiện ở đây đều ngược lại so với phía máy phát. Tín hiệu thu sẽ được tách chuỗi bảo vệ, giải điều chế để khôi phục băng tần gốc, giải điều chế ở các sóng mang con, chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dòng bít (tín hiệu số) và chuyển đổi song song sang nối tiếp. Hình 4.6 Tách chuỗi bảo vệ Sau khi tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận được là: u’(kTS+t)=u(kT+t) (4.6) Thực hiện giải điều chế bằng thuật toán FFT Giả thiết một mẫu tin OFDM Ts được chia thành NFFT mẫu tín hiệu, tín hiệu được lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu là ta. Khi đó độ rộng một mẫu là : ta = FFT s N T (4.7) Sau khi lấy mẫu, tín hiệu nhân được sẽ trở thành luồng tín hiệu số: u’(t) => uk ’(kTs + nta) , n=0,1,2,....,NFFT – 1 (4.8) Mẫu tín hiệu sau khi giải điều chế lkd , ^ được biểu diễn dưới dạng số: lkd , ^ = )( 1 0 ' S )( aSS FFT ntkTjl N n aSk a entkTu T t       (4.9) t (k-1)T (k-1)TS kT kTS Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 37 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Tách sự biểu diễn thành phần mũ thành tích hai thành phần (4.9) được viết lại dưới dạng: lkd , ^ = aSSS FFT ntjlkTjl N n aSk a eentkTu T t       1 0 ' S )( (4.10) Với T 1 2S   , thì 1 2    jlkkTjl ee SS Mặt khác, FFT a S aS N t T t   21 2  nên (2.16) viết lại: lkd , ^ = FFT FFT Nnj N n aSk entkTu N /2 1 0 ' FFT )( 1      ( 4.11) Biểu thức trên chính là phép biễu diễn DFT với chiều dài NFFT. 4.2 Hệ thống MC-CDMA 4.2.1 Bộ phát MC-CDMA Hệ thống OFDM không nhạy với fading lựa chọn tần số nhưng nó còn có nhiều nhược điểm như là khó khăn trong việc đồng bộ sóng mang con(subcarrier synchronization) và nhạy với offset tần số và khuếch đại phi tuyến ; mặt khác, hệ thống CDMA bền vững với fading lựa chọn tần số. Do đó, người ta không nghĩ đến việc kết hợp 1 hệ thống OFDM và 1 hệ thống CDMA. Tuy nhiên sự kết hợp lại có 2 ưu điểm lớn.Thứ nhất là khả năng giảm tốc độ ký hiệu(symbol) trong mỗi sóng mang con đủ để chấp nhận tín hiệu giả đồng bộ(quasi-synchronous) trong kênh hướng lên.Thứ hai có thể là sự kết hợp năng lượng của tín hiệu nhận bị phân tán trong miền tần số một cách hiệu quả. Đặc biệt trong trường hợp để truyền tốc độ cao tại 1 nơi mà bộ thu DS-CDMA có thấy được 20 tuyến trong đáp ứng xung liên tục. Một bộ kết hợp 20 I-finger Rake không thể thực hiện cho máy thu DS- CDMA.Trong khi đó,một máy thu MC-CDMA có thể thực hiện được, mặc dù nó sẽ phải mất năng lượng của tín hiệu thu được vào khoảng bảo vệ(guard interval). Một máy phát MC-CDMA trải tín hiệu gốc ra sử dụng một mã trải phổ(spreading code) được cung cấp trong miền tần số. Một phần của ký hiệu(symbol) tương ứng với một chip của mã trải phổ được phát thông qua một sóng mang con (subcarrier) khác nhau. Để truyền đa sóng mang , cần thiết có fading không lựa chọn tần số qua mỗi sóng mang con(subcarrier). Cho nên, nếu tốc độ của ký hiệu(symbol) gốc đủ cao để trở thành đối tượng của fading lựa chọn tần số, tín hiệu trước hết cần biến đổi từ nối tiếp sang song song trước khi trải ra. Cấu trúc Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 38 Phn C : ph lc và tài liu tham kho máy phát cơ bản của một hệ thống MC-CDMA thường giống như hệ thống OFDM. Điểm khác biệt chính đó là hệ thống MC-CDMA phát ký hiệu song song giống nhau qua các sóng mang con khác nhau. Trong khi đó hệ thống OFDM phát các ký hiệu khác nhau. Hình 4.4 thể hiện máy phát MC-CDMA cho user thứ j điều chế dạng CPSK(coherent-phase-shift-keying). Chuỗi thông tin ngõ vào trước hết được biến đổi sang song song thành P chuỗi dữ liệu song song (aj ,0(i),aj ,1(i),……, aj ,P-1(i)) và mỗi ngõ ra bộ chuyển đổi nối tiếp /song song được nhân với mã trải phổ ngắn dj(m) chiều dài KMC . P chuỗi dữ liệu song song được chuyển lại thành chuỗi dữ liệu nối tiếp,và chuỗi dữ liệu kết hợp một lần nữa được nhân với mã trải phổ dài cj(m) với chiều dài, dài hơn nhiều lần so với KMC. Dữ liệu trải sau đó được ánh xạ lên PMMC sóng mang con qua biến đổi nghịch Fourier rời rạc PMMC điểm, và cuối cùng khoảng bảo vệ ΔG(guard interval) được chèn vào giữa các ký hiệu OFDM để tránh ISI(inter-symbol interchange) gây ra bởi fading đa đường. Tín hiệu được phát tương đương dải nền được viết: ' ' 1 1 ' 2 ( ) ( ) , 0 0 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) MC P K MC MC j Pm p f t iT j j p j j s i p m s t a i d m c Pm p iPK xp t iT e              (4.12) 's s sT G t PT    ( 4.13) ' '1/( )sf T G   (4.14) Tại dj(m) và cj(m) được chuẩn hóa là : 2 1 0 ( ) 1 D SK j m d m    (4.15) 2 1 0 ( ) 1 DSK j m c m    (4.16) Hơn nữa, trong các công thức từ (4.12) đến (4.14),Ts ’ là chu kỳ ký hiệu tại bậc của sóng mang con, Δf’ là khoảng cách các sóng mang con, và ps(t) là dạng sóng ký hiệu xung vuông góc được định nghĩa bằng :  1,( ) 0 ,( ác ) ( ) G s t t s kh p t     (4.17) Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 39 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Hình 4.7 :Hệ thống MC-CDMA (a) máy phát;(b)phổ công suất của tín hiệu được phát;và (c)máy thu Hình 4.4 (b) thể hiện phổ công suất của tín hiệu truyền. Băng thông của tín hiệu truyền được viết : ' ' ' ( 1) / ( ) 2 / ( 1) / ( ) MC MC s s MC s B PK T G T PK T G          (4.18) Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 40 Phn C : ph lc và tài liu tham kho (1 1/ )) / (1 / ( )) / (1 1/ ( ))(1 ) / MC MC s s MC MC s PK G PT K T PK K T       (4.19) /( )sG PT   Với γ là hệ số mở rộng băng thông được liên kết (ghép) với việc chèn khoảng bảo vệ. Phương trình (4.12) chỉ ra rằng việc trải phổ không được làm trong miền thời gian và chu kỳ ký hiệu tại các bậc của sóng mang con dài P lần so với bậc của ký hiệu gốc bởi vì việc chuyển nối tiếp/song song. Hơn nữa, chúng ta hãy bỏ qua bộ hoán vị trong hình 4.7(a) và bộ giải hoán vị tương ứng trong hình 4.4(c). Sau đó, khoảng cách giữa các sóng mang con aj,p(i) trở thành PΔf ’ [xem vạch phổ công suất của sóng mang con hình 4.7(b)]. Vì thế việc phân chia toàn bộ tần số được mong đợi trong hệ thống MC-CDMA. 4.2.2 Bộ thu MC-CDMA Hình 4.7 mô tả bộ thu MC-CDMA cho user thứ j, dạng sóng thu được có dạng     1 ( ) J MC MC j j r t r t n t    (4.20)     ( ; )MC MCj j jr t s t h t d                     ' '1 1 2' , , , 0 0 MC s P K j Pm p f t iTMC m p j p j j j m s s i p m z t a i d m c P p iPK p t iT e              ' ' ' ' ' 1 * * ' , , , 0 ( ) ( ) ( ) ( ) MCK MC j j j p i p i m d m c Pm p iPK G m y m      (4.21) Ở đây zm, p, j (t) là hình bao phức thu được, ở sóng mang con thứ Pm + p của user thứ j. Dạng sóng thu được đầu tiên được đưa vào bộ chuyển đổi Fourier rời rạc PKMC điểm và hệ số Fourier là những giá trị hình bao phức , được tính toán cho tất cả PKMC sóng mang con .Sau khi giải trải phổ với những mã dài hoặc ngắn, thành phần sóng mang con thứ m được nhân với Gj’ (m) để phối hợp năng lượng của tín hiệu nhận bị phân tán trong miền tần số. Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 41 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Sự quyết định là thay đổi cho user thứ j ở t = iTs là tổng của những thành phần dải nền có trọng số được viết như sau :    ' ' ' ' ' ' ' ' ' ' , , 1 * * ' , , , 0 ( ) ( ) ( ) ( ) MC MC MC sj p j p K MC j j j p i p i m D i D t iT d m c Pm p iPK G m y m        (4.22)          ' ' ' '' ' ', , , , , 1 ( ) J MC s j j sp i m p j p j m p j y m z iT a i d m c Pm p iPK n iT      (4.23) Trong đó yp’ ,i (m) và nm ,p’ (iT’s) là thành phần dải nền phức của tín hiệu nhận được và nhiễu Gauss cộng tính phức ở sóng mang con thứ Pm +p′ tại thời điểm t = iT’s . Giờ chúng ta sẽ nói về 4 lược đồ kết hợp theo sau trong đường xuống (downlink) và 2 lược đồ tách sóng đa người dùng ở đường lên (uplink). Trong đường xuống (zm,p’,1 = zm,p’,2 = ... zm,p’,j = zm,p’ ) trong đó chúng ta có thể giảm chỉ số dưới j, phối hợp khôi phục tính trực giao (orthogonality restoring combining )(ORC), chọn độ lợi là :    ' ' ' ' 2 * ' ' , , , , / ( )s sj p i m p m pG m z iT z iT (4.24) Vì vậy bộ thu có thể ước lượng nhiễu đa truy cập một cách hoàn hảo :         ' ' ' ' ' ' ' ' ' , , 1 2 * ' ' * * ' ' , , , , 0 ˆ / ( ) ( ) ( ) ( ) MC MC j p j p K MC s s j j sj p m p m p m p m a i D i a i z iT z iT d m c Pm p iK n iT        (4.25) Trong (4.25) , những sóng mang con cấp thấp có xu hướng được nhân với độ lợi cao và thành phần nhiễu được khuếch đại ở những sóng mang con yếu hơn. Sự khuếch đại nhiễu này kéo giảm số BER. Độ lợi cân bằng kết hợp (EGC)    ' ' ' '* ' ', , , ,/ ( )s sj p i m p m pG m z iT z iT (4.26) Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 42 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Và tỉ số cực đại kết hợp (MRC)    ' ' '* ', , , sj p i m pG m z iT (4.27) Trong trường hợp có 1 người dùng thì MRC có thể làm tối thiểu tỉ số BER. Cuối cùng, vấn đề cho việc tối thiểu lỗi bình phương trung bình (MSE) cho bởi    ' ' ' ' 2 , , ', ', ˆ ( ) ( ) j p i j p j p minimize MSE G m E a i a i  (4.28) Theo định nghĩa về sự trực giao, lỗi phải trực giao với tất cả các thành phần sóng mang băng tần gốc của những sóng mang con thu được.     ' ' '', ', ,ˆ ( ) 0, ( 0,1,2, . 1)MCj p j p i pE a i a i y m m K       (4.29) Từ đó, lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất phối hợp khi      ' ' ' ' 2 * ' ' 2 , , , , / (s s nj p i m p m pG m z iT J z iT   (4.30) Chú ý là, ở đường xuống , với |zm, p’ | nhỏ độ khuếch đại phải nhỏ để tránh làm khuếch đại nhiễu, còn khi |zm, p’ | lớn thì nó sẽ tỉ lệ nghịch với đường bao của sóng mang con z*m,p’ /|zm, p’ | 2 để khôi phục lại tính trực giao giữa các user . Sự quyết định thay đổi tùy thuộc vào ký hiệu(symbol) đã được truyền trong hệ thống DS-CDMA và (4.22) cho hệ thống MC-CDMA, và 2 biểu thức đã cho thấy rất rõ ưu điểm của hệ thống MC-CDMA so với hệ thống DS-CDMA, đó là việc quyết định symbol, hệ thống DS-CDMA yêu cầu một loại mã chập phức tạp, trong khi đó hệ thống MC-CDMA chỉ yêu cầu một bộ nhân, đó là một bộ điều chỉnh cho mỗi sóng mang con. Điều này cũng được thấy rõ trong biến đổi Fourier cho mã chập của 2 hàm miền thời gian, được cho bởi phép nhân của 2 hàm miền tần số, đạt được biến đổi Fourier của 2 hàm miền thời gian.(nhân chập trong miền tg là phép nhân trong miền tần số). Kế tiếp, để xem lược đồ tách sóng đa người dùng ở đường lên, để việc lấy mẫu đơn giản và không mất tính tổng quát, chúng ta hãy cắt giảm thông số i và p’ trong (4.23). Lược đồ tách sóng đa người dùng tuyến tính , nghĩa là tách sóng sử dụng một tổng tuyến tính của các sóng thu được, được định nghĩa là ' ' ˆ H j ja DEC W y    (4.31) Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 43 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Ở đây wi’ là vector sóng nhận được (K MC x 1) vector trọng số cho người dùng thứ j, để được quyết định ' '' ,0 , 1 , . MC T j j j K w         (4.32) Và y là vector sóng nhận được thứ (KMC x 1). Với một đường lên MC-CDMA gần như là đồng bộ thì y là vector hệ số Fourier thứ (KMC x 1) được định nghĩa là ' '(0), . ( 1) T MC p p y y y K      (4.33) Để biểu diễn 4.23 ở dạng vector , ta định nghĩa vector mã trải phổ bị méo cho user thứ j , vector symbol đã truyền (Jx1) và vector nhiễu (KMC x 1) là ,0 , 1 , . MC T j j j K d d d        ' ' ', , , ( ) ( ) MC j m s j jj m p d z iT d m c Pm p iK   (4.34)  ' '1 , ,, ., ( ) T p J p a a i a i     (4.35)  ' '' '0 , 1,, ., ( )MC T s sp K p n n iT n iT       (4.36) Hơn nữa ta định nghĩa ma trận mã trải phổ méo dạng (KMC x J) là 1 , ., JD d d    (4.37) Sử dụng các biểu thức từ (4.33) đến (4.26) ta có (4.23) được viết lại Y = Da + n (4.38) Tín hiệu nhận có thể được giải trải phổ với một mã trải phổ bị méo dạng H H HD y D Da D n  (4.39) Tuy nhiên DHD ở (4.39) không thể là một ma trận đơn vị (JxJ), bởi vì sự trực giao giữa mã trải phổ là méo dạng hoàn toàn xuyên qua kênh truyền phading có chọn lọc tần số .Lược đồ tách sóng đa người dùng loại bỏ tương quan chéo giữa mã trải phổ bằng cách nhân (4.45) với : Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 44 Phn C : ph lc và tài liu tham kho     1 1 H H H HD D D y a D D D n     (4.40) Do đó, vector trọng số của lược đồ tách sóng đa người dùng tương quan cho user thứ j được cho bởi   ' 1 ' ,1 , [ ]( ', ) J dec H j j j jj w D D d A j j        (4.41) Ở đây, nghĩa là thành phần thứ (j’ ,j) của ma trận A. Mặc khác lược đồ tách sóng đa người dùng MMSE làm tối thiểu lỗi bình phương trung bình sau  ' ' H 2j'j jminimize MSE w E[(a w y) ]  (4.42) Lỗi bình phương trung bình có thể được viết là  ' 'H H H H Hj' j' j' j' j' j' j'j jMSE w 1 2w E a y w E y y w 1 2w d 2w Yw           (4.43) Ở đây, ' j'jE a y d      và H 1 E y y 2 Y     là ma trận tương quan của các vector sóng thu được. Từ  ' 'j jMSE w / w 0   ,vector trọng số của lược đồ tách sóng đa người dùng MMSE cho người sử dụng thứ j được cho bởi ' 'j jYw d (4.44) ' ' 1 j j w Y d 4.2.3 Phân tích tốc độ lỗi bit (BER Analysis) Giả sử có một user đơn lẻ, ta định nghĩa rf như là một vector tín hiệu nhận được thứ (KMC x1 ) .Ma trận hiệp phương sai miền tần số (KMC x KMC ) , Rf được cho bởi 0, ' 1, ', . MC T f p K p r z z       (4.45) , 1 { } 2 H f f f a bR r r m    (4.46) Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 45 Phn C : ph lc và tài liu tham kho   , 'a b Hm a b P f   Định nghĩa λ0,…. λK MC – 1 là các giá trị đặc trưng khác 0 của Rf . Ví dụ, khi λn ,(n = 0, …..,KMC-1 ) khác nhau, tỉ số BER là 21 2 0 /1 1 2 1 / MCK MC n n n n n n BER v                (4.47) 1 0 1 (1 / ) MCn K u n u u n v        (4.48) Khi tất cả các λn bằng nhau và bằng λ 1 0 1 1 1 2 2 MC MCK nMC MC MCK MC n K n BER n                        (4.49) 2 2 2 12 / , ...., 1 / MC n L n          (4.50) Với trễ đa đường được cho ở hình 1, chúng ta có thể định nghĩa ma trận hiệp phương sai miền tần số (KMC x KMC ) với độ phân giải về thời gian của (T’s- ΔG)/(PKMC) (4.51) Với các giá trị đặc trưng khác 0 của R’t là 2 2 1 , ...., L  Ma trận hiệp phương sai miền tần số (KMC x KMC ) tương ứng với độ phân giải tần số P/(T’s- ΔG) được cho bởi  ' ' ( )MC H MCf tR W K RW K (4.52) Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 46 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Ở đây W(KMC) là ma trận DFT (KMC x KMC ) chuẩn hóa được cho bởi    ,MC a bW K w 2 ( / ) , 1 MCj ab K a b MC w e K  (4.53) Với đặc tính :    1 MC H MCW K W K  (4.54) Ta gọi rl là vector đặc trưng (K MC x1 ) được liên hệ với giá trị đặc trưng ' 2 , ( 1,2, , )f l l lR r r l L   (4.55) Và cũng gọi vector (KMC x1 ) zl như là   , ( 1, 2, , )MCl lz W K r l L   (4.56) Bây giờ , về mặt lý thuyết, chúng ta có thể chứng minh là giá trị đặc trưng của ma trận hiệp phương sai miền tần số (4.41) hoàn toàn giống với hiệp phương sai miền thời gian (4.51)             ' ' ' 2 2 2 .MC H MC MCf l t l M C MC t l l l MC l l l l R z W K R W K W K r W K R r W K r W K r z         (4.57) Biểu thức toán (4.63) cho thấy rõ ràng là giá trị đặc trưng khác không của R’f là . Do đó , khi chúng ta giả sử kênh phading chọn lọc tần số giống nhau thì giới hạn dưới của BER của hệ thống MC-CDMA là gần như giống với hệ thống DS-CDMA . Hơn nữa, việc giả sử một đặc tính phading độc lập ở mỗi sóng mang con chỉ một fading không chọn lọc tần số, nhưng kênh phading chọn lọc tần số ở mỗi sóng mang con, bởi vì nó yêu cầu PKMC đường truyền độc lập được phân tán đều đặn trong suốt thời gian ký hiệu ở cấp độ sóng mang con, tS = (T’s- ΔG). 4.3 Tổng kết và hướng phát triển đề tài 4.3.1 Tổng kết đề tài Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 47 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Sau thời gian nghiên cứu và tham khảo một số tài liệu liên quan, người nghiên cứu đã có được một số kiến thức về kênh truyền vô tuyến, các kỹ thuật đa truy cập, hệ thống DS-CDMA và hệ thống OFDM từ đó làm cơ sở để nghiên cứu hệ thống MC-CDMA. Kỹ thuật MC – CDMA là một kỹ thuật rất mới đang được nghiên cứu mạnh mẽ trên toàn thế giới với khả năng truyền tốc độ cao, tính bền vững với fading chọn lọc tần số, sử dụng băng thông hiệu quả, tính bảo mật cao và giảm độ phức tạp của hệ thống do thừa hưởng tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM. MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động trong tương lai. Chính vì vậy, việc tìm hiểu về kỹ thuật MC – CDMA và nghiên cứu các giải pháp về điều khiển công suất, cải thiện dung lượng hệ thống, tách sóng đa truy cập trong môi trường Fading … là cần thiết và có ý nghĩa thực tế. 4.3.2 Hướng phát triển đề tài Sau khi tìm hiểu và nắm rõ các lý thuyết cơ bản,người nghiên cứu đề tài có những hướng phát triển đề tài như sau: 1. Tìm hiểu chi tiết về: + Cách thức thực hiện trải phổ + Cách thức đồng bộ chuỗi giả ngẫu nhiên ở nơi thu + Các giải pháp về điều khiển công suất + Các kỹ thuật triệt nhiễu đa truy cập (MAI) + Ảnh hưởng của offset tần số đến chất lượng của hệ thống + Các giải thuật tách sóng đa truy cập + Các loại mã sửa sai thích hợp cho hệ thống dùng MC – CDMA 2. Mô phỏng bằng Matlab để có những số liệu cụ thể nhằm kiểm nghiệm lại phần lý thuyết đã trình bày ở Đồ án này và tìm kiếm một giải pháp thích hợp cho các hệ thống dùng kỹ thuật MC – CDMA. 3. Tìm hiểu về kỹ thuật Multi-code Multicarrier CDMA, kỹ thuật kết hợp giữa MC –CDMA và Multi-code CDMA. Các kết quả mô phỏng của các nhà nghiên cứu chothấy chất lượng của hệ thống sử dụng Multi-code Multicarrier CDMA cũng xấp xỉ như sử dụng MC – CDMA nhưng có thể hỗ trợ các tốc độ dữ liệu cao hơn. Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 48 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Phần C PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 49 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Phụ lục I Hình ảnh mô phỏng tín hiệu OFDM Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 50 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Phụ Lục II Hình ảnh mô phỏng MC-CDMA Giao diện chương trình mô phỏng Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 51 Phn C : ph lc và tài liu tham kho Tách sóng đơn user Tách sóng đơn user với các thông số kênh truyền và mã trải phổ được sử dụng. Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 52 Phn C : ph lc và tài liu tham kho BER của hệ thống khi dùng phương pháp tách sóng ORC Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 53 Phn C : ph lc và tài liu tham kho BER của hệ thống khi dùng phương pháp tách sóng TORC Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 54 Phn C : ph lc và tài liu tham kho BER của hệ thống khi dùng phương pháp tách sóng EGC Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 55 Phn C : ph lc và tài liu tham kho BER của hệ thống khi dùng phương pháp tách sóng MRC Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 56 Phn C : ph lc và tài liu tham kho BER của hệ thống khi dùng phương pháp tách sóng MMSE Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 57 Phn C : ph lc và tài liu tham kho TÀI LIỆU THAM KHẢO  Đính kèm 1. Các kỹ thuật đa truy nhập. 2. Nguyễn văn Đức ,Lý thuyết và ứng dụng của kỹ thuật OFDM , NXB Khoa học kỹ thuật 3. Ths .Trần thanh Phương ,Các kỹ thuật trải phổ ,ĐH BC Tôn Đức Thắng. 4. Multicarrier Techniques for 4G Mobile Comm. 5. Cải thiện MC-CDMA . 6. Bộ dự đoán méo phi tuyến trong hệ thống OFDM 7. Multicarrier CDMA. 8. Theory and Applications of OFDM and CDMA Wideband Wireless Communications 9. 10.

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdf159.kilobooks.com.pdf