Tìm hiểu và mô phỏng các phương pháp tách sóng trong MC – CDMA

h số học đối với các tương quan chéo ngoài tích của chúng với biên độ thu được. Độ phức tạp trên bit là tuyến tính theo số lượng các người dùng. Thời gian trễ khi giải điều chế bằng bộ triệt nhiễu nối tiếp tăng tuyến tính theo số lượng người dùng. Một khuyết điểm của triệt nhiễu nối tiếp là hiệu suất không đối xứng: các người dùng có cùng công suất được giải điều chế với độ tin cậy khác nhau. 4.6.2 Phương pháp triệt nhiễu song song (PIC) Ngược với bộ triệt nhiễu nối tiếp là lần lượt giải điều chế cho các người dùng, sử dụng các bộ quyết định thử nghiệm từ tầng trước đó (các ngõ ra của bộ tách sóng bất kỳ) để ước lượng và loại trừ tất cả nhiễu MAI cho mỗi người dùng. Quá trình xử lý có thể lặp lại nhiều lần tạo nên bộ triệt nhiễu song song nhiều tầng, với hi vọng tăng độ tin cậy của các quyết định thử nghiệm khi ước lượng nhiễu đa truy cập. Đối với hệ thống MC-CDMA, độ hiệu quả của các giải thuật dựa trên PIC phụ thuộc mạnh vào chất lượng của việc ước lượng MAI với can nhiễu đa truy cập được khôi phục từ hệ số kênh truyền và ước lượng dữ liệu cho các người dùng. Vì vậy hiệu quả của tầng đầu tiên (nhờ đó mà việc ước lượng dữ liệu đạt được) có quan hệ gần gũi với độ hiệu quả của máy thu PIC. Do vậy, tín hiệu triệt nhiễu MAI chủ yếu là ở tầng thứ nhất này, một số phương pháp dò tín hiệu người dùng được áp dụng trong tầng này. Phương pháp triệt can nhiễu song song giả sử máy thu biết tất cả mã trải phổ của các người dùng, trạng thái kênh truyền đối với mỗi sóng mang phụ của mỗi người dùng và biết chính xác số người dùng trong hệ thống. Tuy nhiên, việc lựa chọn chúng giống nhau sẽ làm giảm độ phức tạp của máy thu. Bởi vì độ hiệu quả của PIC phụ thuộc vào độ hiệu quả của tầng khởi đầu của máy thu nên việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của tầng thứ nhất là thật sự rất cần thiết. 4.7 Vấn đề dịch của tần số sóng mang trong hệ thống MC-CDMA Hiệu quả của hệ thống MC-CDMA bị suy giảm nghiêm trọng theo dịch tần số. Có hai nguyên nhân chính gây ra dịch tần số: Trải Doppler do thiết bị di động ở tốc độ cao. Sai lệch giữa bộ tạo dao động cho các sóng mang ở phía máy phát và ở phía máy thu. Các dịch tần số do sự đồng bộ không chính xác giữa bộ tạo dao động ở phía máy phát và máy thu như nhau đối với tất cả các sóng mang phụ. Trái lại, các dịch tần số do hiệu ứng Doppler lại khác nhau đối với từng song mang phụ bởi vì nó là hàm theo tấn số. Tuy nhiên, đối với các hệ thống thông tin di động hoạt động ở tần số sóng mang điển hình 2 Ghz và chiếm một băng thông 1Mhz thì sai lệch tần số tối đa giữa các sóng mang phụ do hiệu ứng Doppler là khoảng 0-5 Mhz. Vì sai lệch này là rất nhỏ (có thể bỏ qua) so với khoảng cách giữa các sóng mang phụ là khoảng 30 Khz nên chúng ta xem xét dịch tần số do trải Doppler là một hiện tượng có đặc tính giống nhau trên tất cả các sóng mang phụ. Dịch tần số trong hệ thống MC-CDMA gây ra 2 ảnh hưởng nghiêm trọng: Thứ nhất, nó làm suy giảm biên độ của tín hiệu mong muốn. Thứ hai, nó làm mất tính trực giao giữa các sóng mang phụ. Điều này sẽ dẫn đến nhiễu liên sóng mang ICI. Để đơn giản cho việc ký hiệu, phần chứng minh sau chỉ tập trung vào một trong P ký tự mà mỗi người dùng phát đi bằng cách cho P=1. Khi đó, N=KMC và T’s=Tb (tốc độ bit của dữ liệu). Xét tuyến xuống của hệ thống thông in di động MC-CDMA có K người dùng đang hoạt động. Đặc điểm của kênh truyền hướng xuống là tất cả các người dùng sẽ trải qua cùng một đặc tính kênh truyền (kênh truyền fading Rayleigh phẳng, nghĩa là kênh truyền có tính chọn lọc tần số trên toàn bộ băng thông của tín hiệu phát nhưng không có tính chọn lọc trên từng sóng mang phụ) và các người dùng này đồng bộ với nhau. Tín hiệu cao tần s(t) cho ký tự thứ i phát từ trạm gốc là tổng của K tín hiệu băng gốc của các người dùng (tín hiệu của mỗi người dùng có dạng như phương trình (4.1)) được đổi tần lên. Dạng phức của tín hiệu s(t) là: s(t) = (4.35) trong đó: fm=fc+m/Tb và p(t)= ps(t) fc: sóng mang cao tần. Khi hệ thống thoả điều kiện (4.11), mỗi sóng mang phụ của tất cả các người dùng sẽ trải qua kênh truyền có đáp ứng xung dạng (4.14). Tín hiệu nhận được tại thuê bao di động r(t) của ký tự thứ i có dạng: r(t) = (4.36) Phương trình (4.36) thực chất là phương trình (4.21) được viết lại cho ký tự thứ i bằng cách thay P=1 và h. Sau khi giải điều chế (cho sóng mang và cả sóng mang phụ) ta kết hợp tín hiệu trên mỗi nhánh tương ứng với sóng mang phụ, ta có biến quyết định cho bit dữ liệu thứ i của người dùng thứ 0: D(i) = (4.37) Trong đó: fn là ước lượng pha của tần số sóng mang phụ thứ n; fn=f’n=n/Tb với f’n là ước lượng tần số sóng mang. (4.38) Xét biểu thức: (fn-fm)Tb= [(f’c+n/Tb) -(fc+m/Tb)]Tb (4.39) Gọi là dịch tần số chuẩn hoá: = (4.40) Thì (4.39) được viết lại như sau: (fn-fm)Tb=(+n-m) (4.41) Sử dụng (4.41), ta có thể viết lại biểu thức: (4.42) Trong đó (4.43) Thế (4.41) và (4.43) vào (4.38) ta có thu được: D(i) = +AWGN = S + MAI + ICI1 + ICI2 + AWGN (4.44) Trong đó: S là tín hiệu mong muốn MAI là nhiễu đa truy cập ICI1 là nhiễu liên sóng mang do các chip trong cùng mã trải phổ của người dùng thứ 0 ICI2 là nhiễu liên sóng mang do các chip trong cùng mã trải phổ của người dùng thứ 0 và của K-1 người dùng khác. AWGN là nhiễu Gauss trắng cộng. Các số hạng trong biểu thức (4.44) được xác định như sau: Các tín hiệu mong muốn S: Từ (4.44) cho k=0 và n=m, ta có: S = (4.45) Nhiễu đa truy cập MAI: Với k0 và n=m, biểu thức (4.44) được rút gọn thành: MAI = (4.46) Nhiễu liên sóng mang do các chip trong cùng mã trải phổ của người dùng thứ 0 ICI1 được tìm bằng cách thay thế k=0 và mn vào (4.44): ICI1 = (4.47) Nhiễu liên sóng mang do các chip trong mã trải phổ của người dùng thứ 0 và của K-1 người dùng khác. Nhiễu này được rút ra từ (4.44) với k0 và mn: ICI2 = (4.48) AWGN AWGN = (4.49) Dựa trên các phương trình từ phương trình (4.45) đến (4.49), ta rút ra nhận xét sau: Tín hiệu mong muốn bị suy hao bởi một hệ số là hàm theo . Nhiễu đa truy cập cũng bị giảm đi theo . ICI1 và ICI2 không xuất hiện khi =0. Các nhiễu này được xem là nhiễu cộng thêm vào nhiễu đa truy cập. Từ phương trình (4.46) cho thấy nhiễu đa truy cập trung bình đối với mỗi sóng mang phụ chỉ phụ thuộc vào tỷ số K/N. Do đó, đối với hai hệ thống có cùng tỷ số K/N , nhiễu MAI trung bình của chúng đối với mỗi sóng mang là bằng nhau. Tuy nhiên, không giống như nhiễu MAI, nhiễu ICI lại là hàm theo số sóng mang phụ và số người dùng K. Vì vậy, nếu tổng số sóng mang phụ của hai hệ thống khác nhau thì ICI của mỗi hệ thống sẽ khác nhau ngay cả nếu tỷ số K/N là giống nhau. Tóm lại, hệ thống MC-CDMA nào có nhiều sóng mang phụ hơn do dịch tấn số của sóng mang phụ ngay cả các hệ thống có cùng K/N. 4.8 Giới hạn BER của hệ thống MC-CDMA Giả sử bit phát là của người dùng thứ 0 là “-1” thì tỷ lệ lỗi BER là xác suất mà D(i) lớn hơn 0 hoặc tương đương với xác suất mà -S nhỏ hơn MAI+ICI1+ICI2+AWGN, nghĩa là: BER = p( -S< MAI+ICI1+ICI2+AWGN) (4.50) Nếu giả sử tất cả các số hạng MAI, ICI1, ICI2, AWGN trong biểu thức (4.44) có phân bố xấp xỉ phân bố Gauss thì BER đối với hệ thống sử dụng MRC là: BERMRC (4.51) Trong đó:ü erfc(.) là hàm sai số bổ phụ. üNMRC= ü DMRC = (4.52) Với Eb là năng lượng của một bit tin và được định nghĩa như sau: Eb= (4.53) Với E là toán tử kỳ vọng. Ngoài định nghĩa Eb/N0, một thông số khác cũng rất thường gặp trong việc đánh giá chất lượng của hệ thống là tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR: SNR = (4.54) Với là công suất nhiễu của biến ngẫu nhiên Gauss trên mỗi nhánh của bộ tách sóng. Như đã biết, BER tối thiểu có thể đạt được với hệ thống đơn người dùng là sử dụng phương pháp MRC. Do đó, giới hạn BER của hệ thống MC-CDMA là: BERLB = (4.55) Biểu thức (4.55) thực ra là biểu thức (4.51) với một số thay đổi nhỏ , K=1. 4.9 Phân loại MC-CDMA Công nghệ MC-CDMA được chia thành 2 nhóm: Trải phổ trong miền thời gian MC-DS-CDMA( multicarrier CDMA) và MT-CDMA : Chuỗi tín hiệu ban đầu sau khi được chuyển từ nối tiếp sang song song được trải phổ bằng mã trải phổ. Sau đó các chip của cùng một kí tự sẽ được điều chế trên một sóng mang. Để phân biệt MC-DS-CDMA và MT-CDMA, người ta dựa vào khoảng cách giữa các sóng mang phụ. Nếu kí hiệu chu kỳ bit dữ liệu là Tb và chu kỳ chip là Tc thì khoảng cách giữa các sóng mang phụ trong hệ thống MC-DS-CDMA là 1/Tc còn trong hệ thống MT-CDMA là 1/Tb. Tín hiệu MC-DS-CDMA được tao bằng cách chuyển đổi nối tiếp sang song song các ký hiệu dữ liệu thành Nc chuỗi con và áp dụng kỹ thuật DS-CDMA trên mỗi chuỗi con riêng biệt. Như vậy trong hệ thống MC-DS-CDMA mỗi ký hiệu được trải phổ trong phạm vi kênh phụ tương ứng, khác với hệ thống MC-CDMA và DS-CDMA, nó không sử dụng toàn bộ băng thông truyền( trong trường hợp Nc=1). Hệ thống MC-DS-CDMA với một sóng mang phụ sẽ trở thành hệ thống DS_CDMA. MT-CDMA( multi-tone code division multiple access) là kỹ thuật kết hợp giữa OFDM và trải phổ DS-SS, sự kết hợp này cung cấp khả năng truyền dẫn tốc độ cao và khả năng đa truy cập. Hơn một kênh lựa chọn tần số, một tín hiệu MT-CDMA liên quan đến nhiễu liên ký tự ( ISI), nhiễu liên sóng mang (ICI) và nhiễu đa truy cập (MAI). Khoảng cách giữa các sóng mang phụ Δf và băng thông hệ thống B được tính theo công thức sau: Với (4.56) Rs là tốc độ tín hiệu ban đầu, Nc là hệ số của bộ chuyển đổi S/P, Ns là chiều dài của mã trải phổ, NF là chiều dài bộ chuyển đổi IFFT, Np là chiều dài của CP. Trải phổ trong miền tần số MC-CDMA: Chuỗi tín hiệu ban đầu được trải phổ bằng mã trải phổ, sau đó mỗi chip của cùng một kí tự sẽ được điều chế trên mỗi sóng mang khác nhau. MC-CDMA trải phổ trong miền tần số nên không bị giới hạn về khoảng tần số yêu cầu trực giao. Vì vậy, ở đường xuống, MC-CDMA thể hiện ưu điểm hơn MC-DS-CDMA Khoảng cách giữa các sóng mang phụ Δf và băng thông hệ thống B được tính theo công thức sau: (4.57) Nhận xét: So sánh Δf và B của 2 hệ thống, ta nhận thấy: B bằng nhau, phụ thuộc vào chiều dài mã trải phổ và tốc độ dữ liệu ban đầu. Δf khác nhau. Đối với hệ thống MC-CDMA, Δf chính bằng tốc độ dữ liệu ban đầu. Còn đối với hệ thống MC-DS-CDMA thì khoảng cách Δf phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu ban đầu, hệ số của bộ S/P và chiều dài mã trải phổ. Các sơ đồ MC-CDMA : Multicarrier DS-CDMA: Hệ thống DS-CDMA đa sóng mang trải phổ luồng dữ liệu đã được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song trong miền thời gian sử dụng mã trải phổ CDMA. Kết quả dữ liệu trên các sóng mang trực giao nhau với sự tách biệt nhỏ nhất. Hình 4.6a Bộ phát MC-DS-CDMA Hình 4.6b Mã trải phổ trong MC-DS-CDMA Hình 4.7 Phổ công suất của tín hiệu phát Hệ thống phát MC DS-CDMA cho user jth minh họa trong hình 4.6 Nc là số sóng mang phụ trong hệ thống và mã trải phổ cho user thứ j là trong hình 4.7. Phổ công suất của tín hiệu trải phổ được minh họa trong hình 4.7 Các luồng dữ liệu đã được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song được trải phổ bằng chuỗi mã trải phổ CDMA trong miền thời gian để phổ của mỗi sóng mang phụ trước khi trải phổ có thể thỏa mãn điều kiện trực giao với sự tách biệt tần số nhỏ nhất. Do đó phổ của mỗi sóng mang phụ không còn thỏa mãn điều kiện trực giao nữa. Sơ đồ MT-CDMA sử dụng các mã trải phổ dài hơn tỷ lệ với số sóng mang phụ so với sơ đồ DS-CDMA (đơn sóng mang ) thông thường, do đó hệ thống có thể đáp ứng được nhiều người sử dụng hơn sơ đồ DS-CDMA. Mã trải phổ cho hệ thống MT-CDMA minh họa trong hình 4.7 Hình 4.8 Mã trải phổ cho hệ thống MT-CDMA 4.10 Ưu và nhược điểm của kỹ thuật MC-CDMA 4.10.1 Ưu điểm của kỹ thuật MC-CDMA Hiệu quả sử dụng băng tần tốt. Phân tập tần số hiệu quả. Có khả năng chống lại ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số. Giải quyết vấn đề nhiễu liên kí tự ISI gặp phải ở hệ thống có tốc độ dữ liệu cao trên các kênh đa đường bằng cách chia băng thông tín hiệu thành nhiều băng con có tốc độ thấp trực giao nhau. Tín hiệu được truyền và nhận một cách dễ dàng bằng cách sử dụng thiết bị chuyển đổi FFT mà không làm tăng độ phức tạp của máy phát, máy thu. Bảo mật. 4.10.2 Nhược điểm của kỹ thuật MC-CDMA Tuy nhiên, MC-CDMA cũng tồn tại những nhược điểm của CDMA và OFDM: Khi xét hệ thống MC-CDMA, loại nhiễu đáng quan tâm nhất là nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference). Tỷ số đường bao công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao nên làm giảm hiệu quả của bộ khuếch đại công suất, dẫn đến hiệu suất không cao. Nhạy với dịch tần số sóng mang. Nhạy với nhiễu pha. 4.11 Kết luận chương MC-CDMA (MultiCarrier CDMA) là một hệ thống đa truy nhập dựa trên việc kết hợp giữa CDMA và OFDM, Nó mang theo cả những ưu điểm và khuyết điểm của 2 công nghệ truyền dẫn OFDM và đa truy nhập CDMA . Trong chương này giới thiệu tổng quan về hệ thống, cấu trúc máy phát, máy thu MC-CDMA, kênh truyền điển hình trong hệ thống MC-CDMA là kênh truyền fading rayleigh chọn tần biến đổi chậm. Phân tích những ưu điểm và nhược điểm của kỹ thuật MC-CDMA, các kỹ thuật tách sóng đơn user (ORC, TORC, EGC, MRC, MMSE), và giới hạn BER cho hệ thống. Hiệu quả của hệ thống MC-CDMA bị suy giảm nghiêm trọng theo dịch tần số,vấn đề dịch tần số đối với hệ thống MC-CDMA gây ra hai ảnh hưởng nghiêm trọng: Thứ nhất, nó làm suy giảm biên độ của tín hiệu mong muốn. Thứ hai, nó làm mất tính trực giao giữa các sóng mang phụ. Điều này sẽ dẫn đến nhiễu liên sóng mang ICI. CHƯƠNG 5 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG TRONG MC – CDMA 5.1 Sơ lược kỹ thuật tách sóng trong hệ thống MC - CDMA Các kỹ thuật tách sóng trong hệ thống MC-CDMA được phân thành hai loại: tách sóng đơn user (SD – Single user detection) và tách sóng đa user (multiuser detection). Kỹ thuật SD dựa trên cơ sở phát hiện tín hiệu từ user mong muốn mà không quan tâm đến các thành phần giao thoa đa truy nhập. Do đó, máy thu SD chỉ gồm bộ cân bằng một tap để bù lại méo và fading do kênh truyền phụ gây ra và sau đó là bộ giải trải phổ đặc trưng cho từng user. Máy thu SD là máy thu không tối ưu. Để nâng cao chất lượng thu, người ta dùng kỹ thuật MD. Kỹ thuật này sử dụng những thông tin trước đó về các mã trải phổ của các thành phần giao thoa vào trong quá trình khôi phục. Có thể phân các kỹ thuật MD thành hai dạng: dạng triệt giao thoa (IC – Interference Cancellation) sử dụng nguyên tắc là phát hiện các thông tin về giao thoa bằng phương pháp SD rồi loại bỏ các thành phần này khỏi tín hiệu thu; dạng phát hiện kết hợp (JD – Joint Detection) sử dụng nguyên lý xác suất cực đại và áp dụng lên toàn bộ tín hiệu thu. Dạng này cho kết quả tối ưu nhưng độ phức tạp tăng theo hàm mũ với số user nên trong thực tế chỉ dùng trong trường hợp số user là nhỏ. 5.2 Các kỹ thuật tách sóng đơn user Mục tiêu chính của các phương pháp kết hợp này (kỹ thuật tách sóng đơn user) là lựa chọn các trọng số Gk’(m) sao cho nhiễu Gauss và nhiễu MAI được tối thiểu hóa. Hình 5.1 mô tả sơ đồ khối của bộ phát hiện đơn user để phát hiện các ký hiệu từ user thứ k. Sau khi thực hiện quá trình biến đổi ngược OFDM, tín hiệu thu được đưa qua bộ cân bằng thích nghi một tap cân bằng các méo dạng về pha và biên dộ do kênh truyền vô tuyến gây ra (ứng với kênh phụ đang khảo sát). Chuỗi thu ở ngõ ra bộ cân bằng có dạng: u = G.r = (U0, U1, …, UL-1)T Ma trận cân bằng G là ma trận đường chéo kích thước L x L: Bao gồm L hệ số phức của bộ cân bằng áp dụng cho sóng mang phụ của user tương ứng. Hình 5.1 Bộ phát hiện MC-CDMA đơn user Chuỗi phức u ở ngõ ra của bộ cân bằng được giải trải phổ bằng cách lấy tương quan giữa nó so với liên hiệp phức của mã trải phổ tương ứng c(k)*. Sau bộ giải trải phổ là tín hiệu quyết định “mềm” v(k): v(k) = c(k)*.uT Giá trị quyết định “cứng” của ký hiệu phát có được sau bộ lượng tử: d (k ) = Q {v(k ) } trong đó Q{.} là phép lượng tử tương ứng với tập ký hiệu dữ liệu được chọn. các mô hình khác nhau của bộ phát hiện SD được phân biệt dựa vào ma trận của bộ cân bằng. 5.2.1 Trọng số Gk’(m) trong kỹ thuật tách sóng đơn user Hình 5.2 Máy phát MC – CDMA Tín hiệu thu được của user thứ k là: (5.1) Delay đường truyền đối với đường thứ l được phân loại như sau: (5.2) Hệ số Fourier của sóng mang phụ thứ q (q=mP+p) tại thời điểm t=iTS’ (xem hình 5.2): (5.3) Hàm tự tương quan chuẩn hóa của sóng mang phụ thứ q giữa thời điểm t=iTS’và t=(i-1)TS’ đối với user thứ k được xác định bởi: (5.4) cos(2ppDf’t) LPF 0 Gk’(0) cos{2p(mP+p)Df’t} LPF m Gk’(m) q=mP+p LPF KMC-1 Gk’(KMC-1) cos[2p{P(KMC-1)+p}Df’t] Dk’(t) cos(2pfct) Tín hiệu thu rMC(t) p 0 P-1 DFT Hình 5.3 Máy thu MC-CDMA Khử khoảng dự phòng D Giaû söû heä thoáng MC-CDMA coù K user ñang truy caäp. Tín hieäu baêng goác nhaän ñöôïc coù daïng: (5.5) Trong ñoù: hk(t;t) : đáp ứng xung của kênh truyền ứng với user thứ k; t và τ là thời gian và độ trễ. : đường bao phức thu được tại sóng mang phụ thứ (mP+p) của user thứ k. : có dạng phương trình của đáp ứng xung: Trong đó: αi và fi lần lượt là biên độ và pha của kênh truyền fading trên kênh truyền phụ thứ i hay song mang thứ i; fi là biến ngẫu nhiên có phân bố đều qua đoạn [0,2π] và các hệ số fading αi có phân bố Rayleigh tương quan nhau (không độc lập thống kê) và thay đổi qua từng ký hiệu của dữ liệu phát. n(t) là nhiễu Gauss có giá trị trung bình bằng 0 và mật độ phổ công suất hai phía No/2. Giả sử việc đồng bộ tần số và pha giữa máy phát và máy thu được thực hiện chính xác và khoảng dự phòng D đủ lớn hơn độ trải trễ của kênh truyền để mà không có ISI xảy ra thì biến quyết định Dk’ (bỏ qua chỉ số p mà không mất đi tính tổng quát) được cho bởi: (5.6) (5.7) Trong đó: y(m) là thành phần dải nền của tín hiệu nhận được sau khi đã chuyển đổi xuống nm(iTS) là nhiễu Gauss phức tại sóng mang phụ thứ m tại thời điểm t = iTS. Dữ liệu ak’ của user thứ k’ sẽ được khôi phục nhờ một số phương pháp kết hợp nhằm tận dụng mô hình phân tập tần số. Mục tiêu chính của các kỹ thuật tách song đơn user là lựa chọn các trọng số Gk’(m) sao cho nhiễu Gauss và nhiễu MAI được tối thiểu hóa. 5.2.2 Phương pháp kết hợp tỷ số cực đại MRC (Maximum 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: (5.8) Với việc chọn 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 bé. Trong trường hợp hệ thống chỉ có một user, MRC khai thác phân tập tần số sẳn có và đạt được BER thấp nhất. Tuy nhiên trong hệ thống đa user, do tính trực giao của các mã trải bị méo dạng nghiêm trọng bởi fading kênh truyền nên dung lượng của bộ tách sóng sử dụng MRC bị giới hạn bởi MAI. Nhược điểm của bộ phát hiện MRC trong hệ thống MC-CDMA ở tuyến xuống là nó phá hủy tính trực giao của các mã trải phổ, do dó làm tăng nhiễu đa truy nhập (MAI). Ở tuyến lên thì MRC là kỹ thuật phát hiện đơn user thích hợp nhất vì các mã trải phổ không chồng nhau theo kiểu trực giao ở máy thu và sự cực đại hóa tỷ số SNI (Signal-to-Interference) là tối ưu. 5.2.3 Phương pháp kết hợp độ lợi cân bằng EGC (Equal Gain Combining) Đây là kỹ thuật phát hiện đơn user đơn giản nhất vì nó chỉ cần thông tin về pha của kênh truyền. Đối với EGC, trọng số Gk’(m) được dùng để sửa sự dịch pha gây ra bởi kênh truyền và được cho bởi: (5.9) 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 lại khác 0. Do đó, nhiễu đa truy cập MAI ảnh hưởng mạnh đến biến quyết định D. 5.2.4 Cưỡng bức zero ZF (ZeroForcing ) Đây là bộ cân bằng thực hiện đảo ngược đặc tính kênh truyền, đồng thời có thể loại bỏ nhiễu MAI bằng cách khôi phục tính trực giao giữa các dữ liệu trải phổ ở tuyến xuống với các hệ số cân bằng như sau: 2 (5.10) Nhược điểm của kỹ thuật ZF là với các biên độ nhỏ của Hl,l thì bộ cân bằng sẽ khuếch đại nhiễu. 5.2.5 Phương pháp cân bằng sai số bình phương trung bình cực tiểu (MMSE – Minimum Mean Square Error) 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: (5.11) trong đó: E[.] là toán tử kỳ vọng và là ước lượng của ak’. Nghiệm của phương trình (7.15) là Gk’(m) được xác định bởi: (5.12) 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. 5.2.6 Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao ORC (Orthogonality Restoring Combining) Đối với tuyến xuống của hệ thống thông tin di động, các hệ số đặc trưng cho từng kênh truyền phụ của tất cả các user là giống nhau, nghĩa là . Trọng số Gk’(m) được chọn như sau: (5.13) Rõ ràng, nếu hệ thống sử dụng bộ mã trải phổ trực giao (ví dụ: mã trực giao Walsh-Hadamard mà thường được khuyến nghị dùng cho tuyến xuống) thì nhiễu MAI bị loại bỏ hoàn toàn bằng phương pháp kết hợp này bởi vì: . (5.14) Dữ liệu ak’ được khôi phục từ biến quyết định Dk’ trong phương trình (5.15) trong đó: sign(.) là hàm dấu. Phương pháp ORC khôi phục tính trực giao giữa các user ngay cả khi có fading, nghĩa là cho phép các biến trên mỗi nhánh kết hợp với nhau theo cách mà loại bỏ nhiễu đa truy cập MAI. Tuy nhiên không lọai trừ được nhiễu nền Gauss, do đó nhiễu Gauss trên các nhánh có biên độ sóng mang phụ yếu có khuynh hướng được khuếch đại mạnh vì các sóng mang phụ này được nhân với độ lợi lớn để biên độ mới bằng 1. ảnh hưởng của việc khuếch đại nhiễu này là làm tăng BER của hệ thống. Lưu ý: ORC chỉ áp dụng cho tuyến xuống của hệ thống thông tin di động MC-CDMA bởi vì trên tuyến lên (MS đến BS), tín hiệu từ các user đến trạm gốc với độ trễ khác nhau và đáp ứng kênh truyền của mỗi user cũng khác nhau nên cho dù các mã trải phổ có hoàn toàn trực giao thì phương pháp ORC không thể đạt được mục tiêu như tên gọi của nó. 5.2.7 Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao ORC cải biên (TORC) Phương pháp này sẽ loại bỏ ảnh hưởng của việc nhiễu đi kèm với sóng mang phụ có biên độ yếu trên mỗi nhánh được khuếch đại mạnh như trong phương pháp ORC. Quyết định được tính dựa trên tổng của các thành phần băng gốc của các sóng mang phụ có biên độ lớn hơn một ngưỡng tách sóng. Trọng số Gk’(m) được chọn: (5.16) trong đó: u(.) là hàm bước đơn vị và g là ngưỡng tách sóng. Rõ ràng, trong phương pháp ORC cải biên này, chỉ các giá trị nhiễu lớn hơn một mức ngưỡng g mới được khuếch đại. Với mỗi tỷ số SNR cho trước, sẽ tồn tại một giá trị ngưỡng tối ưu để đạt được BER nhỏ nhất . Các kỹ thuật tách sóng đa user 5.3.1 Phát hiện theo khả năng cao nhất (MaximumLikelihood Detection) Các bộ phát hiện đa user tối ưu sử dụng tiêu chuẩn xác suất hậu nghiệm tối đa (MAP – Maximum A Posteriori) hoặc 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(0) ,d(1),…,d(K-1))T tối ưu; và 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 d(k) . các giải thuật này có thể mở rộng thành các giải thuật tương ứng nhưng theo tiêu chuẩn MMAAp nếu ta xét đến xác suất tiên nghiệm cảu các ký hiệu phát. Tập các véc tơ ký hiệu phát có thể xảy ra là dm , với m=0,…, MK – 1, trong đó MK là số vecto phát có thể có, M là số giá trị có thể có của d(k). Ước lượng chuỗi khả năng cao nhất (MLSE) Giải thuật MLSE tìm cách tối thiểu xác suất lỗi so với chuỗi phát, nói cách khác là cực đại xác suất có điều kiện P{dm|r} (xác suất để dm là vecto phát nếu vecto thu là r). ước lượng của chuỗi d theo giải thuật MLSE được xác định bởi: (5.17) Nếu Nl là nhiễu AWGN thì công thức trên tương đương với việc tìm kiếm vecto dm để tối thiểu hóa bình phương khoảng cách Euclide giữa vecto thu với tất cả MK vecto phát có thể: (5.18) Chuỗi phát có khả năng cao nhất sẽ là: (5.19) Ước lượng theo từng ký hiệu có khả năng cao nhất (MLSSE) Giải thuật MLSSE tìm cách tối thiểu hóa xác suất lỗi ký hiệu giữa ký hiệu thu với ký hiệu phát, nghĩa là cực đại xác suất có điều kiện P{d(k)m |r}. ước lượng của d(k) theo giải thuật MLSSE là: (5.20) Nếu Nl là nhiễu thì ký hiệu có khả năng cao nhất là: (5.21) Có thể thấy rằng giải thuật MLSSE phức tạp hơn giải thuật MLSE. Ưu điểm của giải thuật này là nó tạo ra các thông tin về độ tin cậy của mỗi ký hiệu phát hiện được mà ta có thể sử dụng trong bộ giải mã hóa kênh mềm sau đó. Bộ cân bằng khối tuyến tính Phương pháp cân bằng sẽ khử giao thoa giữa các tín hiệu (ISI). Bộ cân bằng trong máy thu có nhiệm vụ sửa lại dạng tín hiệu thu được cho giống tín hiệu trước khi truyền đi, để cải thiện tốc độ đường truyền (một yêu cầu quan trọng trong hệ thống thông tin di động). Đối với bộ cân bằng tuyến tính, ta có hai tiêu chuẩn để tìm các hệ số của bộ cân bằng: Tối thiểu hóa suy hao đỉnh Tối thiểu hóa trung bình bình phương sai số (MSE) Cấn bằng khối tuyến tính là một phương pháp không tối ưu nhưng đơn giản để phát hiện đa user, nó đòi hỏi thông tin về ma trận hệ thống A của máy thu. Để có thông tin này, có thể dùng một trong hai chuẩn: Cân bằng khối tuyến tính cưỡng bức zero (Zero Forcing) Phương pháp phát hiện kết hợp cùng bộ cần bằng khối tuyến tính cưỡng bức zero sẽ tạo ra vecto dữ liệu quyết định mềm sau đây: v = (AH .A)-1 .AH .r = (v(0), v(1),…,v(K-1))T (5.22) trong đó (.)H biểu diễn chuyển vị Hermit của ma trận. Cân bằng khối tuyến tính MMSE Bộ cần bằng khối tuyến tính MLSE cho ra vecto dữ liệu quyết định mềm như sau: v = (AH .A + s2I)-1 .AH .r = (v(0), v(1),…,v(K-1))T (5.23) các bộ cân bằng khối tuyến tính có thể kết hợp với phương pháp triệt nhiễu giao thoa (IC) để tạo thành các bộ cân bằng khối tuyến tính hồi tiếp quyết định. Triệt nhiễu giao thoa (IC – Interference Cancellation) Nguyên tắc của phương pháp này là ước lượng các thành phần nhiễu giao thoa và loại khỏi tín hiệu thu trước khi phát hiện tín hiệu mong muốn. phương pháp này cũng có khả năng loại bỏ các giao thoa trong cùng cell và giao thoa liên cell. Tín hiệu dùng để ước lượng các thành phần giao thoa có thể lấy ở ngõ ra bộ phát hiện (mô hình IC “cứng”) hoặc ở ngõ ra của bộ giải mã hóa kênh (mô hình “mềm”), trong đó mô hình sau cho chất lượng tốt hơn. Ước lượng giao thoa cứng – không có bộ giải mã hóa kênh y Hình 5.4 Mô hình triệt giao thoa cứng Ước lượng giao thoa mềm có dùng bộ mã hóa kênh y Hình 5.5 Mô hình triệt giao thoa mềm Hàm tanh(.) : hoạt động như là một yếu tố chọn lọc trong mảng, phạm vi và giới hạn của hàm bao gồm các giá trị phức, tất cả các góc tính bằng radian. Cả 2 mô hình đều được thực hiện qua nhiều lần lặp. ta dùng chỉ số [j] để chỉ dẫn lặp thứ j, trong đó j = 0,1, …, Jit (Jit là tổng số lần lặp, [0] chỉ trạng thái đầu). phương pháp triệt giao thoa có thể thực hiện theo kỹ thuật triệt song song (PIC – Parallel IC) hoặc triệt liên tiếp (SIC – Successive IC) hoặc kết hợp cả hai kỹ thuật này. Triệt nhiễu giao thoa song song PIC (Parallel Interference Cancellation) Kỹ thuật PIC thực hiện tách sóng kết hợp triệt nhiễu MAI cho đồng thời tất cả các thuê bao. Số lần tách sóng-triệt nhiễu trong hệ thống phụ thuộc vào độ phức tạp cho phép của hệ thống. Kỹ thuật này phát hiện và loại bỏ đồng thời toàn bộ các tín hiệu giao thoa trước khi phát hiện tín hiệu mong muốn. đầu tiên, các ký hiệu của tất cả K user được ước lượng đồng thời bằng phương pháp phát hiện đơn user: (5.24) Trong đó G(k)[0] biểu diễn các hệ số cân bằng ở trạng thái khởi đầu. Các bước tiếp theo được lặp lại nhiều lần: sử dụng các quyết định nhận được từ lần lặp trước để ước lượng thành phần giao thoa rồi loại khỏi tín hiệu thu, như vậy dữ liệu được quyết định sau mỗi bước sẽ có mức nhiễu MAI giảm dần. ký hiệu ra ở lần lặp thứ j sẽ là: (5.25) Trừ lần lặp cuối, ở tất cả các lần lặp khác, phương trình trên được áp dụng cho tất cả K user. ở mỗi lần lặp có thể dùng các kỹ thuật phát hiện khác nhau (EGC,MRC,MMSE…) Triệt nhiễu giao thoa liên tiếp SIC (Successive Interference Cancellation) Kỹ thuật này phát hiện và loại bỏ các thành phần giao thoa theo thứ tự công suất của chúng. Đầu tiên, thành phần giao thoa có công suất lớn nhất sẽ bị loại bỏ, rồi sau đó đến thành phần có công suất lớn thứ 2,..Như vậy, ở bước lặp thứ j, ký hiệu ngõ ra sẽ là: (5.26) Trong đó g là thành phần giao thoa mạnh nhất trong lần lặp đang xét và j = 1,2,…,Jit. Quá trình lặp kết thúc khi đạt được một tiêu chuẩn nào đó đã định sẵn. kỹ thuật SIC thích hợp cho các hệ thống có sự giao động lớn về công suất giữa các thành phần giao thoa. Bộ triệt nhiễu nối tiếp có đặc điểm: Yêu cầu phải biết đến biên độ thu được. Các user yếu hơn user cần xét được bỏ qua. Ngược với các bộ tách sóng tuyến tính (không thích nghi), bộ triệt nhiễu nối tiếp không yêu cầu các phép tính số học đối với các tương quan chéo ngoài tích của chúng đối với biên độ thu được. Độ phức tạp trên bit là tuyến tính theo số lượng user. Một khuyết điểm của bộ triệt nhiễu nối tiếp là hiệu suất không đối xứng : các user có cùng công suất được giải điều chế với độ tin cậy khác nhau. Triệt nhiễu giao thoa mềm Như đã nói ở trên, mô hình triệt can nhiễu mềm đạt chất lượng cao hơn mô hình triệt can nhiễu cứng. Đó là do mô hình này có sử dụng đến thông tin về độ tin cậy của quá trình phát hiện giao thoa trong quá trình quyết định ký hiệu ở ngõ ra bộ giải mã hóa kênh. Ở đây ta xét thành phần giao thoa bởi user g với g ¹ k. Giá trị quyết định mềm đạt được sau quá trình phát hiện đơn user, và giải ánh xạ ký hiệu là w(g)[j], đồng thời tương ứng với nó là vecto tỷ số LLR (log – likelihood ratio) l(g)[j]. Ngược lại với bộ tách sóng SIC, kỹ thuật PIC thực hiện tách sóng kết hợp triệt nhiễu MAI cho đồng thời tất cả các thuê bao. Số lần tách sóng-triệt nhiễu trong hệ thống phụ thuộc vào độ phức tạp cho phép của hệ thống. Sau bộ giải mã hóa kênh mềm, bên cạnh các bit được giải mã, ta còn có thông tin về độ tin cậy của quá trình phát hiện được biểu diễn bằng vector tỷ số LLR: (5.27) Trong đó: (5.28) Sự ước lượng LLR được thực hiện trên tất cả các giái trị quyết định của chuỗi w(g)[j]. để giảm sai số, giá trị quyết định ngõ ra được lấy trung bình theo các giá trị của bit mã hóa b(g). vậy giá trị quyết định mềm ngõ ra sẽ là: (5.29) Tỷ số LLR trong hệ thống OFDM Tỷ số LLR được định nghĩa là: (5.30) LLR có thể nhận các giá trị từ -¥ đến +¥. Với trường hợp fading trên các sóng mang phụ là phẳng và có sự hiện diện của nhiễu Gauss thì LLR của hệ thống OFDM trở thành: (5.31) Tỷ số LLR trong hệ thống MC – CDMA Trong hệ thống MC – CDMA, vector b(k) được truyền song song trên L sóng mang phụ, trong đó mỡi sóng mang phụ có thể bị ảnh hưởng một cách độc lập bởi fading của kênh truyền và nhiễu MAI. Do đó, LLR cho hệ thống OFDM không thể áp dụng cho hệ thống MC – CDMA. Trường hợp phát hiện đơn user Giá trị quyết định mềm có được ở máy thu MC – CDMA sau bộ phát hiện đơn user là: Nếu mã trải phổ đủ dài, các thành phần nhiễu có thể xem là nhiễu AWGN (theo định lý giới hạn trung tâm). Suy hao khi truyền ký hiệu phát d(k) là tổng của tất cả các hệ số cân bằng kênh truyền Gl,lHl.l, với trọng số tương ứng là |C(k)l|2. Sau bộ giải ánh xạ ký hiệu, ta nhận được các giá trị quyết định mềm (các số thực) w(k). ở đây, ta có LLR của hệ thống MC – CDMA xác định bởi: (5.32) Vì các variance ứng với các thành phần nhiễu trị số thực nên w(k) được nhân với 2. Nếu sử dụng mã Walsh – Hadamard, tích C(k)lC(k)*l , l = 0,…,L-1 (g ¹ k) nhận giá trị -1 trong một nửa số trường hợp và nhận giá trị +1 trong các trường hợp còn lại. Ngoài ra, giả sử rằng b(k) = +1 và b(k) = -1 với xác suất bằng nhau. Vậy, LLR của hệ thống MC – CDMA dùng phương pháp phát hiện đơn user sẽ là: Khi sử dụng bộ cân bằng MMSE, phương trình trên có thể xấp xỉ thành: (5.33) Trường hợp phát hiện khả năng cao nhất (Maximum Likelihood) Tỷ số LLR trong hệ thống MC – CDMA dùng phương pháp phát hiện kết hợp dùng giải thuật MLSSE được cho bởi phương trình sau: (5.34) Và được xác định cùng với quá trình ước lượng theo từng ký hiệu. gọi tập hợp các vector phát dm có thể có sao cho bit b(k) của user thứ k bằng +1 là D+(k), và tập các vector phát sao cho b(k) bằng -1 là D(k) . LLR của hệ thống MC – CDMA dùng MLSSE là: (5.35) Trong đó D2 (dm , r) là bình phương khoảng cách Euclide giữa dm và r. Với hệ thống MC – CDMA dùng phương pháp phát hiện kết hợp với giải thuật MLSE, quá trình ước lượng chuỗi không tạo ra các thông tin về độ tin cậy của từng bit phát hiện được. Tuy nhiên, có thể tính LLR theo công thức xấp xỉ sau đây: (5.37) Với D2(dm+ , r) và D2(dm- , r) lần lượt là cực tiểu của bình phương khoàng cách Euclide giữa dm và r sao cho b(k) bằng +1 và b(k) bằng -1. Triệt nhiễu giao thoa Với các máy thu MC – CDMA sử dụng phương pháp triệt giao thoa, LLR có thể được xác định cùng với quá trình phát hiện đơn user ở mỗi giai đoạn, trong đó kể từ giai đoạn thứ 2 trở đi, thành phần nhiễu MAI trong biểu thức của LLR có thể xem như bằng 0. 5.4 Kết luận chương Các bộ dò tìm đơn user có ưu điểm là sự đơn giản, một bộ dò tìm đơn user cho một người dùng không cần biết thông tin về các người dùng khác (như mã trải rộng, đặc tính kênh truyền của các người dùng khác …) tuy nhiên nó lại chịu sự tác động rất lớn của xuyên nhiễu MAI. Bảng 5.1 So sánh các phương pháp tách sóng đơn user MMSE ORC MRC EGC Luôn hoạt động tốt hơn hơn so với ORC, MRC và EGC, mặc dù nó phức tạp và nó đòi hỏi sự ước lượng công suất của nhiễu. Hiệu suất BER rất thấp vì sự gia tăng của nhiễu nền mặc dù triệt được nhiễu MAI. MRC phá vỡ tính trực giao giữa các mã trải phổ vì vậy làm tăng nhiễu MAI. - Là kỹ thuật dò tìm đơn giản nhất, nó không làm tăng nhiễu nền nhưng không triệt tiêu được nhiễu MAI do mất tính trực giao giữa các tín hiệu người dùng. Là sự thay thế tốt cho MMSE trong môi trường nhiễu nhiều Các bộ dò tìm đa user (MUD-MMSE, MUD-ZF, PIC, SIC …) tuy có mức độ phức tạp cao hơn và đòi hỏi nhiều thông tin hơn các bộ dò tìm đơn user nhưng chúng đã hạn chế được sự tác động của xuyên nhiễu MAI, chất lượng của hệ thống từ đó được nâng lên khi sử dụng các bộ dò tìm này. Bảng 5.2 So các phương pháp tách sóng đa user MMSE PIC SIC ZF - MMSE luôn cho kết quả tốt nhất khi hệ thống có nhiều người dùng - Độ hiệu quả phụ thuộc mạnh vào chất lượng của việc ước lượng MAI với can nhiễu đa truy cập được khôi phục từ hệ số kênh truyền và ước lượng dữ liệu cho các người dùng - Bộ triệt nhiễu nối tiếp không yêu cầu các phép tính số học đối với các tương quan chéo ngoài tích của chúng với biên độ thu được. - Độ phức tạp trên bit là tuyến tính theo số lượng các người dùng. - Hiệu suất không đối xứng: các người dùng có cùng công suất được giải điều chế với độ tin cậy khác nhau. - Sự cân bằng ZF khôi phục tính trực giao giữa các tín hiệu người dùng và tránh nhiễu MAI. Tuy nhiên, nó lại làm tăng nhiễu nền. - Trong môi trường ít nhiễu ZF là sự thay thế tuyệt vời cho MMSE. CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG Giao diện mô phỏng Giao diện mô phỏng được thiết kế như sau: Hình 6.1-Giao diện mô phỏng 6.2.Nội dung mô phỏng Giao diện nội dung mô phỏng được thiết kế như sau: Hình 6.2- Giao diện nội dung mô phỏng Nội dung mô phỏng bao gồm: - Đặc tính các chuỗi mã. - Đặc tính kênh truyền. - Offset tần số. - Triệt nhiễu MAI - Tách sóng đơn user trong MC-CDMA. - Tách sóng đa user trong MC-CDMA. - Hệ thống MC-CDMA. 6.3.Đặc tính các chuỗi mã Đặc tính tương quan của các chuỗi mã. Trong phần mô phỏng này ta sẽ khảo sát tính tự tương quan của các chuỗi mã, tính trực giao và tính tương quan chéo của hai chuỗi mã xác định trong các cặp chuỗi mã khác nhau. Chuỗi mã giả nhiễu Hình 6.3- Đặc tính chuỗi mã giả nhiễu Trên hình trên ta có thể thấy chuỗi mã giả nhiễu có đặc tính tự tương quan tốt tuy nhiên đặc tính tương quan chéo giữa hai chuỗi giả nhiễu trong tập có giá trị lớn, đặc tính tương quan chéo không tốt. Chuỗi mã Walsh-Hadamard Hình 6.4 biểu diễn một chu kỳ của hàm tự tương quan cho một mã Walsh-Hadamard (mã cuối cùng trong tập mã) và biểu diễn một chu kỳ cho hàm tương quan chéo của 2 mã Walsh-Hadamard (hai mã cuối cùng trong tập mã), các mã có chiều dài là L=27=128. Hình 6.4- Đặc tính chuỗi Walsh-Hadamard. Nhận xét : Qua hình 6.4 ta có thể thấy đặc tính tự tương quan và tự tương quan chéo thấp. 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. Hàm Walsh và ma trận Hadamard tạo nên một tập các hàm trực giao sữ dụng cho CDMA và được dùng theo hai cách: là mã trải phổ hoặc tạo ra các ký hiệu trực giao. Chuỗi mã Gold Hình 6.5 cho thấy đặc tính tụ tương quan và tương quan chéo của chuỗi Gold trong trường hợp các chuỗi mã Gold có chiều dài L=27-1.Với vị trí mã thứ 3 và 4 trong tập mã. Hình 6.5 -Đặc tính của chuỗi Gold. Nhận xét: Qua hình 6.5 cho thấy đặc tính tụ tương quan của chuỗi Gold không tốt nhưng đặc tính tương quan chéo lại tương đối tốt. Chuỗi mã Kasami Chuỗi Kasami có đặc tính tự tương quan và đặc tự tính tương quan chéo với chiều dài chuỗi mã là L = 28-1, với vị trí thứ 3 và thứ 4 trong chuỗi mã. Hình 6.6 -Đặc tính chuỗi Kasami. Nhận xét : Hình 6.6 cho thấy đặc tính tự tương quan và tương quan chéo của chuỗi mã Kasami tốt, nhưng số lượng mã trong tập mã kasami là rất ít. Tách sóng đơn user trong MC-CDMA Trong giao diện mô phỏng đã thể hiện rõ các thông số được sử dụng như: kỹ thuật dò tìm, môi trường nhiễu, mả trải phổ… Trong phần mô phỏng này, nhóm thực hiện đề tài sử dụng chung một mã trải phổ Walsh-Hadamard vì nó có tính trực giao tốt nhất, các phương pháp tách sóng được sử dụng là: Bảng 6.1 Các phương pháp tách sóng đơn user dùng trong mô phỏng SUP MRC EGC ZF MMSE SUD MRC EGC ZF MMSE Mô phỏng BER trong MC-CDMA tuyến xuống theo Eb/N0 Trong tuyến xuống, dữ liệu của người dùng bị tác động như nhau bởi kênh truyền.Hơn nữa như đề cập trước đây sự tác động của kênh truyền trên từng sóng mang trong hệ thống MC-CDMA là fading phẳng, ở đây để đơn giản, nhóm thực hiện xét các phương pháp dò tìm đơn user cho từng sóng mang. Hình 6.7 –Đặc tính BER theo Eb/N0 trong tuyến xuống. Nhận xét: Tỉ lệ lỗi bit BER theo Eb/N0 cho các kỹ thuật dò tìm đơn user cân bằng MRC, EGC, ZF, và MMSE trong hệ thống MC-CDMA được minh họa trên Hình 6.10. Các kết quả cho thấy với một hệ thống MC-CDMA, phương pháp MMSE cho kết quả tốt hơn các phương pháp tách sóng đơn user khác. Phương pháp MRC cho kết quả xấu nhất trong các phương pháp. Phương pháp ZF lúc đầu có BER cao hơn EGC, nhưng khi Eb/N0[dB]= 10 thì BER của nó giảm dần và thấp hơn rất nhiều so với EGC, tuy nhiên nó vẫn cao hơn rất nhiều so với phương pháp MMSE, nên nó không phải là phương pháp tối ưu nhất. Hình 6.8 –Đặc tính BER theo user trong tuyến xuống. Nhận xét: Qua hình 6.8 ta có thể nhận thấy trong trường hợp hệ thống MC-CDMA tuyến xuống chỉ có một người dùng tích cực thì phương pháp tách sóng MRC cho kết quả tốt nhất, tuy nhiên chất lượng của hệ thống khi sử dụng bộ dò tìm này cũng nhanh chóng suy giảm khi số người dùng tích cực tăng lên. Với phương pháp EGC, chất lượng của hệ thống cũng giảm nhanh khi số người dùng tăng lên hay nói theo một cách ngược lại chất lượng của hệ thống tăng nhanh khi số người dùng tích cực giảm đi. Chất lượng của hệ thống thay đổi rất ít khi số người dùng tích cực thay đổi trong hệ thống MC-CMA tuyến xuống sự dụng phương pháp ZF, tỷ số BER của nó luôn giữ ổn định ở mức cao. Đối với hệ thống có nhiều người sử dụng ( số người dùng tích cực lớn hơn 2) thì bộ dò tìm có bộ cân bằng MMSE cho kết quả tốt nhất trong số bốn bộ dò tìm đơn user. Đặc tính BER trong tuyến lên với các phương pháp dò tìm đơn user theo E0/N0 Đối với tuyến lên, sự tác động của kênh truyền lên tín hiệu của những người dùng khác nhau là khác nhau. Trong phần mô phỏng này mỗi người dùng có một kênh truyền Rayleigh không tương quan. Hình 6.9 - Đặc tính BER theo Eb/N0 trong tuyến lên. Các kết quả cho thấy với sự cân bằng MMSE cho kết quả tốt hơn các kỹ thuật dò tìm đơn user khác. EGC không làm tăng nhiễu nền nhưng không triệt tiêu nhiễu MAI (do mang tính trực giao giữa các tín hiệu người dùng), cho kết quả tốt hơn MRC và ZF. Chất lượng của hệ thống thay đổi rất ít khi số người dùng tích cực thay đổi trong hệ thống MC-CMA tuyến xuống sự dụng bộ dò tìm có bộ cân bằng MRC. Sự cân bằng ZF cho kết quả xấu nhất trong bốn phương pháp, nó cho tỷ số BER rất cao. Hình 6.10 - Đặc tính BER theo user trong tuyến lên Nhận xét: Qua hình 6.10 ta có thể nhận thấy trong trường hợp hệ thống MC-CDMA tuyến lên với bộ cân bằng MMSE cho kết quả tốt hơn các kỹ thuật dò tìm đơn user khác, BER của nó luôn giữ ở mức thấp và tăng rất chậm so với các phương pháp MRC, EGC, ZF. Khi chỉ có 1 user, phương pháp MRC,ZF,MMSE, có tỷ số BER gần như bắng nhau, và phương pháp EGC thể hiện là phương pháp kém nhất khi nó có tỷ số BER cao hơn nhiều so với các phương pháp khác. Khi số user tăng lên, phương pháp MRC và ZF đã tăng tỷ số BER rất nhanh, (gần bằng 10-1) cho thấy chất lượng hệ thống bị suy giảm rất nhiều khi dùng 2 phương pháp này. Còn phương pháp EGC cũng tăng lên nhưng khi số user càng tăng (cụ thể là ở mức 5 user ) thì nó có tỷ số BER thấp hơn nhiều so với 2 phương pháp trên. Tách sóng đa user trong MC-CDMA Trong phần mô phỏng này, nhóm thực hiện đề tài sử dụng chung một mã trải phổ Walsh-Hadamard vì nó có tính trực giao tốt nhất, các phương pháp tách sóng được sử dụng là: Bảng 6.2 Các phương pháp tách sóng đa user dùng trong mô phỏng MUP ZF MMSE MUD ZF MMSE Hình 6.11a - Đặc tính BER theo Eb/N0 trong tuyến xuống Hình 6.11b- Đặc tính BER theo Eb/N0 trong tuyến lên Từ hai hình trên ta thấy: Tỉ lệ lỗi bit BER theo Eb/N0 cho các kỹ thuật dò tìm đa user ZF, và MMSE trong hệ thống MC-CDMA được minh họa trên Hình 6.11a và 6.11b. Các kết quả cho thấy với một hệ thống đầy tải ở cả tuyến lên lẫn tuyến xuống thì sự cân bằng MMSE cho kết quả tốt hơn kỹ thuật dò tìm đa user ZF. Hình 6.12a- Đặc tính BER theo users trong tuyến xuống Hình 6.12b - Đặc tính BER theo users trong tuyến lên Từ hai hình trên ta thấy: Tỉ lệ lỗi BER theo thông số user cho các kỹ thuật dò tìm đa user ZF, và MMSE trong hệ thống MC-CDMA được minh họa trên Hình 6.12a và 6.12b. Các kết quả cho thấy với một hệ thống đầy tải sự cân bằng MMSE cho kết quả tốt hơn kỹ thuật dò tìm đa user ZF. Ở tuyến lên, Khi chỉ có 1 user, tỷ lệ lỗi BER tương đương nhau là: 10-4, nhưng khi số user tăng dần thì phương pháp MUP-ZF có tỷ lệ lỗi BER tăng nhanh hơn, cụ thể là ở mức 8 users, BER của MUP-ZF hơn 10-1 thì BER của MUP-MMSE chỉ hơn 10-2 Ở tuyến xuống, BER của MUD-MMSE tăng chậm, còn BER của MUD-ZF gần như không thay đổi và giữ ở mức cao. Nhận xét chung: Hệ thống MC-CDMA bằng việc sử dụng nhiều sóng mang phụ đã làm “chậm” lại tốc độ ký tự dữ liệu trên các sóng mang phụ và nhờ vào các khoảng bảo vệ đã giúp loại bỏ ISI và ICI làm cho trên từng sóng mang phụ chỉ còn chịu sự tác động của fading phẳng, từ đó ta có thể sử dụng nhiều kỹ thuật dò tìm đơn giản cho hệ thống này. Trong số các bộ dò tìm đơn user cho hệ thống MC-CDMA thì MRC cho kết quả tối ưu trong tuyến lên. Đối với tuyến xuống, MRC chỉ cho kết quả tốt khi hệ thống chỉ có một người dùng, MMSE luôn cho kết quả tốt nhất khi hệ thống có nhiều người dùng và cũng là phương pháp tối ưu nhất, EGC là bộ dò tìm đơn giản nhất trong số bốn bộ dò tìm và là sự thay thế tốt cho MMSE trong môi trường nhiễu nhiều, trong môi trường ít nhiễu ZF là sự thay thế tuyệt vời cho MMSE. Các bộ dò tìm đơn user có ưu điểm là sự đơn giản, một bộ dò tìm đơn user cho một người dùng không cần biết thông tin về các người dùng khác (như mã trải rộng, đặc tính kênh truyền của các người dùng khác …) tuy nhiên nó lại chịu sự tác động rất lớn của xuyên nhiễu MAI. Các bộ dò tìm đa user (MUD-MMSE, MUD-ZF, PIC, SIC …) tuy có mức độ phức tạp cao hơn và đòi hỏi nhiều thông tin hơn các bộ dò tìm đơn user nhưng chúng đã hạn chế được sự tác động của xuyên nhiễu MAI, chất lượng của hệ thống từ đó được nâng lên khi sử dụng các bộ dò tìm này. 6.6 Hệ thống MC-CDMA 6.6.1 Máy phát Hình 6.13 - Giao diện mô phỏng Hình 6.14 - Sơ đồ khối mô phỏng máy phát Trong đó: T/P user 1: trải phổ cho user 1 T/P user 2: trải phổ cho user 2 Hình 6.15a – Dạng sóng ngõ vào của user 1 Hình 6.15b – Dạng sóng ngõ vào của user 2 Hình 6.16a – Dạng sóng Mã hóa TURBO cho user 1 Hình 6.16b – Dạng sóng Mã hóa TURBOR cho user 2 Hình 6.17a – Dạng sóng khi chuyển đổi S/P cho user 1 Hình 6.17b – Dạng sóng khi chuyển đổi S/P cho user 2 Hình 6.18a – Chuổi Walsh – Hadamard cho user 1 Hình 6.18b – Chuổi Walsh – Hadamard cho user 2 Hình 6.19a – Dạng sóng sau khi trải phổ của user 1 Hình 6.19b – Dạng sóng sau khi trải phổ của user 2 Hình 6.20 Dạng sóng sau khi ghép kênh Hình 6.21 QAM-16 Hình 6.22 Tín hiệu sau khi qua IFFT Hình 6.23a Phổ và mật độ công suất phổ tín hiệu sau khi qua bộ D/A Hình 6.23b Pha và biên độ tín hiệu điều chế sau khi qua bộ lọc thông thấp Hình 6.23c Đáp ứng của bộ lọc thông thấp Hình 6.24a Phổ của OFDM Hình 6.24b Mật độ phổ công suất dự đoán Hình 6.24c Tín hiệu phát đi 6.6.2 Máy thu Hình 6.25 Sơ đồ khối máy thu MC-CDMA Trong đó: G/QAM: Giải điều chế QAM G/GK: Giải ghép kênh GTP: Giải trải phổ Hình 6.26a Phần thực và phần ảo của tín hiệu thu Hình 6.26b Phổ và mật độ phổ công suất của tín hiệu thu Hình 6.27a Tín hiệu thu sau khi qua bộ lọc Hình 6.27b Phổ và mật độ phổ của tín hiệu sau khi qua bộ lọc Hình 6.28a Phần thực và phần ảo của tín hiệu thu sau khi lấy mẫu Hình 6.28b Phổ và mật độ phổ của tín hiệu công suất sau bộ chuyển đổi A/D Hình 6.29 Tín hiệu điều chế QAM 16 Hình 6.30 Tín hiệu giải điều chế QAM 16 Hình 6.31 Giải ghép kênh Hình 6.32a Chuyển đổi S/P cho user 1 Hình 6.32b Chuyển đổi S/P cho user 2 Hình 6.33a Giải trải phổ user 1 Hình 6.33b Giải trải phổ user 2 Hình 6.34a Chuyển đổi P/S cho user 1 Hình 6.34a Chuyển đổi P/S cho user 1 Hình 6.35a Dạng sóng nhận được của user 1 Hình 6.35b Dạng sóng nhận được của user 2 CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 7.1 Kết luận 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 cho hệ thống thông tin di động trong tương lai. Chính vì vậy, việc tìm hiểu về các phương pháp tách sóng trong hệ thống MC – CDMA là cần thiết và có ý nghĩa thực tế. Trong đồ án này, nhóm thực hiện đã đề cập một cách tổng quan về kỹ thuật CDMA, OFDM và kết hợp hai kỹ thuật CDMA với OFDM thành kỹ thuật mới gọi là MC-CDMA Và nêu lên được những ưu điểm, khuyết điểm của kỹ thuật MC-CDMA. Từ những ưu điểm của MC-CDMA đem lại khắc phục những khuyết điểm của công nghệ CDMA và kỹ thuật OFDM, trình bày và phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp tách sóng trong phần lý thuyết cũng như trong phần mô phỏng. Tuy nhiên, trong quá trình tìm hiểu về phương pháp tách sóng trong hệ thống MC-CDMA, nhóm thực hiện chỉ mô phỏng được 2 trong các phương pháp tách sóng đa user là phương pháp ZF và phương pháp MMSE do còn hạn chế về thời gian và kiến thức chuyên môn, đồng thời nhóm cũng không thể tránh được những thiếu sót nhất định. Nhóm thực hiện sẽ cố gắng tím hiểu thêm và khắc phục những thiếu sót. 7.2 Hướng phát triển đề tài +Tìm hiểu về ứng dụng kỹ thuật MC-CDMA trong việc cải thiện chất lượng đường truyền, sử dụng tín hiệu CI trong hệ thống MC-CDMA. + Xây dựng hệ thống thông tin kết hợp giữa kỹ thuật MC-CDMA và anten thôngminh để cải thiện chất lương kênh truyền tốt hơn. PHẦN C Phụ lục Phụ lục A LƯU ĐỒ CỦA CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG Lưu đồ tính BER trong các phương pháp tách sóng (đơn user và đa user) Bắt Đầu Thiết lập Eb/No, số User, mã WH Lựa chọn tuyến lên hay tuyến xuống Lựa chọn các phương pháp tách sóng Tính BER Số bit lỗi i=0 i = i+1 i= length BER = số bit lỗi/length Kết thúc Đ S Lưu đồ máy phát Lưu đồ máy thu Tài liệu tham khảo Tiếng Anh: [1]. 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. [2]. Armad R.S. Bahai, Burton R. Saltzberg, Mustafa Ergen, Multi-carrier Digital Communications - Theory and Applications Of OFDM, Second Edition. [3]. Richard van Nee & Ramjee Prasad, OFDM for Wireless Multimedia Communications, Artech House, Boston * London, 1999. Tiếng Việt: [4]. Nguyễn Phạm Anh Dũng, Lý thuyết trải phổ và đa truy cập vô tuyến, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, 2006 [5]. Trần Thế Danh & Nguyễn Văn Hùng, Thông tin vô tuyến di động ứng dụng kỹ thuật MC-CDMA, Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học, Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, 2003. [6]. Lương Hồng Quang, Khảo sát lọc thích nghi CDMA và mô phỏng bằng Matlab, Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học, Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, 2001. [7]. Nguyễn Trần Quang Huy & Hồ Kim Trí, Thông tin di động CDMA, Luận Văn Tốt Nghiệp Đại Học, Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, 2002. [8]. Dương Tử Cường, Xử lý tín hiệu số, Nhà Xuất Bản Khoa Học và Kỹ Thuật, 2001, trang 268.