Giải pháp kết hợp CDMA /OFDM cho hệ thống thông tin di động

Tài liệu tham khảo chuyên ngành tin học Giải pháp kết hợp CDMA /OFDM cho hệ thống thông tin di động

LỜI CAM ĐOANTừ những kiến thức cũng như những ứng dụng thực tế, qua thời gian được học trong giai đoạn đại học và cao học tại trường đại học Bách Khoa Hà Nội, được sự đồng ý và hướng dẫn của TS. Đào Ngọc Chiến, tôi đã tìm hiểu thêm các sách báo, tạp trí cũng như tài liệu trên mạng, từ đó tập hợp thông tin để hoàn thành quyển luận văn này. Tôi xin cam đoan nội dung luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép từ bất kỳ luận văn nào khác. Do trình độ có hạn nên bản luận văn này không tránh khỏi có những sai sót, rất mong được các thầy cô góp ý kiến.Tôi xin cam đoan những điều trên là đúng sự thật, nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm.Hà Nội, ngày 19 tháng 11 năm 2008.Học viênNguyễn Tiền Phương1 TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂNTrong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin là một nhu cầu thiết yếu. Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi lúc, mọi nơi. Nhu cầu này ngày càng lớn nên số lượng khách hàng sử dụng thông tin di động ngày càng tăng, các mạng thông tin di động vì thế được mở rộng ngày càng nhanh. Chính vì vậy, cần phải có các biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động hiện có. Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đó với những đặc điểm nổi trội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau…Đồng thời kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) với ưu điểm truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thông, hệ thống ít phức tạp. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, ý tưởng về kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã MC-CDMA (Multi Carrier-CDMA) đã ra đời, dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM. MC-CDMA kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM. Chính vì vậy, MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động trong tương lai.Nội dung luận văn gồm bốn phần:Phần 1: Lý thuyết về kênh vô tuyếnNội dung của phần 1 trình bày khái quát các cơ sỏ lý thuyết về kênh truyền vô tuyến, qua đó ta có thể biết được các đặc điểm của môi trường truyền sóng vô tuyến, các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền, 2 để qua đó tìm biện pháp cải thiện, nâng cao chất lượng truyền dẫn dữ liệu qua kênh vô tuyến.Phần 2: Điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDMNội dung của phần 2 trình bày các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật OFDM, qua đó ta có thể biết được sơ đồ nguyên lý, cách thức hoạt động, các kỹ thuật sủ dụng trong điều chế OFDM, cũng như ưu, nhược điểm của phương pháp này. Phần 3: Kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa song mang phân chia theo mã (MC-CDMA)Nội dung của phần 3 trình bày các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật CDMA, phương thức kết hợp 2 công nghệ CDMA và OFDM, qua đó ta có thể biết được sơ đồ nguyên lý, cách thức hoạt động, các kỹ thuật sủ dụng trong kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã MC-CDMA. Phần 4: Hệ thống cải thiện hiệu suất thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA/OFDMTrong phần này sẽ trình bày sơ đồ nguyên lý của một hệ thống thông tin di động sử dụng kết hợp 2 công nghệ CDMA, OFDM và những kết quả mô phỏng đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống này so với các công nghệ hiện tại.3 MỤC LỤCTrang LỜI CAM ĐOAN 1 TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN 2 MỤC LỤC 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5 DANH MỤC HÌNH VẼ 8 DANH MỤC BẢNG BIỂU 11 MỞ ĐẦU 11 1 LÝ THUYẾT VỀ KÊNH VÔ TUYẾN 13 ĐIỀU CHẾ PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO - OFDM 37 KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP KÊNH TRUYỀN ĐA SÓNG MANG PHÂN CHIA THEO MÃ (MC – CDMA ) 64 HỆ THỐNG CẢI THIỆN HIỆU SUẤT CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CDMA/OFDM 82 KẾT LUẬN 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT1 ACF Autocorrelation Function Hàm tự tương quan2 AWGN Additive White Gaussian NoiseTạp âm Gaussian trắng cộng3 BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít4 BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân5 BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc6 CD Conventional Detection Tách song thong thường7 CDMA Code Division Multiple AccessĐa truy nhập phân chia theo mã8 CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh truyền9 CSI Channel State Indentify Nhận dạng trạng thái kênh10 DAB Digital Audio Broadcasting Truyền thanh số quảng bá11 DC Direct Current Dòng 1 chiều12 DEV Device Thiết bị13 DS Direct Sequence Chuỗi trực tiếp14 DSSS Direct Sequence Spread SpectrumTrải phổ chuỗi trực tiếp15 DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá16 FCC Federal Communications Commission, USAỦy ban truyền thông liên bang của Mỹ17 FD Frequency Domain Miền tần số18 FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hướng đi19 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn20 FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh21 FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn22 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu23 ICI Inter-Channel Interference Nhiễu xuyên kênh24 IF Intermediate Frequency Tần số trung gian25 IFFT Inverse Fast Fourier TransformBiến đổi Fourier nhanh ngược26 IR Impulse Radio Xung vô tuyến27 IS Interference Suppression Khử nhiễu28 ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự29 LNA Low Noise Amplifier Khuếch đại tạp âm thấp30 LO Local Oscilator Bộ tạo dao động nội bộ5 31 LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng32 MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập đường truyền33 MC Multi Carrier Đa sóng mang34 MC-CDMAMulti Carrier Code Division Multiple AccessĐa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã35 MLD Maximum Likelihood DetectionTách sóng tối ưu36 MLSE Maximum Likehood Sequence EstimationƯớc lượng chuỗi giống nhất37 MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỉ số tối đa38 MSE Mean-Square-Error Tỉ số lỗi trung bình bình phương39 MUD Multi User Detection Tách sóng đa người dung40 NBI Narrow Bandwith InterferenceNhiễu băng hẹp41 OCDM Orthogonal Code Division MultiplexingGhép kênh phân chia theo mã trực giao42 OFDM Orthogonal Frequency Division MultiplexingGhép kênh phân chia theo tần số trực giao43 OOK On Off Keying Khóa đóng mở44 PAM Pulse Amlitude Modulation Điều chế biên độ xung45 PDF Power Density Function Hàm mật độ công suất46 PG Processing Gain Độ lợi xử lý47 PHY Physical layer Lớp vật lý48 PN Pseudo-random Noise Tạp âm giả ngẫu nhiên49 PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung50 PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất51 PSM Pulse Shape Modulation Điều chế dạng xung52 QAM Quadrature Amplitude ModulationĐiều chế biên độ cầu phương53 QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ54 QPSK Quadrature Phase Shift KeyingKhóa dịch pha cầu phương55 RF Radio Frequency Tần số vô tuyến56 RMS Root Mean Square57 RX Receiver Thiết bị thu58 SNR Signal - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm59 SS Spread Spectrum Trải phổ60 SUD Single User Detection Tách sóng đơn người dung61 SV Saleh-Valenzuela Channel ModelMô hình kênh Saleh-Valenzuela62 TD Time Domain Miền thời gian6 63 TDMA Time Division Multiple AccessDđa truy nhập phân chia theo thời gian64 TH Time-Hopping Nhảy thời gian65 UWB UltraWide Bandwith Băng thông siêu rộng66 WH Walsh-Hadamard Mã trực giao WH67 WLAN Wireless Lan Area Networks Mạng cục bộ không dây68 WPAN Wireless Personal Area NetworksMạng cá nhân không dây69 WSSUS Wide Sense Stationary Uncorrelation SystemHệ thống phi tương quan dừng theo nghĩa rộng7 DANH MỤC HÌNH VẼHÌNH 1.1: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA HỆ THỐNG TRUYỀN TIN14HÌNH 1.2A. KÊNH TRUYỀN CHỌN LỌC TẦN SỐ (F0 <W) 16HÌNH 1.2B. KÊNH TRUYỀN FADING PHẲNG (F0 >W) 16HÌNH 1.3: HIỆU ỨNG DOPPLER KHI MÁY THU DỊCH CHUYỂN 22HÌNH 1.4: SỰ PHỤ THUỘC THỜI GIAN CỦA BIÊN ĐỘ FADING CHO 23 TẦN SỐ DOPPLER TỐI ĐA 50HZ 23HÌNH 1.5: PHỤ THUỘC THỜI GIAN CỦA KÊNH 2 ĐƯỜNG 26HÌNH 1.6: PHỔ DOPPLER RỜI RẠC (A) VÀ LIÊN TỤC (B) 28HÌNH 1.7: PHỔ DOPPLER JAKES THEO PHÂN BỐ CÔNG SUẤT ĐẲNG HƯỚNG 28HÌNH 1.8: PHỔ CÔNG SUẤT TRỄ RỜI RẠC (A) VÀ LIÊN TỤC (B) 32HÌNH 2.1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG VỚ NC=4 KÊNH CON. 38HÌNH 2.2: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA TRUYỀN DẪN ĐA SÓNG MANG. GIẢI PHÁP 1 398 HÌNH 2.3: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA TRUYỀN DẪN ĐA SÓNG MANG. GIẢI PHÁP 2 41HÌNH 2.4: PHỔ ĐA SÓNG MANG 43HÌNH 2.5: HÌNH DẠNG CHỒNG LẤN PHỔ TRỰC GIAO CỦA OFDM. 44HÌNH 2.6: THỰC HIỆN OFDM BẰNG FFT 46HÌNH 2.7: OFDM CÓ THÊM KHOẢNG BẢO VỆ 47HÌNH 2.8: OFDM VỚI KHOẢNG BẢO VỆ: (A) XUNG TRUYỀN DẪN, (B) XUNG TÁCH SÓNG. 48HÌNH 2.9: PHỔ MẬT ĐỘ CÔNG SUẤT TÍN HIỆU OFDM CÓ KHOẢNG BẢO VỆ 54HÌNH 2.10: MẶT NẠ PHỔ CHO HỆ THỐNG OFDM. 55HÌNH 2.11: PHỔ CỦA TÍN HIỆU OFDM KHI SỬ DỤNG BỘ LỌC BUTTERWORTH BẬC 5 VÀ BẬC 10. 55HÌNH 2.12: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA BỘ PHÁT ĐA SÓNG MANG 58HÌNH 2.14: SƠ ĐỒ TẠO TÍN HIỆU I VÀ Q VỚI 2 BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ ANALOG. 61HÌNH 2.15: SƠ ĐỒ TẠO TÍN HIỆU I VÀ Q SỬ DỤNG BỘ LỌC FIRVÀ BỘ GIẢI ĐIỀU CHẾ ĐƠN 62HÌNH 3.1: MẠCH THANH GHI DỊCH ĐỂ TẠO CHUỖI PN67HÌNH 3.2. QUÁ TRÌNH TRẢI PHỔ VÀ NÉN PHỔ TRONG KỸ THUẬT CDMA 699 HÌNH 3.3. SƠ ĐỒ MÁY THU RAKE 70HÌNH 3.4. SƠ ĐỒ KHỐI MÁY PHÁT MC – CDMA 72HÌNH 3.5. SƠ ĐỒ KHỐI MÁY THU MC – CDMA ỨNG VỚI USER K 73HÌNH 3.6. SƠ ĐỒ MÁY PHÁT MC – CDMA ỨNG VỚI USER THỨ J 74HÌNH 3.7 . PHỔ CÔNG SUẤT CỦA TÍN HIỆU MC – CDMA 74HÌNH 3.8. SƠ ĐỒ MÁY PHÁT MC – CDMA SỬA ĐỔI ỨNG VỚI USER THỨ J 75HÌNH 3.9. SƠ ĐỒ MÁY THU MC – CDMA CHO USER THỨ J 75HÌNH 3.10: MÔ HÌNH BỘ THU SỬ DỤNG KỸ THUẬT SUD 76HÌNH 3.11: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PHƯƠNG PHÁP LỰA CHỌN PHÙ HỢP 77HÌNH 3.12: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA PHƯƠNG PHÁP MRC 78HÌNH 4.1: CẤU TRÚC TRUYỀN SÓNG DỰA TRÊN CÔNG NGHỆ CDMA/OFDM 83HÌNH 4.2: SO SÁNH 2 HỆ THỐNG OFDM VÀ CDMA/OFDM 89HÌNH 4.3: HIỆU SUẤT CỦA HỆ THỐNG CDMA/OFDM VỚI PHƯƠNG PHÁP 9210 [...]... của hệ thống Chính vì vậy, MC -CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động trong tương lai Do vậy, tôi đã quyết định chọn luận văn thạc sĩ khoa học với đề tài: Giải pháp kết hợp CDMA/ OFDM cho hệ thống thông tin di động dưới sự hướng dẫn của TS Đào Ngọc Chiến Luận văn sẽ đi sâu nghiên cứu, mô 13 phỏng về giải pháp cải thiện hiệu suất của hệ thống thông tin di động dựa trên công nghệ... người khả năng thông tin mọi lúc, mọi nơi Nhu cầu này ngày càng lớn nên số lượng khách hàng sử dụng thông tin di động ngày càng tăng, các mạng thông tin di động vì thế được mở rộng ngày càng nhanh Chính vì vậy, cần phải có các 12 biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động hiện có Hệ thống CDMA ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đó Hơn... SÓNG THÔNG THƯỜNG 92 HÌNH 4.4: SO SÁNH HIỆU SUẤT CỦA HỆ THỐNG CDMA/ OFDM VỚI 2 PHƯƠNG PHÁP 93 TÁCH SÓNG MLD, CD 93 HÌNH 4.5: SO SÁNH 2 HỆ THỐNG CDMA/ MRC CDMA/ OFDM VÀ 94 DANH MỤC BẢNG BIỂU BẢNG 1.1: TẦN SỐ DOPPLER ỨNG VỚI CÁC TỐC ĐỘ KHÁC NHAU 22 MỞ ĐẦU Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin là một nhu cầu thiết yếu Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông. .. dựa trên công nghệ CDMA kết hợp OFDM (MC -CDMA) Luận văn gồm 4 chương: Chương I: Lý thuyết về kênh vô tuyến Chương II: Điều chế phân chia theo tần số trực giao (OFDM) Chương III: Hệ thống đa truy nhập kênh truyền đa song mang phân chia theo mã (MC CDMA: Multi Carrier Code Division Multiplexing Access) Chương IV: Hệ thống cải thiện hiệu suất cho thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA /OFDM Bên cạnh đó,... hình chức năng của hệ thống thông tin vô tuyến điển hình: 14 Nguồn tin Mã hóa nguồn Mã hóa kênh Đa truy nhập Điều chế Máy phát x(t ) Kênh truyền Nhận tin Giải mã nguồn Giải mã kênh Đa truy nhập Giải điều chế Máy thu y (t ) Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống truyền tin Trong đó, kênh truyền là phương tiện truyền dẫn tín hiệu mang tin từ bên phát sang bên thu Đối với hệ thống thông tin vô tuyến, kênh... tần số, tiết kiệm băng thông, hệ thống ít phức tạp do việc điều chế và giải điều chế đa song mang bằng giải thuật IFFT và FFT Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, ý tưởng về kỹ thuật MCCDMA đã ra đời, dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM MC -CDMA kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM: tốc độ truyền cao, tính bền vững với fading chọn lọc tần số, sử dụng băng thông hiệu quả, tính... được gọi là fading chậm, đối ngược với fading nhanh được xem xét ở đây Fading chậm luôn được quan tâm ngay từ đầu khi tiến hành quy hoạch mạng nhưng với sự phân tích hoạt động của hệ thống thông tin, ta sẽ phải tập trung vào fading nhanh vì thế giả thiết môi trường là không đổi trong khoảng thời gian cần thiết để tiến hành tính toán, ví dụ, tốc độ lỗi bit Quá trình ngẫu nhiên c(t) được cho bởi biểu... có thể sẽ làm suy giảm đáng kể hoạt động của hệ thống Để tránh sự suy giảm này của hệ thống do ICI hoặc nhiều hơn nữa máy thu phức tạp với khả năng lượng tử hóa ICI, không gian sóng mang con Fs cần phải được lựa chọn sao cho: Fs = fDmax (1.34) Do vậy ảnh hưởng do trải phổ Doppler có thể được loại bỏ Giải pháp này tương ứng với nguyên lý của OFDM Dù sao, nếu một hệ thống đa sóng mang có trải phổ Doppler... đó ak là hệ số suy hao, τ k là trễ truyền dẫn của tuyến thứ k và N là số tuyến truyền dẫn 1.4.1.2 Mô hình quá trình dừng theo nghĩa rộng tán xạ không tương quan (WSSUS) Xét một hệ thống tuyến tính, đầu ra r(t) ứng với đầu vào s(t) của hệ thống này được biểu di n bởi biểu thức: r (t ) = ∞ ∫ k (t , t ′)s(t ′)dt ′ (1.2) −∞ với k (t , t ′) được gọi là đặc trưng đầy đủ (integral kernel) của hệ thống Điều... Điều này sẽ dẫn đến một kiểu nhiễu, nhiễu này phụ thuộc vào tần số, vị trí (đối với máy thu di động) và thời gian Máy thu di động di chuyển qua một mẫu nhiễu, mẫu nhiễu này có thể thay đổi trong khoảng miligiây và mẫu nhiễu này sẽ biến đổi trên dải thông truyền dẫn Khi đó ta có thể đặc tính hóa kênh vô tuyến di động bởi sự phụ thuộc thời gian và sự phụ thuộc tần số Sự phụ thuộc thời gian được xác định . tin di động sử dụng công nghệ CDMA/ OFDMTrong phần này sẽ trình bày sơ đồ nguyên lý của một hệ thống thông tin di động sử dụng kết hợp 2 công nghệ CDMA, . Giải pháp kết hợp CDMA/ OFDM cho hệ thống thông tin di động dưới sự hướng dẫn của TS. Đào Ngọc Chiến. Luận văn sẽ đi sâu nghiên cứu, mô 12 phỏng về giải