Đề tài Mô phỏng ước lượng tỉ lệ lỗi bit (ber) trong hệ thống thông tin di động w-Cdma

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC œ: TIỂU LUẬN MÔN HỌC MÔ PHỎNG NGẪU NHIÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG ƯỚC LƯỢNG TỶ LỆ LỖI BIT (BER) TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG W-CDMA ° GIẢNG VIÊN: PGS TS. TRẦN LỘC HÙNG ° HỌC VIÊN: LÂM MINH QUÝ ° Lớp: CAO HỌC KHOA HỌC MÁY TÍNH ° Khóa học: 2008-2010 HUẾ 07-2009 MỤC LỤC A. LỜI NÓI ĐẦU 1 B. NỘI DUNG 2 I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TIN DI ĐỘNG W-CDMA 2 1. Qúa trình phát triển của hệ thống thông tin di động 2 2. Các đặc điểm của W-CDMA 3 3. Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA 4 II. MÔ PHỎNG HƯỚNG LÊN 6 1. MS dự định 6 2. Nhiễu đa trup nhập (Multiple Access interference: MAI) 6 3. Kênh thay đổi thời gian 7 4. Các thông số mô phỏng 9 5. Nghiên cứu phân tích cho mô phỏng hướng lên 9 III. TỐI ƯU Mà HOÁ 13 IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 14 V. KẾT LUẬN 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO  A. LỜI NÓI ĐẦU Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại. Các hệ thống thông tin di động với khả năng giúp con người trao đổi thông tin mọi lúc, mọi nơi đã phát triển rất nhanh và đang trở thành không thể thiếu được trong xã hội thông tin ngày nay. Bắt đầu từ các hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên ra đời vào năm 1946, thông tin di động đã liên tục phát triển và đến nay các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã được đưa vào khai thác thương mại ở nhiều nước trên thế giới. Ở Việt Nam, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba cũng đã và sẽ được nhanh chóng triển khai. Đối với các nhà khai thác mạng di động GSM thì cái đích 3G là các hệ thống thông tin di động CDMA băng rộng (W-CDMA) theo chuẩn IMT-2000. Xuất phát từ định hướng này, tiểu luận tìm hiểu về “Mô phỏng ước lượng tỷ lệ lỗi bit (BER) trong hệ thống thông tin di động W-CDMA” Nội dung tiểu luận trình bồm : - Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động WCDMA; - Mô phỏng ước lượng tỷ lệ lỗi bit (BER) tại hướng lên - Một số kết quả mô phỏng Lời đầu tiên xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS TS. Trần Lộc Hùng đã tận tình chỉ bảo những kiến thức bổ ích về môn học này. Do khả năng có hạn nên tiểu luận không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Rất mong nhận được sự góp ý và chỉ bảo của Thầy giáo để bản thân có thể hoàn chỉnh hơn nữa những hiểu biết của mình. B. NỘI DUNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TIN DI ĐỘNG WCDMA 1. Qúa trình phát triển của hệ thống thông tin di động Thông tin di động đã được đưa vào sử dụng đầu tiên ở Mỹ năm 1946, khi đó nó chỉ được sử dụng ở phạm vi thành phố, hệ thống này có 6 kênh sử dụng cấu trúc ô rộng với tần số 150 MHz. Mặc dù các khái niệm tế bào, các khái niệm trải phổ, điều chế số và các công nghệ hiện đại khác được biết đến hơn 50 năm trước đây, nhưng cho đến đầu những năm 1960 dịch vụ điện thoại di động tế bào mới xuất hiện trong các dạng ứng dụng và khi đó nó chỉ là các sửa đổi thích ứng của các hệ thống điều vận. Các hệ thống di động đầu tiên này có ít tiện lợi và có dung lượng rất thấp.Vào những năm 1980, hệ thống điện thoại di động tế bào điều tần song công sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số xuất hiện, đây là hệ thống tương tự hay còn gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G). Các hệ thống thông tin di động tế bào tương tự nổi tiếng nhất là: hệ thống di động tiên tiến (AMPS), hệ thống di động tiên tiến băng hẹp (NAMPS), hệ thống thông tin truy nhập toàn diện (TACS) và hệ thống NTT. Hạn chế của các hệ thống này là: phân bố tần số hạn chế, dung lượng thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn với khách hàng v.v... Giải pháp để loại bỏ các hạn chế trên là chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số sử dụng các dịch vụ đa truy nhập mới. Hệ thống đa truy nhập TDMA đầu tiên ra đời trên thế giới là GSM. GSM được phát triển từ năm 1982, CEPT quy định việc ấn định tần số dịch vụ viễn thông Châu âu ở băng tần 900MHz. Ở Việt Nam hệ thống thông tin di động được đưa vào hoạt động vào năm 1993, hiện đang được hai công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả, mới đây Viettel là công ty thứ ba đưa vào khai thác hệ thống GSM trên thị trường thông tin di động Việt nam. Song song với sự phát triển của các hệ thống thông tin di động tế bào nói trên, các hệ thống thông tin di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số cũng được nghiên cứu phát triển. Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin này là: DECT (Digital Enhanced cordless Telecoms) của châu Âu và PHS của Nhật cũng đã được đưa vào khai thác. Ngoài kỹ thuật TDMA, đến năm 1995, CDMA được đưa vào sử dụng ở một số nước. Các hệ thống thông tin di động kỹ thuật số nói trên, sử dụng phương pháp truy nhập TDMA như GSM (Châu Âu), PDC (Nhật) hoặc phương pháp truy nhập CDMA theo chuẩn năm 1995 (CDMA-IS95) đều thuộc hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2( 2G). Các hệ thống thông tin tế bào số có nhiều điểm nổi bật như chất lượng thông tin được cải tiến nhờ các công nghệ xử lý tín hiệu số khác nhau, nhiều dịch vụ mới (VD: các dịch vụ phi thoại), kỹ thuật mã hóa được cải tiến, tương thích tốt hơn với các mạng số và phát huy hiệu quả dải phổ vô tuyến. Ngoài chuẩn IS-95 dựa trên công nghệ CDMA, tất cả các chuẩn khác đều dựa trên công nghệ TDMA. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của khách hàng, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba -IMT 2000 đang được nghiên cứu sử dụng. Khác với các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (tương tự) và thứ 2 (số), hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) có xu thế chuẩn hoá toàn cầu và khả năng cung cấp các dịch vụ ở tốc độ bít lên tới 2 Mb/s (có thể sử dụng truy cập Internet, truyền hình và thêm nhiều dịch vụ mới khác). Để phân biệt với hệ thống thông tin di động băng hẹp hiện nay, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 còn được gọi là hệ thống thông tin di động băng rộng. Từ năm 2001, các hệ thống IMT-2000 sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng (W-CDMA) bắt đầu được đưa vào khai thác. 2. Các đặc điểm của W-CDMA (i) Hiệu suất sử dụng tần số cao Về nguyên tắc, dung lượng tiềm năng của hệ thống được xem như giống nhau ngay cả khi các công nghệ đa truy nhập như TDMA và FDMA được ứng dụng. Trong khi CDMA thường được coi là có hiệu suất sử dụng tần số cao, điều này nên được hiểu theo nghĩa là trong CDMA rất dễ để nâng cao hiệu suất sử dụng tần số. Ví dụ, CDMA có thể đạt được một mức hiệu suất chắc chắn nhờ sử dụng kỹ thuật điều chỉnh công suất phát chính xác, ngược lại TDMA sẽ phải sử dụng đến kỹ thuật phân chia kênh động cực kỳ phức tạp để đạt được cùng mức hiệu suất như vậy. Việc sử dụng các công nghệ cơ bản của hệ thống CDMA theo đúng cách sẽ đem lại hiệu suất sử dụng tần số cao cho hệ thống. (ii) Dễ quản lý tần số Do CDMA cho phép các ô lân cận chia sẻ cùng một tần số nên không cần có qui hoạch tần số. Ngược lại, trong các hệ thống sử dụng FDMA và TDMA cần phải đặc 68 biệt chý ý đến qui hoạch tần số, có nhiều khó khăn liên quan đến qui hoạch tần số do vị trí lắp đặt các trạm trong thực tế thường dẫn tới việc phải xét đến những mẫu truyền lan sóng bất qui tắc và các đặc tính địa hình phức tạp. Cần phải chú ý rằng các qui hoạch tần số không hoàn chỉnh sẽ làm giảm hiệu suất sử dụng tần số. CDMA không cần có qui hoạch tần số như thế. (iii) Công suất phát của máy di động thấp Nhờ có quá trình tự điều chỉnh công suất phát (TPC) mà hệ thống W-CDMA có thể giảm được tỷ số Eb/No (tương đương với tỷ số tín hiệu trên nhiễu) ở mức chấp nhận được, điều này không chỉ làm tăng dung lượng hệ thống mà còn làm giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và nhiễu. Việc giảm này đồng nghĩa với giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động. Nó làm giảm giá thành và cho phép hoạt động trong một vùng rộng hơn với công suất thấp khi so với hệ thống TDMA hoặc hệ thống tương tự có cùng công suất. Ngoài ra, việc giảm công suất phát yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục vụ và giảm số lượng BS yêu cầu khi so với các hệ thống khác. Một ưu điểm lớn hơn xuất phát từ quá trình tự điều chỉnh công suất phát trong hệ thống W-CDMA là nó làm giảm công suất phát trung bình. Trong đa số trường hợp thì môi trường truyền dẫn là thuận lợi đối với W-CDMA. Trong các hệ thống băng hẹp thì công suất phát cao luôn luôn được yêu cầu để khắc phục hiện tượng pha đinh theo thời gian. Trong hệ thống W-CDMA, công suất trung bình có thể giảm vì công suất yêu cầu chỉ được phát đi bởi việc điều khiển công suất và công suất phát chỉ tăng khi xảy ra pha đinh. (iv) Sử dụng các tài nguyên vô tuyến một cách độc lập trong đường lên và đường xuống Trong CDMA, rất dễ để cung cấp một cấu hình không đối xứng giữa đường lên và đường xuống. Ví dụ, trong các hệ thống truy nhập khác như TDMA sẽ rất khó để phân chia các khe thời gian cho đường lên và đường xuống của một thuê bao độc lập với các thuê bao khác. Trong FDMA, rất khó để thiết lập cấu hình không đối xứng cho đường lên và đường xuống vì độ rộng băng tần sóng mang của đường lên và đường xuống sẽ phải hay đổi. Ngược lại, trong CDMA, hệ số trải phổ (SF) có thể được thiết lập độc lập giữa đường lên và đường xuống đối với mỗi thuê bao và nhờ đó có thể thiết lập các tốc độ khác nhau ở đường lên và đường xuống. Điều này cho phép sử dụng hiệu 69 quả các tài nguyên vô tuyến ngay cả trong các loại hình thông tin không đối xứng như truy nhập Internet. Khi không phát số liệu thì tài nguyên vô tuyến không bị chiếm dụng; do đó, nếu một thuê bao chỉ thực hiện truyền tin ở trên đường lên và một thuê bao khác chỉ thực hiện truyền tin ở trên đường xuống thì các tài nguyên vô tuyến được sử dụng tương đương tài nguyên cho một cặp đường truyền lên và xuống. Thông thường, TDMA và FDMA sẽ phải phân chia hai cặp tài nguyên vô tuyến trong các trường hợp như vậy. Các thuộc tính băng rộng của W-CDMA cho hiệu suất cao hơn trong các mặt sau. (i) Nhiều tốc độ số liệu Băng thông rộng cho phép truyền dẫn tốc độ cao. Nó cũng cho phép cung cấp có hiệu quả các dịch vụ khi có sự kết hợp các dịch vụ tốc độ thấp và các dịch vụ tốc độ cao. Ví dụ, trong TDMA, các tốc độ truyền dẫn khác nhau có thể được cung cấp bằng cách thay đổi số khe thời gian được phân chia, nhưng ở tốc độ thấp như tốc độ khi chỉ truyền tín hiệu thoại của máy di động vẫn yêu cầu cùng mức công suất đỉnh như mức công suất yêu cầu cho các dịch vụ tốc độ cực đại. (ii) Cải thiện các giải pháp chống hiệu ứng pha đinh nhiều tia Công nghệ thu phân tập RAKE (thu bằng nhiều anten) giúp nâng cao chất lượng tín hiệu thu bằng cách tách riêng các tín hiệu nhiều tia thành các tín hiệu một tia để thu và kết hợp lại. Khi băng thông rộng sẽ cải thiện giải pháp truyền lan sóng và công suất thu yêu cầu sẽ không cần cao vì hiệu quả phân tập đường truyền làm số đường truyền tăng lên. Điều này giúp giảm công suất phát và tăng dung lượng. (iii) Giảm tỷ lệ gián đoạn tín hiệu Băng thông rộng làm gia tăng tốc độ bít trong kênh điều khiển và tạo ra khả năng giảm tỷ lệ bị gián đoạn tín hiệu thu, nhờ đó, máy di động có thể thu các tín hiệu ở mức thấp trong chế độ rỗi để tiết kiệm nguồn. Điều này giúp kéo dài thời gian chờ của pin ở máy di động. 3. Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA Bảng 1: Các đặc tính kỹ thuật cơ bản W-CDMA Phương thức truy nhập CDMA trải phổ trực tiếp Phương thức truyền 2 chiều (song công) FDD Độ rộng băng thông 5 MHz Tốc độ chíp 3,84 Mc/s Khoảng cách sóng mang 200 kHz Tốc độ số liệu ~ 2 Mbit/s Độ dài khung số liệu 10, 20, 40, 80 ms Mã hiệu chỉnh lỗi lỗi Mã Turbo, mã xoắn Phương thức điều chế số liệu Đường xuống: QPSK, đường lên BPSK Phương thức điều chế trải phổ Đường xuống: QPSK, đường lên HPSK Hệ số trải phổ (SF) 4 ~ 512 Phương thức đồng bộ giữa các trạm gốc Dị bộ (cũng có thể sử dụng chế độ đồng (bộ) Phương pháp mã hóa thoại AMR (1,95 kbit/s-12,2 kbit/s) Ghi chú: AMR: Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng; BPSK: điều chế pha hai trạng tháI; FDD: Song công phân chia tần số; HPSK: Điều chế pha hỗn hợp (lai); QPSK: Điều chế pha bốn trạng thái. Ban đầu, Hiệp hội kinh doanh và công nghệ vô tuyến (ARIB) và Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu (ETSI) đã chủ trương xây dựng các hệ thống vô tuyến tập trung trên sóng mang 5 MHz và cũng có thể bao gồm cả các sóng mang 10 MHz và 20 MHz. Dự án đối tác thế hệ thứ ba (3GPP) tập trung hoàn thiện các đặc tính kỹ thuật cho độ rộng băng tần 5 MHz và xóa bỏ các đặc tính kỹ thuật cho các băng tần khác. Điều này có thể lý giải là do thực tế thì sóng mang có băng tần 5 MHz là đủ để đạt được tốc độ truyền dẫn 2 Mbit/s mặc dù băng tần 20 MHz sẽ hiệu quả hơn cho việc truyền số liệu ở tốc độ này, chứ không phải do mục tiêu của 3GPP là hoàn thiện các đặc tính kỹ thuật chi tiết càng nhanh càng tốt. Vì thế, phiên bản hiện tại về các đặc tính kỹ thuật được đưa ra bởi 3GPP và các tiêu chuẩn của ARIB và ETSI chỉ giới hạn ở độ rộng băng tần 5 MHz. Chế độ không đồng bộ (dị bộ) được áp dụng giữa các BS sẽ tạo ra khả năng không cần phải đồng bộ chặt chẽ giữa tất cả các BS và như vậy sẽ cho phép triển khai linh hoạt các BS. Nhờ việc thiết kế, cũng có thể áp dụng chế độ đồng bộ giữa các BS. Độ dài khung cơ bản là 10 ms và cũng có thể có các độ dài khác như trong bảng Phương thức điều chế số liệu là điều chế pha bốn trạng thái (QPSK) cho đường xuống và điều chế pha hai trạng thái (BPSK) cho đường lên. Phương thức điều chế pha hỗn hợp (HPSK) được áp dụng cho điều chế trải phổ ở đường lên. Quá trình tách sóng dựa trên phương pháp tách sóng nhất quán có sự trợ giúp của ký hiệu hoa tiêu. Đối với đường xuống, các ký hiệu hoa tiêu được ghép theo thời gian để giảm thiểu độ trễ trong quá trình điều chỉnh công suất phát (TPC) và đơn giản hóa các mạch thu trong máy di động. Đối với đường lên, các ký hiệu hoa tiêu được trải phổ bởi các mã trải phổ khác với số liệu và được ghép vuông pha (I/Q) với số liệu. Điều này đảm bảo cho quá trình truyền dẫn là liên tục ngay cả khi thực hiện truyền với tốc độ có thể thay đổi và giảm thiểu các đỉnh trong dạng sóng truyền. Đó cũng là một cách hiệu quả để giảm ảnh hưởng của các trường điện từ và giảm các yêu cầu đối với mạch khuyếch đại trong máy di động. SF biến thiên được áp dụng để thu được các tốc độ truyền dẫn khác nhau. Đối với đường xuống, hệ số trảI phổ biến thiên trực giao ( OVSF) được ứng dụng. Đa mã cũng có thể được sử dụng. Các mã xoắn được sử dụng để mã hóa kênh. Đối với số liệu tốc độ cao, các mã Turbo được sử dụng. Phương thức ký hiệu hoa tiêu được áp dụng hiệu quả cho vòng điều chỉnh công suất nhanh khép kín trong đường xuống. Ngoài ra, các ký hiệu hoa tiêu chung sử dụng để giải điều chế các kênh chung cũng có thể được sử dụng để giải điều chế các kênh II. MÔ PHỎNG HƯỚNG LÊN Tại hướng lên, máy thu trạm gốc thu những tín hiệu từ tất cả các trạm di động và giải mã chúng. Những tín hiệu từ các MS khác nhau theo những kênh khác nhau đến trạm gốc. Sơ đồ khối dưới đây dùng cho mô phỏng hướng lên. Hình 1: Sơ đồ mô phỏng hướng lên 1. MS dự định MS dự định là user cho mô phỏng ước lượng BER. User ở đây có kênh điều khiển dành riêng và một ứng dụng dữ liệu như hình 2. Tạp âm được xác định tuỳ theo hệ số trải phổ của kênh dữ liệu và BER được ước lượng chỉ theo kênh dữ liệu. Hình 1: MS dự định 2. Nhiễu đa trup nhập (Multiple Access interference: MAI) Quá trình tạo nhiễu đa truy nhập MAI được thực hiện bằng cách phát tín hiệu cho MS bị nhiễu trong hệ thống. Nhiễu của từng trạm di động được tạo ra trên một khung theo cùng cách như người sử dụng. Tuy nhiên những khung này chưa được liên kết như mong muốn. Chuẩn lệch định thời (offset) tối đa giữa các khung của một nhiễu do người sử dụng và người sử dụng mong muốn có thể được tính theo cách sau: Giả thiết bán kính của một cell là D km. Chuẩn lệch định thời tối đa giữa các khung của người sử dụng và một nhiễu là thời gian cho bởi tín hiệu đi được một vòng của D+D = 2D km. Thời gian này là: Với c là vận tốc của ánh sáng. Nếu giả thiết rằng bán kính của một cell là 20 km ta có: Với tốc độ chip là 3,84 Mcps, chuẩn lệch định thời tối đa tương ứng với 4/3*10-4 x 3,84 x 106=512 chip Sự không đồng bộ này truyền những khung đến trạm gốc theo những kênh đa đường khác nhau và tạo thành nhiễu đa truy nhập MAI. Trong chương trình mô phỏng, ta giả thiết rằng có thể điều khiển công suất hoàn hảo (tất cả các user truyền các công suất bằng nhau và tín hiệu phía thu tại trạm gốc của tất cả các user có cùng mức công suất trung bình). 3. Kênh thay đổi thời gian Tốc độ chip của tín hiệu WCDMA là 3,84 Mcps. Ba kiểu khác nhau của kênh đa đường được sử dụng trong mô phỏng là: 1. Kênh trong nhà 2. Kênh trong nhà ra ngoài trời 3. Kênh cho xe cộ Mỗi kênh được sử dụng trong mô phỏng tương ứng với những môi trường khác nhau như tên gọi của nó. Những kênh đa đường khác nhau có các thông số về độ trễ liên quan và biên độ được chỉ ra trong các bảng dưới đây. Kênh trong nhà Kênh trong nhà và ngoài trời Kênh cho xe cộ Độ trễ tương đối (ns) Công suất (dB) Độ trễ tương đối (ns) Công suất (dB) Độ trễ tương đối (ns) Công suất (dB) 0 0 0 0 0 0 50 -3 110 -9,7 310 -1 110 -10 190 -19,2 710 -9 170 -18 410 -22,8 1090 -10 290 -26 1730 -15 310 -32 2510 -20 Bảng 2: Kênh thay đổi theo thời gian Kênh xe cộ với tốc độ tối đa 120 km/h được kết hợp hai kênh khác tương ứng với một tốc độ của đi bộ của 5 km/h. Tốc độ di động 120 km/h tương ứng với trải phổ Doppler của 223 Hz cho sóng mang tần số 2 GHz là sự so sánh tương đối băng thông của tín hiệu băng gốc trong môi trường fading chậm. Cách lý tưởng để chuyển đổi những thông số đa đường thành các tham số thời gian trong chương trình mô phỏng là thực hiện phép nội suy với hàm sin( x)/x (dùng bộ lọc thông thấp brick-wall). Như vậy chúng ta sẽ có một hồ sơ kênh với một số lớn các thành phần đa đường, Điều này sẽ làm tăng đáng kể thời gian chạy của chương trình mô phỏng. Với phép nội suy đơn giản dùng trong mô phỏng, ta có một số nhỏ những thành phần non-zero trong việc xây dựng lại hồ sơ đa đường. Giả thiết có sự mất mát thông tin trong quá trình nội suy. Nhưng nếu tốc độ lấy mẫu đủ cao (4 mẫu mỗi chip và hơn nữa) kênh thêm vào sẽ phản ứng theo kênh gốc rất sát nhau trong băng tần số. Băng thông của bộ lọc tạo xung là băng tần quan tâm của mô phỏng. Những hệ số kênh thì được chuẩn hoá do đó 1, N hệ số kênh. Sự tiêu chuẩn hoá này bảo đảm năng lượng trung bình của tín hiệu ở tại cả hai đầu cuối của kênh như nhau. Điều này cho phép ta nhận được năng lượng của tín hiệu tại máy phát như năng lượng của tín hiệu thu được (Eb) trong ước lượng của máy thu trước giá trị Eb/N0 cuối cùng. Kênh sử dụng trong mô phỏng là những bộ lọc thời gian tuyến tính khác nhau. Chúng ta có những thành phần nhiễu Rayleigh độc lập trên những ví dụ lấy mẫu. Hình 3 biểu diễn sơ đồ khối của kênh biến đổi thời gian. Độ trễ được thực hiện bởi mỗi khối dữ liệu được truyền (một khung 10 ms cho mô phỏng) theo kiểu chu kỳ. Để thực hiện độ trễ của mẫu τ , những mẫu τ cuối cùng của khung truyền được lấy. Khối block này của mẫu τ sau đó được thêm vào đoạn đầu của khối dữ liệu truyền bị cắt. Sóng Rayleigh được sinh ra sử dụng mô hình Clarke. Mẫu tạp âm phức chuẩn (Complex Normal), không tương quan trong miền thời gian, được chuyển thông qua bộ lọc Doppler. Bộ lọc Doppler này truyền đạt tương quan tới mẫu miền thời gian tuỳ theo trải phổ Doppler. Trải phổ Doppler là một hàm của tốc độ di động. Sóng ra khỏi máy phát trong mô hình Clarke có sự phân bổ biên độ Rayleigh và sự phân phối pha đồng đều giữa [0,2π ]. Ý nghĩa giá trị biên độ là đồng nhất. Độ trễ của đường thứ 2 Độ trễ của đường thứ N Sóng Rayleigh Sóng Rayleigh Sóng Rayleigh khung phát Hình 3: Kênh thay đổi thời gian Sóng Rayleigh có thể được sinh ra tại tốc độ symbol hơn là tại tốc độ chip. Điều này làm giảm thời gian chạy mô phỏng hơn nữa. Thậm chí giả thiết sự trải phổ Doppler của 223Hz tương ứng với tốc độ di động 120 km/h, tạp âm xuất hiện vẫn còn dưới -30 dB cho trường hợp xấu nhất của hệ số lấy mẫu là 8 và hệ số trải phổ là 256. Tuy nhiên tạp âm này không phải là nguyên nhân và thước đo thay đổi trong BER. 4. Các thông số mô phỏng Người sử dụng có thể lựa chọn thông số Eb/N0. Giá trị này có thể là giá trị đơn hoặc mảng (array). Các thông số khác như Kênh, Hệ số trải phổ, Số mẫu mỗi chip và số rake finger là các pop down menu cung cấp các giá trị lựa chọn. Mặc dù “Raised Cosine Pulse Shaping” là chuẩn nhưng pop down menu cũng cung cấp lựa chọn cho “Rectangular Pulse Shaping” cũng như bộ lọc Raised Cosine. Số nhiễu được gõ vào text box tương ứng. Thông số khung xác định bao nhiêu khung truyền mà mô phỏng xử lý. Các thông số trên có giá trị mặc định ban đầu như bảng 2. Nếu người sử dụng chọn chạy mô phỏng “Downlink”, thì cần bấm nút Downlink sau khi gõ lệnh trong MATLAB command. Với các thông số liên quan, chúng có ý nghĩa tương tự như mô phỏng hướng lên. Sự thay đổi duy nhất trong các thông số mặc định là 3 rake finger không giống như 4 finger tại hướng lên. Sau khi mô phỏng hoàn tất, nó sẽ cung cấp cho người sử dụng với các lựa chọn để quan sát kết quả theo bảng hay đồ thị. Ví dụ người sử dụng có thể lựa chọn nút “BER plot” để thấy hoạt động BER của máy thu hay ấn nút “Display BER” để thấy bảng BER vs Eb/N0. Eb/N0 (dB) 5 Hệ số trải phổ (Spreading Factor 32 Số mẫu mỗi chip (Samples per chip) 1 Dạng xung (Pule shape) Cos nâng Kênh (channel) Trong nhà Số nhiễu (Interferer Number) 0 Rack fing 4 Số khung (Number of frame) 1 Bảng 3: Thông số mặc đinh cho mô phỏng hướng lên 5. Nghiên cứu phân tích cho mô phỏng hướng lên Chúng ta giả thiết thời gian đó không có MAI xuất hiện trong hệ thống. Hình dưới đây chỉ ra máy phát và tín hiệu tại các điểm khác nhau. j dQ(t) dI(t) CQ(t) ds(t) s(t) Hình 4. Máy phát CI(t) Dữ liệu tại kênh I là tín hiệu dI(t), trong khi dữ liệu của kênh Q là dQ(t). Dữ liệu trải phổ bao gồm ds(t)=d1(t)c1(t) = jdQ(t)cQ(t) (3) CI và CQ là mã trải phổ cho kênh I và kênh Q. Cuối cùng dữ liệu phát cho bởi s(t) =ds(t)csc(t) (4) csc là mã trộn phức hướng lên. Hình 5: Truyền qua kênh và tiếp nhận tại máy thu Rake Mỗi tín hiệu phát được chuyển qua một kênh đa đường như hình 6, với r(t) là tín hiệu thu, h(t,τ ) là đáp ứng kênh phức, n(t) là tạp âm Gaussian phức tại trước máy thu Rake. Bây giờ Ở đây chúng ta giả thiết có N thành phần đa đường trong mỗi kênh. Mỗi một hi(t,τ i) là hàm phức Tín hiệu thu được cho bởi: r(t)=r’(t)+n(t) (6) Hình 6: Giải trộn tại nhánh Rake Hình 6 biểu diễn tín hiệu tại finger thứ i của máy thu rake Số hạng thứ hai trong phương trình (7) là tạp âm Gaussian phức. Chúng ta biểu thị nó như ni’(t). Do đó, Số hạng thứ nhất trong phương trình (8) là tín hiệu mong muốn. Gọi nó là mi’(t). Số hạng thứ hai là nhiễu do các đường khác tạo ra hoặc ISI. Chúng ta biểu diễn nó như là Ii’(t). Vì vậy chúng ta có Số hạng thứ nhất biểu diễn cho tín hiệu mong muốn mi(t) được cho bởi Số hạng thứ hai biểu diễn cho ISI Ii(t) được cho bởi Số hạng thứ ba biểu diễn tạp âm ni(t) được cho bởi Hình 8 chỉ ra quá trình giải trải phổ Hình 7: Giải trải phổ tại nhánh Rake Ở đây zi là thông tin được thống kê quyết định cho nhánh thứ I của máy thu rake. Bởi vậy Do vậy thông tin thống kê quyết định được cho bởi Có thể được ước lượng như Ở đây T là một chu kỳ symbol. Nếu chúng ta giả thiết độ lớn đáp ứng của kênh vẫn còn không thay đổi cho khoảng symbol, ta được: Ở đây K có thể là một trong hai 1 hoặc -1 tuỳ thuộc vào symbol đã phát. Số hạng thứ hai trong phương trình (16) là ISI. ISI thì thật sự là nhỏ khi so sánh với số hạng thứ nhất trong phương trình (16). Số hạng thứ ba ở đây là tạp âm. Sự phân tích trên có thể được mở rộng khi xuất hiện MAI. Phương trình (16) sẽ được Hình 8. Cấu trúc mã mô phỏng cho hướng lên vầ hướng xuống III. TỐI ƯU Mà HOÁ Mô phỏng được chạy trên môi trường MATLAB để tận dụng được những hàm kèm theo thực hiện những ứng dụng xử lý tín hiệu khác nhau như lọc và Phép biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transformation – FFT) và mảng có khả năng điều khiển cao cấp hơn. Để chạy mô phỏng trong thời gian mô phỏng có thể, chúng ta phải tối ưu mã MATLAB. Chúng ta tạo những mã trộn (scrambling codes) riêng biệt và cất chúng trong những file dữ liệu. Trong khi chạy mô phỏng, chương trình mô phỏng đọc mã trộn mong muốn từ những file này. Điều này là cần thiết vì việc tạo ra những mã trộn dài mất nhiều thời gian trong khi chạy mô phỏng. Trong hình 8 chỉ ra hồ sơ MATLAB cho mô phỏng hướng lên và hướng xuống. Chạy mô phỏng cho kênh xe cộ với 1 user nhiễu. Chúng tương ứng với những hàm thực hiện MAI và kênh thay đổi thời gian. Việc tạo ra sóng Rayleigh làm mất hầu hết thời gian mô phỏng trong cả hai hàm. Tuy nhiên sóng Rayleigh tạo ra với tốc độ symbol sẽ mất thời gian mô phỏng ít hơn với tốc độ chip. Một cách khác để giảm thời gian mô phỏng là giải điều chế những tín hiệu từ các user nhiễu và đếm những lỗi tới bộ đếm BER. Tuy nhiên sẽ làm tăng sự phức tạp của máy thu và chúng ta sẽ không có lựa chọn cho các hệ số trải phổ khác nhau cho các user khác nhau. Hình 9: BER và Eb/N0 tại hướng lên WCDMA cho kênh trong nhà. (Hệ số trải phổ là 32. Số nhiễu thay đổi từ 0 đến 12) Hình 10. BER và Eb/N0 tại hướng lên cho kênh ngoài trời (Hệ số trải phổ của User là 32. Số nhiễu thay đổi từ 0-12) IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Phần này sẽ trình bày kết quả mô phỏng cho hệ thống W-CDMA với các kênh khác nhau. Kết quả mô phỏng gồm cả BER/tốc độ lỗi khung (FER) vs Eb/N0 và BER vs số nhiễu. Sự cải thiện BER nhờ vào phương thức mã hoá sửa lỗi được chỉ ra cho dich vụ hướng lên 9,6 kbit/s. Kết quả mô phỏng (Hình 9-12) biểu diễn những đường cong BER và Eb/N0 cho số người sử dụng khác nhau. Hệ số trải phổ cho kênh dữ liệu là 32 cho kênh trong nhà (Indoor) và kênh ngoài trời (Outdoor). Giải pháp mô phỏng là 5 mẫu mỗi chip. Chúng ta giả thiết tín hiệu thu được từ tất cả các user tại trạm gốc có công suất bằng nhau. Chúng ta có thể quan sát từ các biểu đồ trên và khi hệ thống tải đến khoảng 50% thì BER tiến đến 10% và đương nhiên không thể chấp nhận. Tuy nhiên với mã hoá sửa lỗi và phương thức phân tập anten, BER có thể cho phép trở lại giới hạn chấp nhận được. Hình 11. BER và Số nhiễu tại hướng lên WCDMA cho kênh trong nhà (Eb/N0 là 12 dB) Hình 12. BER và số nhiễu tại hướng lên WCDMA cho kênh ngoài trời (Eb/N0 là 12 dB) Hình 13a. BER và Eb/N0 tại hướng xuống WCDMA cho kênh trong nhà.(Hệ số trải phổ là 32. Số nhiễu thay đổi từ 0 đến 12) Hình 13b. BER và Eb/N0 tại hướng xuống WCDMA cho kênh ngoài trời. (Hệ số trải phổ là 32. Số nhiễu thay đổi từ 0 đến 12) Chúng ta có thể thấy hình 9 và hình 10 chỉ ra rằng hệ thống trở thành nhiễu có giới hạn khi số nhiễu gia tăng. Đây là điều chờ đợi cho bất kì hệ thống truyền thông nào sử dụng CDMA như là công nghệ đa truy nhập. Hệ số trải phổ cho kênh dữ liệu là 32 cho kênh trong nhà (Indoor) và kênh ngoài trời (Outdoor). Giảp pháp mô phỏng là 5 mẫu mỗi chip. Chúng ta giả thiết tín hiệu thu được từ tất cả các user tại trạm gốc có công suất bằng nhau. Giống như hướng lên, hệ thống tiến đến nhiễu giới hạn tại hướng xuống với số nhiễu user cao hơn. Tuy nhiên, khi các user được đồng bộ, thì sự trực giao giữa các user thì tốt hơn tại hướng xuống. V. KẾT LUẬN Việc mô phỏng tín hiệu tuỳ thuộc vào chi tiết kỹ thuật của lớp vật lý trong hệ thống IMT-2000 W-CDMA. Dữ liệu phát từng khung thông qua các kênh thay đổi thời gian. Tín hiệu phát bị sai lạc đi khi có nhiễu đa truy nhập. Tín hiệu bị lệch lạc hơn nữa bởi AWGN tại máy thu rake. Kết hợp phân tập rake đơn giản được sử dụng tại máy thu. Tiểu luận nghiên cứu tốc độ lỗi bit tại hướng lên (hướng xuống cũng tương tự như vậy) cho hai kênh thay đổi thời gian khác nhau. Với hệ thống mong đợi đạt tới giới hạn nhiễu với số user cao. Khi không có phương thức mã hoá kênh và công nghệ phân tập anten, khi BER tiến đến 10% khi hệ thống vận hành tới 50%. Điều này không đạt yêu cầu. Tuy nhiên BER có thể đẩy về giơi hạn yêu cầu với mã hóa kênh và công nghệ phân tập anten. Việc mô phỏng được phát triển có thể sẽ là công cụ hữu dụng để nghiên cứu hoạt động của W-CDMA dưới các điều kiện khác nhau. Ví dụ mô phỏng có thể được sử dụng để nghiên cứu phương thức phân tập anten tại máy thu. Mô phỏng dễ thích ứng và dễ dàng làm những thay đổi cần thiết để tạo ra mô hình kênh có tính phức tạp dựa trên đo lường và nghiên cứu hoạt động của W-CDMA. Các tác giả đã chỉ ra rằng thật đơn giản khi sử dụng mô phỏng để quan sát hoạt động của mã hoá sửa lỗi. Ngoài ra có thể thấy rằng khi thực hiện phương thức mã hoá xoắn cho ứng dụng thoại hướng lên 9,6 kbit/s làm giảm đáng kể SNR cho BER. Quá trình mô phỏng có thể tốt hơn bằng cách sử dụng những mô hình kênh có tính thống kê dựa trên dữ liệu đã đo đạc. Nâng cao hoạt động của hệ thống bằng cách sử dụng MUD (multi user detection) và loại trừ nhiễu (Interference Cancellation) cũng có thể được nghiên cứu. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Trần Lộc Hùng đã giúp tôi trong quá trình tiếp cận môn học và thực hiện tiểu luận này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Việt Anh, “Lập trình MatLab và ứng dụng” Nhà xuất bản khoa học và Kỹ thuật, 2004. [2] Trần Lộc Hùng, Cơ sở mô phỏng ngẫu nhiên, NXB Giáo Dục, 1997. [3] Erik Dahlman, Per Beming, Jens Knutsson, Fredrik Ovesjo, Magnus Persson, and Christiaan Roobol, “WCDMA- The Radio Interface for Future Mobile Multimedia Communications”, IEEE Transactions on [4] Kevin Laird, Nick Whinnet, and Soodesh Buljore, “A Peak-To-Average Power Reduction Method for Third Generation CDMA Reverse Links”, in Proc., IEEE [5] Vehicular Technology Conference, 1999. [7] Esmael H. Dinan and Bijan Jabbari, “Spreading Codes for Direct Sequence CDMA and Wideband CDMA Cellular Networks”, IEEE Communications Magazine, vol. 36, pp. 48 54, September 1998. [6] W-CDMA Mobile Communications System, John Wiley & Sons LTD, 2002.