Hệ thống multicode multcarrier CDMA

thông dụng nhất trong truyền dẫn. Công thức cho sóng mang được điều chế PSK 4 mức như sau:[6] (3.12) Với θ pha ban đầu ta cho bằng 0 (3.13) Trong đó, i = 1,2,3,4 tương ứng là các ký tự được phát đi là "00", "01", "11", "10" T = 2.Tb (Tb: Thời gian của một bit, T: Thời gian của một ký tự) E : Năng lượng của tín hiệu phát triển trên một ký tự. Hình 3. 16 Biểu đồ tín hiệu tín hiệu QPSK 3.5.3 Điều chế QAM Trong hệ thống PSK, các thành phần đồng pha và vuông pha được kết hợp với nhau tạo thành một tín hiệu đường bao không đổi. Tuy nhiên, nếu loại bỏ loại này và để cho các thành phần đồng pha và vuông pha có thể độc lập với nhau thì ta được một sơ đồ điều mới gọi là điều biên cầu phương điều chế biên độ sóng mang QAM (điều chế biên độ gốc) . Ở sơ đồ điều chế này, sóng mang bị điều chế cả biên độ lẫn pha. Điều chế QAM là có ưu điểm là tăng dung lượng truyền dẫn số.[6] Dạng tổng quát của điều chế QAM, 14 mức (m-QAM) được xác định như sau: (3.14) Trong đó, E0 : Năng lượng của tín hiệu có biên độ thấp nhất ai , bi : Cặp số nguyên độc lập được chọn tùy theo vị trí bản tin. Tín hiệu sóng mang gồm hai thành phần vuông góc được điều chế bởi một tập hợp bản tin tín hiệu rời rạc. Vì thế có tên là " điều chế tín hiệu vuông góc". Hình 3.17 Chùm tín hiệu M-QAM 3.5.4 Mã Gray Giản đồ IQ (Inphase Quadrature) cho sơ đồ điều chế sẽ chỉ ra vector truyền cho tất cả các liên hợp từ dữ liệu. Mỗi liên hợp từ dữ liệu phải được phân phối một vector IQ duy nhất. Mã Gray là một phương pháp cho sự phân phối này, sao cho các điểm canh nhau trong vòm sao chỉ khác nhau một bit đơn. Mã này giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit toàn bộ vì nó giảm cơ hội nhiều lỗi bit xảy ra từ một lỗi symbol đơn. Mã Gray có thể được sử dụng cho tất cả các sơ đồ điều chế PSK ( QPSK, 8-PSK, 16-PSK) và QAM(16-QAM,64-QAM,256-QAM...). Bảng 3.2 : Mã Gray Thập phân Nhị phân Mã Gray 0 0000 0000 1 0001 0001 2 0010 0011 3 0011 0010 4 0100 0110 5 0101 0111 6 0110 0101 7 0111 0100 8 1000 1100 9 1001 1101 10 1010 1111 11 1011 1110 12 1100 1010 13 1101 1011 14 1110 1001 15 1111 1000 Hình 3.18 Giản đồ IQ của 16-PSK khi dùng mã Gray. Mỗi vị trí IQ liên tiếp chỉ thay đổi một bit đơn. Hình 3.19: Giản đồ IQ cho các dạng điều chế sử dụng trong OFDM Tổng kết chương Chương này cho chúng ta hình dung một cách khái quát về kỹ thuật OFDM. Kỹ thuật điều chế OFDM là kỹ thuật chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con trực giao với nhau. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường. Các kỹ thuật điều chế trong OFDM như BPSK, QPSK và QAM. Kỹ thuật OFDM được áp dụng trong thực tế như là truyền hình số mặt đất, nền tảng cho công nghệ Wimax. Ưu nhược điểm của OFDM Ưu điểm OFDM tăng hiệu suất sử dụng 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 nhiễu symbol (ISI) và xuyên nhiễu giữa các sóng mang (ICI) bằng cách chèn thêm vào một khoảng thời gian bảo vệ trước mỗi symbol. Sử dụng việc chèn 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 chức năng phức tạp của OFDM. Các phương pháp điều chế vi sai (differental modulation) giúp tránh yêu cầu vào bổ sung bộ giám sát kênh. OFDM ít bị ảnh hưởng với khoảng thời gian lấy mẫu (sample timing offsets) hơn so với hệ thống đơn sóng mang. OFDM chịu đựng tốt nhiễu xung với và nhiễu xuyên kênh kết hợp. Nhược điểm Symbol OFDM bị nhiễu biên độ với một khoảng động lớn. Vì tất cả các hệ thống thông tin thực tế đều bị giới hạn công suất, tỷ số PARR cao là một bất lợi nghiêm trọng của OFDM nếu dùng bộ khuếch đại công suất hoạt động ở miền bão hòa đều khuếch đại tín hiệu OFDM. Nếu tín hiệu OFDM tỷ số PARR lớn hơn thì sẽ gây nên nhiễu xuyên điều chế. Điều này cũng sẽ tăng độ phức tạp của các bộ biến đổi từ analog sang digital và từ digital sang analog. Việc rút ngắn (clipping) tín hiệu cũng sẽ làm xuất hiện cả méo nhiễu (distortion) trong băng lẫn bức xạ ngoài băng. OFDM nhạy với tần số offset và sự trượt của sóng mang hơn các hệ thống đơn sóng mang. Vấn đề đồng bộ tần số trong hệ thống OFDM phức tạp hơn hệ thống đơn sóng mang. Tần số offset của sóng mang gây nhiễu cho các sóng mang con trực giao và gây nên nhiễu liên kênh làm giảm hoạt động của các bộ giải điều chế một cách trầm trọng. Vì vậy, đồng bộ tần số là một trong những nhiệm vụ thiết yếu cần phải đạt trong bộ thu OFDM . CHƯƠNG 4 MULTICARRIER CDMA Multi Carrier Code Division Multiple Access (MC-CDMA) là một khái niệm không còn quá xa lạ trong những năm hiện nay. Nó được phát triển nhằm mục đích tăng cường khả năng truyền trong môi trường đa đường (Multipath chúng ta có nhiều cách tương đương để miêu tả MC-CDMA: MC–CDMA là một hình thức của CDMA hoặc trải phổ, nhưng chúng ta ứng dụng trải phổ trong miền tần số (xa hơn nữa là trong miền thời gian như trải phổ trực tiếp CDMA– DS CDMA). MC-CDMA là một hình thức của ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), nhưng chúng ta ứng dụng đầu tiên cho hoạt động ma trận trực giao đến các bit người dùng, do đó MC–CDMA thỉnh thoảng cũng được gọi là CDMA –OFDM. Có ba sơ đồ kết hợp của CDMA và OFDM [11]: Hình 4.1 Sự kết hợp giữa CDMA và OFDM MC-CDMA (Multi Carrier CDMA) MC-DS-CDMA (MultiCarrier Direct Squence CDMA) MT-CDMA (MultiTone CDMA) Sự phân biệt này thể hiện ở chỗ thông tin người dùng sẽ được trải phổ trong miền thời gian hay tần số [11]. 4.1 MC–CDMA (Multicarrier CDMA) 4.1.1 Cấu trúc tín hiệu Năm 1993, ý tưởng về hệ thống thông tin MC-CDMA dựa trên sự kết hợp kỹ thuật CDMA và OFDM đã được giới thiệu [11]. MC-CDMA thừa kế tất cả những đặc điểm của CDMA. Nó có tính bền vững với nhiễu đa đường, sử dụng băng thông hiệu quả. Ngoài ra nó còn có những ưu điểm của OFDM đó là chống lại nhiễu liên ký tự, tận dụng được phân tập tần số giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng đường truyền do mỗi sóng mang bị ảnh hưởng bởi fading phẳng độc lập. Ngoài ra việc kết hợp OFDM và CDMA có ưu điểm là khoảng symbol dài dễ thực hiện đồng bộ hơn. Hình 4.2 Sơ đồ bộ phát hệ thống MC-CDMA Hình 4.3 Sơ đồ bộ thu hệ thống MC-CDMA Mỗi một chip của ký hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp được ánh xạ lên một sóng mang phụ riêng. Do đó, trong hệ thống MC-CDMA, các chip của dữ liệu trải phổ chuỗi trực tiếp được phát song song trên các sóng mang phụ khác nhau, thay vì phát tuần tự như trong hệ thống DS-CDMA. Hình 4.4 Tín hiệu MC-CDMA cho một user Mỗi bit của user với thời khoảng là sẽ được trải phổ bằng mã của user đó với chu kỳ chip là nên độ lợi xử lý là: (4.1) Tùy theo kiểu điều chế mà có bao nhiêu chip được ánh xạ lên một sóng mang. Nếu kiểu điều chế là BPSK thì mỗi chip sau đó được ánh xạ lên một sóng mang. Còn nếu kiểu điều chế là QPSK thì mỗi symbol dùng để điều chế đa sóng mang sẽ bao gồm 2 chip. Trong sơ đồ hình 4.2, hình 4.3 không có sự hiện diện của khối nối tiếp sang song song .Và số sóng mang của hệ thống chính là độ dài mã trải phổ . Để giảm tốc độ bit của user nhằm chống lại nhiễu đa đường, sơ đồ cải tiến trong đó có thêm bộ nối tiếp sang song song được đưa ra cho MC-CDMA: Hình 4.5 Sơ đồ bộ phát MC-CDMA cải tiến Trước bộ chuyển đổi nối tiếp-song song, chu kỳ bit là , sau bộ này thì chu kỳ bit bằng . Hệ thống có tốc độ thấp hơn làm tăng khả năng chống nhiễu liên ký tự, đồng thời dễ đồng bộ hơn. Độ lợi xử lý trong hệ thống MC-CDMA cải tiến vẫn như MC-CDMA ban đầu là. Điều này có nghĩa là chu kỳ chip của MC-CDMA cải tiến lớn hơn của MC-CDMA ban đầu để đảm bảo độ lợi xử lý không đổi làm cho việc đồng bộ trong MC-CDMA cải tiến dễ thực hiện hơn. Đồng thời số sóng mang của MC-CDMA cải tiến không bằng độ dài mã trải phổ mà sẽ là P lần độ dài mã trải phổ. Chính điều này gây sự ràng buộc trong việc sử dụng băng thông và mã trải phổ. 4.2 MC –DS –CDMA Tương tự hệ thống MC-CDMA, mỗi bit của user sẽ được trải phổ với mã phân biệt giữa các user. Nhưng khác so với MC-CDMA là các chip sau trải phổ của cùng một bit sẽ mang bởi cùng một sóng mang (trải phổ miền thời gian). Sơ đồ hệ thống cho như hình 4.6, hình 4.7. Hình 4.6 Sơ đồ bộ phát MC-DS-CDMA Hình 4.7 Sơ đồ bộ thu MC-DS-CDMA Hình 4.8 Tín hiệu MC –DS –CDMA cho một user Hệ thống MC-DS-CDMA với một sóng mang phụ sẽ giống hệ thống DS-CDMA. Do đó MC-DS-CDMA gần như bao gồm nhiều hệ thống DS-CDMA hoạt động song song nhưng điểm khác là tần số hoạt động của mỗi hệ thống DS-CDMA sẽ trực giao với nhau. Trong MC-DS-CDMA, xét trước bộ nối tiếp song song, chu kỳ bit là , sau bộ này thì chu kỳ bit bằng . Hệ thống có tốc độ thấp hơn làm tăng khả năng chống nhiễu liên ký tự, đồng thời dễ đồng bộ hơn. Đồng thời trong hệ thống MC-DS-CDMA thì số sóng mang và độ dài mã trải phổ không phụ thuộc nhau. Đây chính là sự mềm dẻo của MC-DS-CDMA trong việc sử dụng băng thông. Hệ thống MC-DS-CDMA đặc biệt thích hợp cho các tuyến lên trong hệ thống thông tin vô tuyến di động. Ngoài ra còn có một sơ đồ khác gọi là MT-CDMA. Đây là sơ đồ cải tiến từ MC-DS-CDMA. MT-CDMA vẫn sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp miền thời gian nhưng khác so với MC-DS-CDMA là tồn tại mối quan hệ giữa số sóng mang và độ dài mã trải phổ. Độ lợi xử lý trong MT-CDMA bằng tích số sóng mang và độ lợi xử lý của MC-DS-CDMA nên rất lớn so với độ lợi trải phổ của MC-DS-CDMA[11]. Do đó, phổ tín hiệu từng sóng mang MT-CDMA cũng bị mở rộng rất lớn, chồng lấn lên sóng mang kế cận. Các sóng mang cho MT-CDMA vẫn trực giao nhau, chính điều này làm giảm ảnh hưởng do việc sử dụng độ lợi xử lý cao hơn gây ra chồng lấn phổ. Đồng thời máy thu sử dụng cho MT-CDMA sử dụng tương tự như máy thu cho CDMA, đó là máy thu Rake[11]. Sơ đồ MT-CDMA được cho như hình 4.9, hình 4.10 .Trong đó Nc là số sóng mang và có nghĩa là độ dài mã của MT-CDMA bằng tích số sóng mang và độ dài mã của MC-DS-CDMA tương ứng cùng số sóng mang. Hình 4.9 Sơ đồ bộ phát hệ thống MT CDMA Hình 4.10 Sơ đồ bộ thu hệ thống MT CDMA Hình 4.11 Sơ đồ tổng quát hệ thống MC CDMA và MC–DS–CDMA 4.3 Các chuỗi mã căn bản Một hệ thống trải phổ thông tin trải rộng các tín hiệu thông tin gốc của người dùng bằng cách dùng chuỗi các ký hiệu đặc biệt. Sau đó máy thu đồng bộ dãy các ký hiệu có liên quan thu được lại với nhau để khôi phục lại thông tin gốc. Do nhiễu – tương tự như tính chất của chuỗi trải phổ thì việc “nghe trộm” là không đơn giản. DS-CDMA khai thác tính chất tự tương quan của các mã để kết hợp một cách tối ưu các tính hiệu đa đường của một cá nhân. Ngược lại, các mã của người dùng có tương quan chéo thấp, chúng có thể được khai thác để trải phổ tín hiệu của mỗi người dùng. MC –CDMA cũng dựa vào tính chất của tương quan chéo này trong việc hỗ trợ đa người dùng thông tin. Các đặc điểm của các chuỗi trải phổ đóng một vai trò quan trọng trong việc đạt được hiệu suất của hệ thống. 4.3.1 Chuỗi PN Pseudo-Noise (PN) là một chuỗi nhị phân, nó tương tự như nhiễu, chuỗi PN gồm có: những chuỗi có chiều dài cực đại (m-sequences), chuỗi Gold và chuỗi Kasami. Dãy PN được sử dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến trải phổ với các chức năng sau: Trải băng tần của tín hiệu điều chế thành băng tần phát có độ rộng lớn hơn. Tín hiệu qua trải phổ phải có dạng tạp âm băng rộng. Phân biệt tín hiệu của các người sử dụng khác nhau nhưng cùng sử dụng một băng tần truyền dẫn trong một hệ thống đa truy nhập. Các mã thường được sử dụng trong hệ thống CDMA là: Chuỗi M Mã Wash – Hadamard Chuỗi Gold Mã Kasami 4.3.1.1 M-sequences Chuỗi M là chuỗi cơ bản nhất trong các chuỗi ngẫu nhiên. Chuỗi M được tạo ra bằng cách sử dụng thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp và các cổng logic XOR. Một chuỗi thanh ghi dịch tuyến tính được xác định được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính g(x) bậc m>0: G(x) = gmxm + gm-1xm-1 + g1x + g0 (4.2) Hình 4.12 Mạch thanh ghi dịch cơ số hai Đặc tính của chuỗi M: Chuỗi M được tạo ra rất đơn giản. Số bit 1 nhiều hơn bit 0: mọi chuỗi m đều chứa 2m-1 số bit 1 và 2m-1 – 1 số bit 0. Có ít các giá trị tự tương quan nên có khả năng đồng bộ tốt. Với những đặc tính trên Chuỗi M thường được sử dụng trong các hệ thống hoạt động nhiều kênh truyền với thời gian trải phổ trể lớn, trong các kênh truyền đa đường như trong máy nhận Rake. Ví dụ về đặc tính tự tương quan của chuỗi m: 1 + x2 + x5, có chiều dài 124, có chu kỳ cực đại là 31 được mô tả như hình: Hình 4.13 Đặt tính tự tương quan của chuỗi 1 + x2 + x5 có chiều dài 124 4.3.1.2 Chuỗi Gold Chuỗi Gold được ra bởi Gold vào năm 1967, 1968. Chuỗi được tạo ra từ việc EXOR hai chuỗi M có cùng chiều dài N = 2n -1 là u,v gọi là cặp chuỗi m được ưa chuộng (Preferred Pair). Chuỗi Gold được định nghĩa như sau: G(u,v) = {u, v, u Å v, u Å Tv, u Å T2v, …., u Å Tn+1v} (4.3) Trong đó chỉ có N + 2 chuỗi chu kỳ N có tính tương quan chéo tốt tại một trong 3 giá trị: -t(n), -1, t(n)-2: t(n) = với n lẻ, n chẵn (4.4) Chuỗi Gold có tính tương quan chéo thấp nên trong thực tế rất hay được sử dụng Một số cặp chuỗi m, quy ước hai vector [5 2 0] và [1 0 0 1 0 1] đều biểu diễn cho đa thức x5 + x2 + 1. Tương tự ta có bảng: Bảng 4.1 Một số cặp chuỗi M ưa chuộng n N Chuỗi m thứ I Chuỗi m thứ II 5 31 [5 2 0] [5 4 3 2 0] 6 63 [6 1 0] [6 5 2 1 0] 7 127 [7 3 0] [7 3 2 1 0] 9 511 [9 4 0] [9 6 4 3 0] 10 1023 [10 3 0] [10 8 3 2 0] 11 2047 [11 2 0] [11 8 5 2 0] 4.4.1.3 Wash – Hadarmard Mã Wash – Hadarmard có tính trực giao cao. Vì vậy, W – H là mã tối ưu để tránh nhiễu giữa các User trong đường kết nối từ trạm gốc đến thiết bị đầu cuối. Ma trận W – H đơn giản nhất là: C1 = (4.5) Mã của người sử dụng thứ nhất là [1 1], mã của người sử dụng thứ hai là [1-1]. Ta thấy, [1 1] trực giao với [1 -1]. Ma trận này có thể mở rộng bằng cách sử dụng kỹ thuật đệ quy. Cho 2n User, có thể xác định được ma trận 2n-1: Cn = (4.6) 4.3.1.4 Mã Kasami Chuỗi Kasami có thể được thực hiện bằng cách nhân ba chuỗi m (u, v, w). trong đó hai chuỗi u, v có chiều dài N là một cặp ưa chuộng, chuỗi thứ ba w được lấy decimation của chuỗi thứ nhất u. Chuỗi PN có hai loại: small set và large set. - Chuỗi Kasami small set được định nghĩa như sau: (4.7) - Chuỗi Kasami large set được định nghĩa như sau: (4.8) Ví dụ: một mô hình tạo chuỗi Kasami có n = 6 Hình 4.14 Mô hình tạo chuỗi Kasami có n = 6 4.4 Các kỹ thuật dò tìm dữ liệu Dò tìm dữ liệu đa user (Multiuser Detection –MUD) là một lĩnh vực rộng, nó bao gồm lý thuyết liên quan đến dò tìm dữ liệu của đa user, là những người mà nhận được tín hiệu không trực giao từ một người khác. Hình thức này (không trực giao) tương ứng với hệ thống CDMA, kể từ khi hệ thống này có một số lượng lớn người dùng mà những tín hiệu chồng lấp trong miền thời gian và tần số. Trong thực tế thì hệ thống CDMA dò tìm mỗi user song song một cách độc lập, dùng bộ lọc phối hợp,chúng gồm có một mã trải phổ duy nhất dùng cho user đó. Những chuỗi trải phổ được thiết kế giải tương quan để cho can nhiễu từ tất cả các user khác sẽ xuất hiện như là can nhiễu không kết hợp, và có thế do đó xử lý như là nhiễu trắng cộng đơn giản. Gần đây, tất cả can nhiễu người dùng không thể xử lý như là triệt nhiễu ngẫu nhiên. Trên thực tế, những tín hiệu can nhiễu đó có cấu trúc và thông tin như là tín hiệu mình mong muốn. Lĩnh vực dò tìm dữ liệu đa user bị cuốn hút để khai thác cấu trúc này để xây dựng cho hệ thống có dung lượng cao hơn thay cho hệ thống thông thường, máy thu bộ lọc kết hợp. Kỹ thuật dò tìm dữ liệu đơn user cho MC –CDMA :MRC, EGC, ZF, MMSE. Kỹ thuật dò tìm dữ liệu đa user cho MC –CDMA:MLSE, MLSSE, IC, JD. 4.4.1 Kỹ thuật dò tìm dữ liệu đơn USER 4.4.1.1 Phương pháp kết hợp độ lợi bằng nhau EGC (Equal Gain Combining) Đối với EGC, trọng số Gk’(m) được dùng để sửa sự dịch pha gây ra bởi kênh truyền và được cho bởi: (4.9) Khi tín hiệu được truyền trong kênh truyền nhiễu Gauss trắng cộng thì EGC là một phương pháp kết hợp tối ưu vì phương pháp này khôi phục tính trực giao giữa các user. Do đó, nó loại bỏ can nhiễu đa truy cập trong khi giá trị nhiễu lại được lấy trung bình. Tuy nhiên đối với kênh truyền fading phẳng qua từng sóng mang phụ, nghĩa là kênh truyền có tính chọn lọc tần số trên toàn băng thông tín hiệu thì EGC vẫn lấy trung bình giá trị nhiễu nhưng can nhiễu đa truy cập lại khác 0. 4.4.1.2 Phương pháp kết hợp tỷ số cực đại (Maximal Ratio Combining) MRC sẽ kết hợp đồng bộ các tín hiệu của các sóng mang phụ khác nhau bằng cách lấy trung bình có trọng số các sóng mang phụ này. Trọng số là liên hiệp phức hệ số kênh truyền tương ứng của từng sóng mang phụ, nghĩa là trọng số Gk’(m) được chọn bằng: (4.10) Với việc chọn giá trị trọng số như vậy, phương pháp MRC đã bù sự dịch pha của kênh truyền và lấy trung bình có trọng số các tín hiệu sau mỗi bộ lọc đối sánh bằng các hệ số tỷ lệ thuận với biên độ của sóng mang phụ. Do đó, tín hiệu mạnh được nhân với một hệ số có giá trị lớn hơn tín hiệu yếu. Trong trường hợp hệ thống chỉ có một user, MRC khai thác phân tập tần số sẵn có và đạt được BER thấp nhất Tuy nhiên trong hệ thống đa user, do tính trực giao của các mã trải rộng bị méo dạng nghiêm trọng bởi fading kênh truyền nên dung lượng của bộ tách sóng sử dụng MRC bị giới hạn bởi MAI. 4.4.1.3 Phương pháp kết hợp sai số trung bình bình phương tối thiểu (Minimum Mean Square Error Combining) Điều kiện MMSE cho rằng sai số của các symbol dữ liệu được dự đoán phải trực giao với các thành phần băng gốc của các sóng mang phụ thu được, nghĩa là: (4.11) Trong đó: E[.] là toán tử kỳ vọng và là ước lượng của ak’. Nghiệm của phương trình (4.22) là Gk’(m) được xác định bởi : (4.12) Trong đó: là phương sai của nhiễu Gauss. Đối với giá trị nhỏ, độ lợi Gk(m) cũng nhỏ để tránh khuếch đại quá lớn lượng nhiễu đi kèm với sóng mang phụ có biên độ nhỏ. Khi lớn, độ lợi này tỷ lệ với nghịch đảo đường bao sóng mang phụ để khôi phục tính trực giao giữa các user. Như vậy, phương pháp MMSE sẽ kết hợp giá trị y(m) trên các nhánh theo cách tối thiểu can nhiễu đa truy cập và nhiễu Gauss. Nhược điểm của phương pháp này là phải biết chính xác số user đang truy cập hệ thống và công suất nhiễu. 4.4.2 Kỹ thuật dò tìm dữ liệu đa user (Multiuser Detection) Hình 4.15 Sơ đồ kỹ thuật dò tìm dữ liệu đa user 4.4.2.1. Dò tìm tối ưu MLSE Các bộ phát hiện đa user tối ưu : - Sử dụng tiêu chuẩn xác suất hậu nghiệm tối đa (MAP – Maximum A Posteriori). - Tiêu chuẩn khả năng cao nhất (ML - Maximum Likelihood). Có hai giải thuật ML chính là giải thuật ước lượng chuỗi có khả năng cao nhất (MLSE – Maximum Likelihood Sequence Estimation), giải thuật này ước lượng toàn bộ chuỗi dữ liệu phát d = (d0, d1,…, dk-1)T tối ưu. Giải thuật ước lượng theo ký hiệu có khả năng cao nhất (MLSSE – Maximum Likelihood Symbol-by-Symbol Estimation) ước lượng từng ký hiệu phát dk. Các giải thuật này có thể mở rộng thành các giải thuật tương ứng nhưng theo tiêu chuẩn MAP nếu ta xét đến xác suất tiên nghiệm của các ký hiệu phát. Tập các vector ký hiệu phát có thể xảy ra là dµ, với µ = 0, ..., Mk -1, trong đó Mk là số vector phát có thể có, M là số giá trị có thể có của dk. 4.4.2.2. Cận tối ưu 4.4.2.2.1. Tuyến tính Hình 4.16 Sơ đồ khối dò tìm dữ liệu đa user tuyến tính Dò tìm dữ liệu đa user tuyến tính là một phần quan trọng của kỹ thuật cận tối ưu, ngoài ra còn được dùng đặt phía trước của phản hồi – dựa trên cơ sở dò tìm dữ liệu đa user phi tuyến. Dò tìm dữ liệu đa user tuyến tính là một bộ lọc đơn giản được thiết kế làm giảm đi can nhiễu đa truy cập (MAI) theo một tiêu chuẩn riêng. Rời rạc theo thời gian, chúng giảm độ phức tạp và thực hiện một cách thông thường với hình thức bộ lọc đáp áp ứng xung hữu hạn (FIR). Có hai loại dò tìm dữ liệu đa user tuyến tính quan trọng đó là : giải tương quan (decorrelating) và sai số trung bình bình phương cực tiểu (MMSE). Chúng tương tự như là bộ cân bằng cưỡng bức zero (Zero Forcing) và bộ cân bằng MMSE được dùng để chống lại can nhiễu liên ký tự trong kênh đơn user Dò tìm giải tương quan cố gắng loại trừ nhiễu MAI cho tất cả user. MMSE cố gắng làm cho phần dư thừa can nhiễu bình phương là nhỏ nhất. Do đó dò tìm giải kết hợp là một trường hợp đơn giản của phương pháp dò tìm MMSE với nhiễu bằng 0. Dò tìm giải điều chế thường cho kết quả không chấp nhận được khi mà nhiễu được tăng cường. Xa hơn nữa, nó không xác định rõ được trạng thái, nơi mà ở đó nhiều user dùng chung đồng thời kênh truyền hơn chip trải phổ trên một bit thông tin, từ đó nó không thể điều khiển can nhiễu xuống mức 0. Đó là hạn chế của nó. Phương pháp dò tìm MMSE được cho ở hình 4.9. Mỗi user, y(t) được trải phổ lại dùng bộ lọc phối hợp cho user đó, nó tương ứng để phù hợp với mã trải rộng cho user. Sau khi qua bộ lọc phối hợp thì tín hiệu sẽ đi qua bộ dò tìm MMSE. Phương pháp dò tìm MMSE là nghịch đảo ma trận tương quan R giữa tất cả user, được định nghĩa như sau : (4.13) Trong đó : r là vector lấy mẫu của y(t) qua các ký tự được phát hiện ra, là biên độ của user thứ k, là vector của chip trải phổ cho user thứ k, là nhiễu biến thiên. Những mặt quan trọng của dò tìm dữ liệu đa user tuyến tính có thể được thấy qua (4.13) và hình 4.16. 4.4.2.2.2 Không tuyến tính Trong khi hệ thống dò tìm dữ liệu đa user tuyến tính dễ dàng phân tích, việc ràng buộc về tuyến tính có thể làm giới hạn chất lượng. Trong phần này chúng ta sẽ miêu tả ngắn gọn một kỹ thuật nữa là kỹ thuật không tuyến tính. a) Hồi tiếp quyết định (Decision Fedback –DF) Dò tìm đa user hồi tiếp quyết định đã được phát triển để ứng dụng trong cả hai hệ thống đồng bộ và không đồng bộ. Chúng tương tự như bộ cân bằng hồi tiếp quyết định được phát triển để loại bỏ can nhiễu liên ký tự, tại đó những quyết định tạo ra những user mạnh hơn được dùng để triệt can nhiễu cho những user kế tiếp. Những vấn đề với kỹ thuật này giống tương tự như là dò tìm dữ liệu đa user tuyến tính: đòi hỏi ước lượng kênh truyền chính xác,và phải thực hiện ma trận nghịch đảo. Nếu ước lượng kênh truyền chính xác, dò tìm DF làm tốt hơn việc dò tìm tuyến tính, với những user kế tiếp gần như là cận đơn user. b) Triệt can nhiễu (Interference Cancellation) Chúng ta sẽ tìm hiểu về hai kỹ thuật PIC và SIC, là các kỹ thuật không tuyến tính hai kỹ thuật này dùng để loại bỏ nhiễu MAI. c) PIC (Parallel Interference Cancellation): triệt can nhiễu song song Hình 4.17 Cấu trúc tổng quát cho K-user, m –giai đoạn PIC Máy thu PIC xử lý đồng thời cũng lúc tất cả k user, triệt tất các can nhiễu của chúng sau khi chúng qua các bộ giải mã độc lập. kỹ thuật song song này đòi hỏi hơn một lần lặp lại mỗi user kể từ khi lần lặp lại đầu tiên tạo ra rất nhiều nhiễu ước lượng cho tất cả k user, những lần lặp lại sau thì sẽ làm tăng độ chính xác. d) SIC (Successive Interference Cancellation): triệt can nhiễu liên tiếp. Kỹ thuật liên tiếp đòi hỏi số lặp lại tối thiểu k lần, nhung mỗi lần lặp lại ít phức tạp hơn PIC, thực hiện chỉ cho một user. Kỹ thuật liên tiếp có thể được ứng dụng qua bội số nguyên lần của k lần lặp, nhưng nó sẽ tăng lên độ trễ, do đó thường thì nó không được quan tâm. PIC thường được gọi là triệt đa giai đoạn (Multistage Cancellation) và có thể được dùng phía trước của bộ giải tương quan, mặc dù nó không được đòi hỏi. Nó có ưu điểm hơn SIC là độ trễ thấp và đạt được việc biểu diễn dưới đỉnh CDMA thông thường yêu cầu để cân bằng công suất thu được. Tuy nhiên, giả định công suất thu không cân bằng trong kênh truyền fading Rayleigh, SIC thực hiện tốt hơn. Nếu như mức công suất thu được cho SIC được tối ưu thì SIC có nhiều ưu điểm hơn. 4.5 Ưu và nhược điểm của hệ thống MC-CDMA 4.5.1 Ưu điểm MC-CDMA thừa kế tất cả các đặc điểm của CDMA. Nó có tính bền vững với nhiễu chọn lọc tần số và sử dụng băng thông hiệu quả. Bên cạnh đó, nó có thể cho phép N user phát đồng thời trong môi trường đa đường phân tán với BER thấp. Vì MC-CDMA là một dạng của OFDM, nó sẽ làm tăng khoảng symbol để chống lại trễ trải, tận dụng mô hình phân tập tần số và giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng đường truyền do mỗi sóng mang phụ bị ảnh hưởng bởi fading phẳng độc lập. Ngoài ra việc kết hợp OFDM với DS-CDMA có ưu điểm chính là làm giảm tốc độ symbol trên mỗi sóng mang phụ để mà khoảng symbol dài dễ thực hiện giả đồng bộ hơn. 4.5.2 Nhược điểm Rất nhạy với offset tần số và khuếch đại phi tuyến vì sử dụng kỹ thuật đa sóng mang. Offset tần số do hiện tượng dịch Doppler (sự di chuyển) hay mất phối hợp giữa các bộ tạo dao động sóng mang cao tần ở máy phát và ở máy thu dẫn đến tính trực giao giữa các sóng mang phụ bị mất và gây nên nhiễu liên sóng mang ICI (InterCarrier Interference) và MAI. Một số kết quả mô phỏng đã đưa đến nhận xét là: offset tần số khoảng 20% sẽ làm giảm dung lượng của hệ thống đi 50% với BER 10-4 trong môi trường fading Rayleigh. Việc cộng một số lượng lớn sóng mang phụ trước khi phát đã tạo ra đường bao của tín hiệu có giá trị lớn. Các giá trị lớn này có thể lái các bộ khuếch đại sang trang thái bảo hòa và gây sái dạng tín hiệu. Độ hiệu quả của hệ thống bị suy giảm do MAI. Với kênh truyền lý tưởng, các mã trải phổ trực giao như mã Walsh-Hadamard được áp dụng trên tuyến xuống của hệ thống thông tin di động MC-CDMA sẽ đảm bảo việc khử hoàn toàn nhiễu MAI. Tuy nhiên, trong kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số, các sóng mang phụ có biên độ và pha khác nhau. Điều này làm mất tính trực giao giữa các user và tạo ra nhiễu MAI. Tổng kết chương Trong chương này chúng ta đã thấy được sự kết hợp của hai kỹ thuật OFDM và DS –CDMA, trong ta sẽ xem xét lại một cách ngắn gọn ba loại trải phổ đa sóng mang kết hợp của kỹ thuật OFDM và DS –CDMA là MC –CDMA, MC –DS –CDMA, MT –CDMA. Trong khi hệ thống MC –CDMA dùng trong miền tần số thì MC –DS –CDMA và MT –CDMA thì sử dụng trong miền thời gian. Do đó MC –CDMA có khả năng khai thác tần số đa dạng một cách rõ ràng, năng lượng của ký tự được trải phổ ra qua những sóng mang con. Mặc khác, năng lượng của tất cả ký tự trong hệ thống MC –DS –CDMA và MT –CDMA được giới hạn trong một sóng mang con, tiềm năng đa dạng tần số được cung cấp bởi những sóng mang con không bị ănh hưởng pha –đinh không thể được tận dụng trừ khi mã hóa kênh được sử dụng kết hợp với đan xen xuyên sóng mang con. MC –DS –CDMA yêu cấu sử dụng băng tần số giống nhau, MT –CDMA có khả năng cung cấp hệ số trải phổ tốt hơn MC –DS –CDMA, cho kết quả can nhiễu thấp hơn và triệt nhiễu đa truy cập tốt hơn (MAI : Multiple Access Interference). Tuy nhiên MT –CDMA bị nhiễu liên sóng mang là cho tính chất trực giao của các sóng mang con không còn nữa, MC –CDMA sử dụng MMSE (minimum mean square error combining) cho BER thấp nhất trong ba phương pháp trải phổ đa sóng mang nói trên trong tuyến xuống. Bảng 4.2 Những thuận lợi và hạn chế của MC–CDMA và MC–DS–CDMA MC–CDMA MC–DS–CDMA Ưu điểm Nhược điểm Ưu điểm Nhược điểm Thực hiện đơn giản với biến đổi Hadamard và FFT Những máy thu ít phức tạp Hiệu quả phổ cao Tăng độ lợi phân tập tần số do được trải phổ trực tiếp theo tần số. PAPR cao, đặc biệt là đường lên Vấn đề đồng bộ truyền dẫn. PAPR thấp trong đường xuống. Tăng độ lợi phân tập thời gian do được trải phổ trực tiếp theo thời gian. Có thể xảy ra ISI và ICI Bảng 4.3 Những đặc trưng chính của MC-CDMA và MC-DS-CDMA Thông số MC-CDMA MC-DS-CDMA Miền trải phổ Miền tần số Miền thời gian Các thuật toán dò tìm MRC, EGC, ZF, cân bằng MMSE, IC, MLD Bộ dò tương quan (Máy thu RAKE) Đặc trưng riêng biệt Hiệu quả đối việc đồng bộ kênh đường xuống bằng cách sử dụng các mã trực giao. Được thiết kế đặc biệt để dùng trong kênh đường lên không đồng bộ.  Ứng dụng Đồng bộ kênh đường lên và đường xuống Bất đồng bộ kênh đường lên và đường xuống Chương này cũng xem xét thuộc tính tương quan của chuỗi PN, đặc biệt là chuỗi m-sequences, mã Gold và mã Kasami, cũng như là các thuộc tính tương quan của chuỗi trực giao là mã Walsh, mã trực giao Gold. Như chúng ta đã tìm hiểu thì mã trực giao Gold cho giá trị tự tương quan thấp so với mã Walsh ,ảnh hưởng của những giá trị tự tương quan khác nhau của những chuỗi trải phổ lên đường bao công suất của tín hiệu MC –CDMA tương ứng. CHƯƠNG 5 HỆ THỐNG MC-MC-CDMA Các hệ thống vô tuyến trong tương lai như hệ thống di động tế bào thế hệ thứ tư (4G) đều hướng đến việc tích hợp nhiều dịch vụ đa dạng bao gồm thoại, dữ liệu, hình ảnh và video. Những dịch vụ này có những yêu cầu khác nhau về băng thông và tốc độ truyền trên nền vô tuyến. Hệ thống CDMA đã chứng tỏ rất thành công trong các hệ thống di động tế bào quy mô lớn, nhưng có một số hoài nghi về CDMA liệu có thích hợp với lưu lượng thoại lớn không. Các nghiên cứu này đã thúc đẩy các hệ thống multicode CDMA cho phép biến đổi tốc độ để có thể phân phố các mã và do đó dung lượng biến đổi tùy theo những người dùng khác nhau. Trong khi đó, hệ thống Multicarrier CDMA (MC CDMA) đã nổi lên một cách mạnh mẽ để thay thế cho hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp truyền thống là DS –CDMA trong hệ thống thông tin di động.và đã được chứng minh là có hiệu quả cao trong hệ thống fading đa đường. Các kỹ thuật multicode cải thiện dung lượng của hệ thống ở khía cạnh tốc độ dữ liệu. Tuy nhiên nếu tăng tốc độ dữ liệu của user lên nhiều lần thì số user tức thời trong hệ thống này sẽ giảm so với hệ thống CDMA. Để tận dụng ưu điểm về tốc độ dữ liệu, đồng thời tăng dung lượng toàn bộ hệ thống, chúng ta phải sử dụng thêm mô hình điều khiển tốc độ để thay đổi tốc độ dữ liệu một cách thích nghi với điều kiện kênh truyền tương ứng với user đang xét. Mô hình này sẽ tính toán tốc độ dữ liệu dựa trên thông số SNR tức thời, tốc độ dữ liệu tùy theo ứng dụng và tỷ lệ lỗi bit. Các kết quả mô phỏng sẽ cho thấy sự cải thiện chất lượng của mô hình này. Chất lượng của hệ thống multicode phụ thuộc rất lớn vào đặc tính tương quan của các chuỗi mã được dùng để phân phát cho các user. Các chuỗi mã Walsh-Hadamard, Gold và Kasami sẽ được chọn dùng cho hệ thống multi-code. 5.1 Hệ thống Multi-Code CDMA Multicode CDMA là một kỹ thuật được đề xuất để hỗ trợ cho hoạt động đa tốc độ trong mạng CDMA. Nó dễ dàng tích hợp các luồng dữ liệu tốc độ thành một kiến trúc thống nhất với tất cả các kiểu điều chế kênh truyền cùng sóng mang, chiếm băng thông giống nhau và có cùng độ lợi xử lý. Với hệ thống MC –CDMA các tốc độ dữ liệu khác nhau của những user khác nhau được dễ dàng tạo ra bằng cách gán cho mỗi user một mã số. Với những thuộc tính của multi code CDMA chúng thực hiện việc truyền một cách đơn giản để tối ưu dung lượng kênh truyền trong khi cố gắng đáp ứng truyền đa tốc độ (multi rate) của các user. Mỗi user có một tập gồm M mã gọi là tập chuỗi mã. Hệ thống này tương tự như hệ thống điều chế M-ary, trong đó, một chuỗi mã sẽ được dùng thay thế cho một chuỗi bits. Kích thước của tập chuỗi mã phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu yêu cầu. Trong trường hợp thông thường, kích thước tập mã này là 2, nghĩa là có hai chuỗi mã, một biểu diễn ký hiệu ‘0’ và một biểu diễn ký hiệu ‘1’. Khi cần tốc độ dữ liệu lớn gấp L lần tốc độ dữ liệu chuẩn thì tập chuỗi mã sẽ có kích thước là và mỗi chuỗi gồm L bits sẽ được ánh xạ thành một trong chuỗi mã. Xét một hệ thống có K user (0 ≤ k < K). Mỗi user được cấp một tập chuỗi [10] (5.1) gồm M chuỗi chiều dài N với đường bao hằng. Các ký hiệu M-ary sẽ được phát đi nhờ các chuỗi này ở tốc độ 1/T. Tập chuỗi của mỗi user được thực hiện bằng cách nhân (theo từng chip) chuỗi đặc trưng của user đó với một tập chuỗi thông tin G[m](n), [10] (5.2) Các chuỗi được điều chế với tín hiệu sóng mang h(t). Để đơn giản, giả sử rằng [10]: với (5.3) Ký hiệu được ánh xạ thành [10]: (5.4) User thứ k phát ký hiệu ở thời điểm t = lT. Do đó tín hiệu của user thứ k trước khi điều chế sẽ là [10]: (5.5) và sau khi điều chế sẽ là [10]: (5.6) Sơ đồ khối của hệ thống Multi-code CDMA được trình bày ở hình 5.1 Hình 5.1 Sơ đồ khối máy phát và máy thu hệ thống Multicode CDMA Như đã giải thích ở trên, phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu yêu cầu, mỗi user có một tập M chuỗi mã, với M là tỷ số của tốc độ dữ liệu yêu cầu so với tốc độ dữ liệu cơ bản. Để đạt được tốc độ cơ bản, chúng ta dùng tập chuỗi mã chỉ gồm hai chuỗi. Ký hiệu M-ary được phát đi sẽ chọn một trong các chuỗi có chiều dài N, chuỗi này sau đó được nhân theo từng chip với chuỗi đặc trưng của user. Ở máy thu sử dụng một băng lọc để phát hiện ký hiệu phát. Chuỗi mã thu được đầu tiên được nhân theo từng chip với chuỗi đặc trưng của user và sau đó kết quả thu được lại được tính tương quan so với từng chuỗi trong tập M chuỗi nói trên. Chuỗi nào cho kết quả tương quan lớn nhất sẽ được chọn, từ đó ánh xạ ngược lại thành ký hiệu M-ary. 5.2 Kết hợp giải pháp multi-code với hệ thống MC-CDMA Khảo sát hệ thống MC-CDMA với K user (0 £ k < K). Tín hiệu phát của user thứ k được mô tả bởi phương trình sau: (5.7) trong đó biểu diễn năng lượng ký hiệu của user thứ k, là bit dữ liệu của user thứ k ở thời điểm n, là các chip của chuỗi trải phổ ứng với user thứ k trên sóng mang phụ p, và là tần số góc của sóng mang phụ thứ p. T là chu kỳ ký hiệu và là xung chữ nhật có độ rộng T dùng để cách ly giữa các ký hiệu liên tiếp. Hình 5.2 Sơ đồ hệ thống MC-CDMA Hình 5.2 mô tả máy phát của hệ thống MC-CDMA. Mỗi chip được copy lên P nhánh và nhân với các chip tương ứng của chuỗi trải phổ đặc trưng cho từng user. Sau đó mỗi nhánh sẽ điều chế một sóng mang và tất cả các tín hiệu được cộng lại với nhau và phát đi. Để cải thiện chất lượng của hệ thống MC-CDMA và hệ thống Multi-code CDMA trong kênh truyền fading, ta có thể kết hợp hai hệ thống trên thành hệ thống Multi-code Multicarier CDMA (MC-MC-CDMA). Hình 5.3 mô tả máy phát của hệ thống multicode MCCDMA Hình 5.3 Sơ đồ khối máy phát Multi-code MC-CDMA Cũng như trong máy phát Multi-code CDMA, mỗi ký hiệu M-ary sẽ chọn một trong M chuỗi có chiều dài N để phát đi. Chiều dài N này được chọn cố định không phụ thuộc vào giá trị của M. Do đó khi thay đổi tốc độ dữ liệu thì N không thay đổi, chỉ có M là thay đổi theo. Để bảo đảm tính độc lập tuyến tính giữa các tập mã thì phải có điều kiện M £ N. N cũng là tỷ số trải phổ trong miền thời gian. Mỗi bit của chuỗi mã chiều dài N được copy lên L nhánh sóng mang phụ và nhân với mã scrambling đặc trưng cho từng user của nhánh tương ứng, . Chú ý rằng độc lập với thời gian, do đó quá trình trải phổ ở tầng này chỉ thực hiện trong miền tần số, cho phép các user chọn các mã đặc trưng có sự tương quan chéo thấp nhất với các mã của các user khác. Sau đó, mỗi nhánh này lại điều chế một trong L sóng mang phụ trực giao và cuối cùng các tín hiệu thu được cộng lại và phát đi. Tương tự như trong hệ thống OFDM, quá trình này có thể thực hiện bằng cách sử dụng biến đổi IFFT kích thước L để thay cho phép nhân với sóng mang phụ và phép lấy tổng. Khác với hệ thống OFDM (sử dụng biến đổi nối tiếp sang song song), trong hệ thống này, cùng một bit thông tin sẽ được copy lại trên tất cả các sóng mang phụ để đạt được độ lợi trải phổ đa truy nhập. Ngoài ra, ta cũng có thể chèn khoảng lặp dự phòng hoặc không bởi vì nhiễu ISI không ảnh hưởng đáng kể bằng nhiễu giao thoa đa truy nhập (MAI). Tóm lại, hệ thống Multi-code MC-CDMA được giới thiệu ở đây trải phổ tín hiệu cả trong miền thời gian lẫn trong miền tần số, tức là cũng dựa trên nguyên lý tương tự như hệ thống MC-DS-CDMA. Bằng cách sử dụng chuỗi trải phổ trong miền tần số, cả hai hệ thống đều có thể phân biệt giữa các user khác nhau mặc dù mỗi user đều được cấp cùng một chuỗi trải phổ trong miền thời gian. Tuy nhiên, hệ thống MC-MC-CDMA có sự cải thiện về mặt chất lượng so với hệ thống MC-DS-CDMA ở chỗ nó có thể quản lý được các tốc độ dữ liệu biến đổi, đồng thời sử dụng các mã trải phổ hiệu quả hơn. Ưu điểm thứ hai xuất phát từ khả năng lựa chọn một trong M từ mã để mang thông tin thay vì chỉ nhân bit thông tin với một từ mã cố định. Để phân tích hệ thống MC-MC-CDMA qua các biểu thức toán học, trước hết ta giả sử mỗi user có cùng một tập chuỗi mã được biểu diễn dưới dạng: (5.8) Ký hiệu M-ary thứ i của user thứ k, , được ánh xạ thành một trong các chuỗi mã của W. Do đó chuỗi phát thứ i của user thứ k trước khi điều chế đa sóng mang có thể viết thành: (5.9) (5.10) Trong đó, là bit thứ n trong chuỗi mã thứ i của user thứ k, là chu kỳ bit của chuỗi mã, là chu kỳ ký hiệu () và h(t) là dạng xung chữ nhật chuẩn hóa, được định nghĩa như sau: (5.11) Dựa vào sơ đồ khối của máy phát MC-MC-CDMA (hình 5.3) và phương trình (5.11), ta có thể viết lại tín hiệu phát BPSK của user thứ k dưới dạng: (5.12) Trong đó là chip thứ l của bit thứ n trong chuỗi mã thứ i của user thứ k, là tần số góc của sóng mang phụ thứ l, là pha ngẫu nhiên của sóng mang phụ thứ l của user thứ k và được phân bố đều trong đoạn [0, 2p], L là số sóng mang phụ, và N là chiều dài của mỗi chuỗi mã. Ở máy thu (xem hình 5.4), một bộ biến đổi FFT kích thước L sẽ được đặt ở ngõ vào. Tín hiệu ra của bộ FFT sau đó được giải trải phổ để khôi phục lại từng bit của chuỗi mã thu được. Cứ N bit phục hồi được sẽ tạo thành một chuỗi mã, và chuỗi mã này sẽ được đưa vào một băng lọc phối hợp, có tác dụng phát hiện ra ký hiệu phát đi từ chuỗi mã nhận được. Nguyên tắc họat động của băng lọc phối hợp này như sau: N bit đã được giải trải phổ tạo thành một chuỗi mã thu, chuỗi này sẽ được so sánh tương quan với M chuỗi trong tập các chuỗi mã có thể là chuỗi mã phát. Chuỗi mã có sự tương quan lớn nhất với chuỗi thu sẽ được chọn và được ánh xạ ngược lại thành một ký hiệu M-ary. Mô hình đa sóng mang băng hẹp này cung cấp sự phân tập tần số để giảm bớt hiệu ứng đa đường, do đó ta không cần sử dụng bộ thu RAKE mà vẫn thu được phần lớn năng lượng để phát hiện ký hiệu phát. Hình 5.4 Sơ đồ khối máy thu Multi-code MC-CDMA Tổng kết chương Trong chương này chúng ta đã khảo sát thêm một kỹ thuật truyền đa tốc độ nữa để tăng thêm tính linh hoạt và nâng cao hiệu suất cho hệ thống MC-CDMA, đó là hệ thống MTC-MC-CDMA (Multi-Code Multi-Carrier CDMA) là sự kết hợp của hai hệ thống Multi-Code CDMA và Multi-Carrier CDMA. Hệ thống MTC–MC-CDMA giúp tăng cường tốc độ trong việc truyền dữ liệu là video, hình ảnh …, cải thiện chất lượng dữ liệu, dung lượng khi truyền trong môi trường nhiễu đa đường, nhiễu đa truy cập. Hệ thống multicode multicarrier CDMA hứa hẹn là phương pháp hỗ trợ cho tốc độ dữ liệu lớn và đa người dùng trong hệ thống thông tin di động tế bào. Bằng cách sử dụng lý thuyết multicode, hệ thống MC-MC-CDMA đã đạt được hai khả năng là trải phổ tốt cũng như đa dạng về tần số. Cùng trong một băng thông, cả việc phân tích và mô phỏng thì kết quả đều cho thấy rằng hệ thống MC-MC-CDMA làm tốt hơn hệ thống đa sóng mang CDMA (Multicarrier CDMA) và đơn sóng mang đa mã (single carrier multicode CDMA về xác xuất lỗi bit và dung lượng người dùng trong điều kiện kênh truyền Rayleigh fading lựa chọn tần số. CHƯƠNG 6 MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Hình 6.1 Giao diện chính của chương trình Hình 6.2 Giao diện mô phỏng hệ thống MC CDMA Hình 6.3 Giao diện mô phỏng hệ thống MTC MC CDMA 6.1 Mô phỏng sự tương quan giữa các loại mã trải rộng Hình 6.4 Đặc tính tương quan của chuỗi Mseq Từ hình 6.4 có thể thấy chuỗi mã giả nhiễu có đặc tính tự tương quan tốt tuy nhiên đặc tính tương quan chéo của hai chuỗi giả nhiễu trong tập có giá trị lớn, đặc tính tương quan cho không tốt. Hình 6.5 Đặc tính tương quan của chuỗi Gold So sánh Hình 6.5 với Hình 6.4 cho thấy đặc tính tự tương quan của chuỗi Gold không tốt bằng chuỗi mã giả nhiễu tuy nhiên đặc tính tương quan chéo của tập chuỗi mã Gold lại tốt hơn so với tập chuỗi mã giả nhiễu. Hình 6.6 Đặc tính tương quan của chuỗi Kasami Tập nhỏ chuỗi mã Kasami có đặc tính tự tương quan và đặc tính tương quan chéo tốt hơn tập chuỗi mã Gold, mặc dù vậy do số lượng mã trong tập chuỗi mã Kasami là khá ít nên trong các phần tiếp theo chủ yếu dùng tập chuỗi mã Gold để mô phỏng. Hình 6.7 Đặc tính tương quan của chuỗi Hadamard L=128 Qua Hình 6.7 ta có thể thấy đặc tính tự tương quan và đặc tính tương quan chéo của các mã trong tập chuỗi mã Walsh-Hadamard rất kém. Tuy nhiên chúng có một đặc tính tốt là khi được đồng bộ (tương ứng với vị trí đầu tiên trong đồ thị hàm tương quan chéo) thì chúng trực giao với nhau. 6.2 Mô phỏng hệ thống MC MC CDMA 6.2.1 Mô phỏng hệ thống MC CDMA Bảng 6.1 Các thông số mô phỏng Các thông số mô phỏng Giá trị Mã trải phổ Walsh-Hadamard/Gold Số sóng mang 32/64/128 Số bit truyền/user 20000bits Số user 32 Tần số Doppler 10 Hz SNR 0:1:15 Bộ thu SUD MRC EGC ORC TORC MMSEC MUD DECOR PINV PIC PIC-MMSEC PIC-EGC PIC-TORC Hình 6.8 BER của hệ thống MC CDMA, mã WH: tách sóng đơn USER (MRC), 32 sóng mang con. Hình 6.9 BER của hệ thống MC CDMA với MRC, EGC, MMSEC; 64 sóng mang phụ; 32 user; WH code Hình 6.9 thể hiện BER với 3 loại bộ thu MRC, EGC, MMSEC. Khi có nhiều user, nhiễu gây ra do sự mất tính trực giao của mã được nhân với một hệ số trong quá trình kết hợp, làm BER suy giảm nhanh. Phương pháp EGC cho kết quả tốt hơn MRC (trong trường hợp hệ thống có nhiều user). Phương pháp MMSEC là phương pháp tối ưu nhất trong số các phương pháp tách sóng đơn user xét về phương diện BER hệ thống.Vì MMSEC có thể kết hợp hiệu quả năng lượng tín hiệu thu được vốn bị phân tán trong miền tần số. Hình 6.10 Mô phỏng BER theo USER; SNR=10dB; 64 sóng mang; WH code Phương pháp MRC có thể cho kết quả tốt nhất trong trường hợp hệ thống đơn user do khai thác phân tập tần số sẵn có. Nhiễu đa truy cập MAI là nhân tố chính làm giới hạn hiệu suất và dung lượng của hệ thống. Tác động của nó có thể quan sát trên hình 6.10. Chúng ta thấy rằng khi số user tăng lên, nhiễu đa truy cập càng mạnh làm cho BER bị suy giảm. Khi chỉ có một user trong hệ thống, rõ ràng chúng ta thấy giống như nhận xét lúc đầu, bộ thu MRC cho kết quả tốt nhất. Tuy nhiên khi số user tăng lên, MMSEC vẫn là bộ thu tốt nhất trong số các bộ phát hiện đơn user. Hình 6.11 Mô phỏng BER;WH code, tách sóng đa user; PINV; 32 sóng mang con 6.2.2 Mô phỏng hệ thống MTC MC CDMA Bảng 6.2 Các thông số mô phỏng Thông số Giá trị Chiều dài chuỗi multi-code 256 Kích thước tập chuỗi multi-code M 2, 4, 8, 16, 32, 128, 256 Số lượng sóng mang phụ 16 Mã trải phổ ký hiệu m-sequence Các bước thực hiện mô phỏng : Bước 1: Tạo tập chuỗi mã multi-code; mã trải phổ; chuỗi bit dữ liệu Bước 2: Tạo kí hiệu M-ary và ánh xạ thành chuỗi mã tương ứng Bước 3:Tiến hành trải phổ tín hiệu trong miền tần số. Bước 4:Giả lập kênh truyền để truyền tín hiệu Bước 5: Giải trải phổ và lọc phối hợp sử dụng bộ lọc Match filter, chọn chuỗi có tương quan lớn nhất. Bước 6: So sánh với ký hiệu gốc và tính BER Bước 7: Thực hiện điều khiển tốc độ thích nghi (optional). 6.2.2.1 Hệ thống MC CDMA (Multicode CDMA). Hình 6.12 MC CDMA trong môi trường AWGN Hình 6.13 MC CDMA trong môi trường fading Rayleigh Hình 6.14 MC CDMA trong môi trường fading Rayleigh với kích thước tập mã multi-code khác nhau Hình 6.15 Hệ thống MC–MC-CDMA; So sánh BER theo số user; có và không có điều khiển tốc độ thích nghi Nhận xét. Chúng ta thấy rằng trong điều kiện kênh truyền chỉ có nhiễu Gaussian thì hệ thống Multi-code CDMA sử dụng mã Walsh-Hadamard cho chất lượng tốt hơn so với hệ thống sử dụng các mã Gold, Kasami hoặc m-sequence. Vì mã Walsh có tính trực giao tốt hơn so với các mã còn lại nên chất lượng của hệ thống sử dụng mã Walsh (trong kênh truyền AWGN) là tốt nhất Trong trường hợp kênh truyền fading Rayleigh, giải pháp MTC-CDMA có điều khiển tốc độ thích nghi cho chất lượng tốt hơn trường hợp không có điều khiển tốc độ, đồng thời có thể hỗ trợ các tốc độ cao hơn 6.2.2.2 Hệ thống MTC MC CDMA Chúng ta giữ các thông số mô phỏng giống như hệ thống MC-CDMA Hình 6.16 MTC-MC-CDMA trong môi trường AWGN Hình 6.17 MTC-MC-CDMA trong môi trường fading Rayleigh Hình 6.18 MTC-MC-CDMA trong môi trường fading Rayleigh với kích thước tập mã multi-code khác nhau Hình 6.19 MTC-MC-CDMA điều khiển tốc độ thích nghi Hình 6.20 So sánh BER theo số user; có và không có điều khiển tốc độ thích nghi Hình 6.21 MTC-MC-CDMA điều khiển tốc độ thích nghi trong môi trường fading rayleigh với kích thước tập mã multi-code khác nhau Nhận xét. Mã Walsh-Hadamard là lựa chọn tốt nhất cho tập chuỗi mã multi-code trong kênh truyền chỉ có nhiễu AWGN, còn trong kênh truyền có nhiễu fading đa đường chất lượng hệ thống MC-MC-CDMA sử dụng các loại mã khác nhau không có sự chênh lệch rõ ràng. Nguyên nhân là do loại nhiễu chủ yếu trong kênh truyền này là nhiễu fading, nhiễu ISI và nhiễu MAI, các loại nhiễu này làm mất đi tính trực giao vốn có của mã WH. Với hệ thống MTC-MC-CDMA có sử dụng giải thuật điều khiển tốc độ thích nghi thì mã Kasami là lựa chọn tốt vì mã này có tính trực giao và tính tương quan chéo tốt. CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Đồ án đã trình bày một hệ thống mới đang được quan tâm, đó là MC-MC-CDMA, một sự kết hợp hoàn hảo giữa Multicode CDMA và Multicarrier CDMA. Mục đích của đồ án này là tìm kiếm một giải pháp để nâng cao hơn nữa chất lượng của mạng MC-CDMA nhằm mục đích cải thiện dung lượng của hệ thống, để thỏa mãn nhu cầu thông tin di động ngày càng lớn trong thời đại ngày nay. Bên cạnh một số giải pháp cải thiện dung lượng bằng phương pháp điều khiển công suất hay sử dụng nhiều antenna, đồ án tập trung khảo sát một giải pháp mới: kết hợp hệ thống multi-code thường dùng trong các hệ thống có tốc độ thay đổi, với hệ thống MC-CDMA có khả năng chống nhiễu tốt trong kênh vô tuyến đa đường. Hệ thống multicode CDMA hoạt động tốt trong kênh truyền AWGN nhưng chất lượng giảm rất nhanh trong kênh truyền có nhiễu fading đa đường. Khi kết hợp hệ thống này với hệ thống MC-CDMA, ta được hệ thống mới gọi là Multi-code MC-CDMA (MC-MC-CDMA) có khả năng hỗ trợ các tốc độ dữ liệu biến đổi, đồng thời lại có khả năng chống nhiễu fading tốt. Mô phỏng chia thành 2 phần lớn. Phần thứ nhất mô phỏng các chuỗi mã trực giao. Phần thứ hai mô phỏng các hệ thống MC-CDMA và MC-MC-CDMA trong điều kiện kênh truyền nhiễu AWGN và kênh truyền fading đa đường. Các kết quả mô phỏng (bằng phần mềm MATLAB 7.5) cho thấy hệ thống MC-MC-CDMA có khả năng cải thiện chất lượng BER so với các hệ thống MTC-CDMA(Multicode CDMA) và MC-CDMA(Multicarrier CDMA), do đó có khả năng cung cấp dung lượng nhiều hơn hai hệ thống này. Để lựa chọn tập chuỗi mã sử dụng cho hệ thống multi-code, các loại mã Walsh-Hadamard, Gold, Kasami và m-sequence đã được đưa vào khảo sát. Đối với kênh truyền AWGN thì mã trực giao Walsh có ưu thế, còn trong kênh truyền fading Rayleigh thì có thể chọn mã Kasami. Tuy nhiên, kết quả trong đồ án cũng còn nhiều hạn chế cần phải có những nghiên cứu bổ sung tiếp theo để phát triển hệ thống này. Các kết quả thu được chủ yếu là qua quá trình mô phỏng trên máy tính, các kết quả phân tích dựa trên cơ sở toán học vẫn chưa được tiến hành đầy đủ. Mô hình hệ thống MC-MC-CDMA được đưa ra khảo sát còn rất đơn giản, chưa mô phỏng được các phương pháp tối ưu hóa cho máy thu. Do điều kiện khách quan về thời gian và về thiết bị, hệ thống này cũng chưa được giả lập bằng phần cứng để kiểm tra tính khả thi của nó. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là khắc phục những nhược điểm trên để hoàn thiện cho đề tài này. PHẦN C PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC I Lưu đồ bên phát hệ thống MC –CDMA Lưu đồ bên thu PHỤ LỤC II Lưu đồ mô phỏng hệ thống MTC MC CDMA TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt [1]. Lê Ngọc Anh, Cải thiện chất lượng hệ thống CDMA bằng mô hình Molticode Multicarrier CDMA, Luận văn Thạc Sĩ Trường Đại học Bách Khoa Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, 2001. [2]. Trần Thanh Phương, Nghiên cứu giải pháp cải thiện dung lượng mạng MC-CDMA, Luận văn Thạc Sĩ Trường Đại học Bách Khoa Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, 2005. [3]. Nguyễn Nguyên Quang, Nguyễn Thanh Sơn, Hệ thống multirate MC-CDMA, Luận văn Tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, 2006. [4]. Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết và ứng dụng của kỹ thuật OFDM, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội , 2006. Tài liệu nước ngoài [5]. Paper by A. Duel-Hallen, J. Holtzman, and Z. Zvonar, Multiuser Detection for CDMA Systems, 1995. Presented by Peter Ang April 27, 2001. [6]. Juha Heikala, John Terry, Ph.D, OFDM Wireless LANS : A Theoritical and Practical Guide, ISBN :0672321572 [7]. K. Frazel and S. Kaiser, Multi–Carrier and Spread Spectrum Systems, WILEY, 2003. [8]. L. Hanzo, M. Munster, B.J. Choi and T. Keller, OFDM and MC-CDMA for Broadband Multi-User Communications, WLANs and Broadcasting, University of Southampton, UK. [9]. Michael L. Honig, Advances in Multiuser Detection, WILEY, 2009. [10]. Taeyon Kim,Jaeweon Kim, Multi-code MC-CDMA:Performance analysis, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Texas at Austin [11]. Shinsuke Hara, Ramjee Prasad, Overview of Multicarrier CDMA, IEEE Communications Magazine, December, 1997, pp. 126-133.