Tối ưu số cell trong tính toán mạng di động CDMA 2.doc

Tài liệu tham khảo ngành tin học Tối ưu số cell trong tính toán mạng di động CDMA

Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ 2.1 Giới thiệu chương Ở hệ thống thông tin thông thường, độ rộng băng tần vấn đề quan tâm hệ thống thiết kế để sử dụng độ rộng băng tần hẹp tốt Tuy nhiên, hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần tín hiệu mở rộng, thường lớn gấp trăm lần trước phát Khi có người sử dụng băng tần SS (Spread Spectrum - Trải phổ), sử dụng băng tần không hiệu Nhưng môi trường nhiều người sử dụng, họ sử dụng chung băng tần SS hệ thống trở nên sử dụng băng tần có hiệu suất mà trì ưu điểm trải phổ Trong chương trình bày ba kỷ thuật trải phổ là: kỷ thuật trải phổ trực tiếp, kỷ thuật trải phổ dịch tần, kỷ thuật trải phổ dịch thời gian hệ thống trải phổ trực tiếp (DS/SS) 2.2 Các hệ thống trải phổ 2.2.1 Hệ thống trải phổ trực tiếp (DS) Hệ thống DS/SS trải phổ cách nhân tín hiệu nguồn với tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip (Rc=1/Tc, Tc thời gian chip) cao nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb thời gian bit) Ở hệ thống DS/SS nhiều người sử dụng dùng chung băng tần phát tín hiệu họ đồng thời Máy thu sử dụng mã giả ngẫu nhiên xác để lấy tín hiệu mong muốn cách giải trải phổ Đây hệ thống biết đến nhiều hệ thống thơng tin trải phổ Chúng có dạng tương đối đơn giản chúng khơng u cầu tính ổn định nhanh tốc độ tổng hợp tần số Hình 2.1 miêu tả điều chế DS điển hình Dãy mã đưa vào điều chế cân để có đầu sóng mang RF điều chế Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ Sóng mang đầu vào fc Bộ trộn cân fc + G(c) Điều chế hai pha đầu G(c) Dãy mã đầu vào Hình 2.1 Trải phổ trực tiếp (DS) 2.2.2 Hệ thống dịch tần (FH) Trong hệ thống kiểu nhảy tần, mã giả tạp âm sử dụng để điều khiển tổng hợp tần số Tại thời điểm nhảy tần, tạo mã giả tạp âm đưa đoạn gồm k chip mã điều khiển tổng hợp tần, đoạn k chip mã gọi từ tần số, điều khiển từ tần số tổng hợp tần số nhảy sang hoạt động tần số tương ứng với giá trị từ tần số Nói cách xác điều chế FH "sự chuyển dịch tần số nhiều tần số chọn theo mã" Nó gần giống FSK việc dải chọn lọc tần số tăng lên FSK đơn giản sử dụng tần số phát tín hiệu f1 có ký hiệu f2 khơng có ký hiệu Mặt khác FH sử dụng vài nghìn tần số Trong hệ thống thực tế chọn lọc ngẫu nhiên 20 tần số phân bổ chọn nhờ tổ hợp mã theo thông tin chuyển dịch tần số Trong FH khoảng dịch tần số số lượng tần số chọn được xác định phụ thuộc vào yêu cầu vị trí việc lắp đặt cho mục đích đặc biệt Hình 3.2 đưa sơ đồ khối truyền dẫn dịch tần Tần số fn fn-1 fn-2 f3 f2 f1 t Tc 2Tc Hình 2.2 Trải phổ nhảy tần (FH/SS) Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ Tín hiệu FH thu tổ hợp với tín hiệu giống tạo chỗ quy định độ lệch tần định f if {f1 + f2, fn} x {f1 + f IF + f2 + f IF, , fm + f IF} tạo trước trạng thái đồng mã cố định máy phát máy thu Trong trường hợp tín hiệu khơng trùng khớp với tín hiệu tạo chỗ hệ thống DS tín hiệu tạo chỗ độ rộng băng không cần thiết sau nhân tần số chuyển đổi thành tín hiệu với tín hiệu tạo chỗ hệ thống DS tín hiệu tạo chỗ độ rộng băng không cần thiết sau nhân tần số chuyển đổi thành tín hiệu với tín hiệu tạo chỗ nhờ việc thay đổi tín hiệu tạo chỗ tín hiệu khơng mong muốn Tín hiệu khơng đồng với băng tần tín hiệu tạo chỗ có độ rộng băng gấp đôi tần số trung tâm 2.2.3 Hệ thống dịch thời gian Dịch thời gian tương tự điều chế xung Nghĩa là, dãy mã đóng/mở phát, thời gian đóng/mở phát chuyển đổi thành dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên theo mã Sự khác nhỏ so với hệ thống FH đơn giản tần số truyền dẫn biến đổi theo thời gian chip mã hệ thống FH dịch chuyển tần số xảy trạng thái dịch chuyển dãy mã hệ thống TH Hình 3.3 sơ đồ khối hệ thống TH Ta thấy điều chế đơn giản dạng sóng cho phép điều chế xung theo mã sử dụng điều chế TH TH làm giảm giao diện hệ thống hệ thống ghép kênh theo thời gian mục đích mà xác thời gian yêu cầu hệ thống nhằm tối thiểu hoá độ dơ máy phát Mã hoá nên sử dụng cách cẩn thận tương đồng đặc tính sử dụng phương pháp hệ thống thơng tin mã hố khác Do hệ thống TH bị ảnh hưởng dễ Khe thời gian phát (k bit) Một khung dàng giao thoa nên cần sử dụng hệ thống tổ hợp hệ thống với hệ thống FH để loại trừ giao thoa có khả gây nên suy giảm lớn tần số đơn T 2T t=T/M, M số khe thời gian khung t Hình 2.3 Trải phổ nhảy thời gian 3T Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ 2.3 Các hệ thống DS/SS Hệ thống DS/SS đạt trải phổ cách nhân tín hiệu nguồn với tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ chip (Rc=1/Tc, Tc thời gian chip) cao nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb thời gian bit) Ở hệ thống DS/SS nhiều người sử dụng dùng chung băng tần phát tín hiệu họ đồng thời Máy thu sử dụng mã giả ngẫu nhiên xác để lấy tín hiệu mong muốn cách giải trải phổ Đây hệ thống biết đến nhiều hệ thống thông tin trải phổ Chúng có dạng tương đối đơn giản chúng khơng u cầu tính ổn định nhanh tốc độ tổng hợp tần số 2.3.1 Các hệ thống DS/SS BPSK 2.3.1.1 Máy phát DS/SS BPSK Sơ đồ khối phát DS/SS BPSK dạng sóng tín hiệu trải phổ trực tiếp sử dụng điều chế BPSK Ta biểu diễn tin nhận giá trị 0,1 sau:  (3.1) b(t )   bk PT (t  kT ) k  PT (3.2) 1, kT  t  T  kT  0, t  Trong bk=0,1 bit số liệu thứ k, PT hàm xung đơn T độ rộng bit số liệu (tốc độ truyền số liệu 1/T bit/s) Tín hiệu b(t) trải phổ Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ tín hiệu PN c(t) cách nhân hai tín hiệu với Tín hiệu nhận b(t)c(t) sau điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, cho ta tín hiệu DS/SS– BPSK xác định theo cơng thức: s(t)=Ab(t)c(t)cos(2  fct+  ) (3.3) đó: A biên độ sóng mang, f c tần số sóng mang,  pha sóng mang Trong nhiều ứng dụng tin chu kỳ tín hiệu PN, nghĩa T=NTc Trong trường hợp hình 3.1 ta sử dụng N=7 Ta thấy tích b(t)c(t) tín hiệu số hai có biên độ 0, có tần số với tín hiệu PN Bộ điều chế BPSK Bản tin số hai b(t) b(t)c(t) c(t) Tín hiệu DS/SS-BPSK Sóng mang Tín hiệu PN số hai s(t )  Ab(t )c(t ) cos(2f c t   ) Sóng mang b(t) T -1 2T 3T 2NTc 3NTc t c(t) Tc NTc t -1 b(t)c(t) Giả thiết N=7, T=NTc NTc 2NTc 3NTc t -1 s(t) A t -A Hình 3.4 Sơ đồ khối tín hiệu máy phát DS/SS-BPSK Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ 2.3.1.2 Máy thu DS/SS – BPSK Sơ đồ khối máy thu DS/SS BPSK Khôi phục đồng hồ ti Khơi phục sóng mang s(t   )  Ab(t   )c(t   ) cos 2f c (t   )   '  cos 2f c (t   )   '  t t T  w (t) (.)dt c(t   ) Đồng Tín hiệu PN Zi -1 ti Bộ tạo tín hiệu PN nội Bộ giải điiêù chế BPSK Hình 3.5 Sơ đồ khối máy thu DS/SS BPSK Mục đích máy thu lấy tin b(t) (tín hiệu thu gồm tín hiệu phát tạp âm) Do tồn trễ truyền lan nên tín hiệu thu là: s(t-  )=Ab(t-  )c(t-  )cos[2  fc(t-  )+  ' ] + n(t) (3.4) đó: n(t) tạp âm kênh đầu vào máy thu Để mơ tả lại q trình (t  tin  )ta giả thiết khơng có tạp âm Trước hết tín hiệu giải trải khơi phục lạisbản A phổ để đưa từ băng tần rộng băng tần hẹp sau giải điều chế để nhận tín t -A c(t   )NT Tc c NTc 2NTc 3NTc t -1 w(t ) A -A t -1 T 2T 3T Hình 3.5b Hình 3.6 Tín hiệu máy thu DS/SS-BPSK Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ hiệu băng gốc Để giải trải phổ, tín hiệu thu nhân với tín hiệu (đồng bộ) PN c(t-  ) tạo máy thu Ta được: w(t)=Ab(t-  )c2(t-  )cos[2  fc(t-  )+  ' ]=Ab(t-  )cos[2  fc(t-  )+  ' ] (3.5) Vì c2(t)= 1  '   2f c Tín hiệu nhận tín hiệu băng hẹp với độ rộng băng tần 2/T Để giải điều chế ta giả thiết máy thu biết pha  ’ tần số fc điểm khởi đầu bit Một giải điều chế bao gồm tương quan, sau đánh giá ngưỡng Để tách bit số liệu thứ i, tương quan phải tính tốn: ti T zi  ti T '  w(t ) cos(2f c t   )dt  ti zi  A  Ab(t   ) cos (2f c t   ' )dt ti t T b(t   )1  cos(4f c t  2 ' ) dt (3.6) t đó: ti=iT+  thời điểm bắt đầu bit thứ i Vì b(t-  ) -1 +1 thời gian bit Thành phần thứ tích phân cho ta T –T, thành phần thứ hai thành phần nhân đôi tần số nên sau tích phân Vậy kết cho ta AT/2 –AT/2, đầu tích phân có tạp âm nên gây lỗi Tín hiệu PN đóng vai trị mã biết trước máy thu chủ định khơi phục tin, cịn máy thu khác nhìn thấy tín hiệu ngẫu nhiên 1 Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ Để máy thu khơi phục tin máy thu phải đồng với tín hiệu thu Q trình xác định gọi trình đồng bộ, thường thực hai bước bắt bám Quá trình nhận t i gọi q trình khơi phục đồng hồ (định thời- STR: Symbol Timing Recovery) Quá trình nhận  ' fc trình khơi phục sóng mang 2.3.2 Các hệ thống DS/SS–QPSK Ngồi điều chế BPSK người ta sử dụng kiểu điều chế khác QPSK hay MSK hệ thống SS 2.3.2.1 Máy phát Sơ đồ gồm hai nhánh đồng pha nhánh vng góc Hình 3.7a Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ Hình 3.7b Hình 3.7 Sơ đồ khối (a) dạng sóng (b) máy phát DS/SS-QPSK Tín hiệu DS/SS–QPSK có dạng: s (t )  s1 (t )  s (t )  A 2b(t )c1 (t ) sin( 2f c t   )  A 2b(t )c (t ) cos( 2f c t   ) (3.7) s (t )  A cos 2f c t     (t )  c (t )b(t )   (t )  tan   c ( t ) b ( t )    (t)=  /4 c1(t)b(t)=1; c2(t)b(t)=1  (t)=3  /4 c1(t)b(t)=1; c2(t)b(t)= -1 Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ  (t)=5  /4 c1(t)b(t)= -1; c2(t)b(t)=-1  (t)=7  /4 c1(t)b(t)= -1; c2(t)b(t)= Vậy tín hiệu s(t) nhận trạng thái khác nhau:  +  /4;  +3  /4;  +5  /4;  +7  /4 2.3.2.2 Máy thu c1 (t   ) s (t   ) c (t   ) w1(t) u1(t)  sin( 2f c t   ' ) cos(2f c t   ' ) u(t) ti T (.)dt zi hay -1 ti u2(t) w2(t) Hình 3.8 Sơ đồ khối máy thu hệ thống DS/SS-QPSK Các thành phần đồng pha vng góc trải phổ độc lập với c1(t) c2(t) Giả thiết  thời gian trễ, tín hiệu vào (bỏ qua tạp âm): s (t   )  s1 (t   )  s (t   ) s (t   )  Ab(t   )c1 (t   ) sin(2f c t   ' )  Ab(t   )c (t   ) cos(2f c t   ' ) (3 8)  '   2f c Các tín hiệu trước cộng là: u1 (t )  Ab(t   ) sin (2f ct   ' )  Ab(t   )c1 (t   )c2 (t   ) sin(2f ct   ' ) cos(2f c t   ' ) u1 (t )  A A b(t   )1  cos(4f c t  2 '  b(t   )c1 (t   )c2 (t   ) sin(4f c t  2 ' ) 2 (3.9) u (t )  Ab(t   ) cos (2f c t   ' )  Ab(t   )c1 (t   )c (t   ) sin(2f c t   ' ) cos( 2f c t   ' ) u (t )  A A b(t   )1  cos(4f c t  2 '  b(t   )c1 (t   )c (t   ) sin(4f c t  2 ' ) 2 (3.10) Tổng tín hiệu lấy tích phân khoảng thời gian bit Kết cho ta: zi= AT (nếu tin tương ứng 1) tất tần số 2fc có giá trị tích phân Vì đầu so sánh 1 (mức logic) 10 Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ Hai tín hiệu PN hai tín hiệu độc lập lấy từ tín hiệu PN Các hệ thống DS/SS sử dụng cấu hình khác Các hệ thống sử dụng để phát tín hiệu có tốc độ bit 1/T bit/s PG độ rộng băng tần bị chiếm tín hiệu DS/SS–QPSK phụ thuộc vào tốc độ chip c1(t) c2(t) Ta sử dụng hệ thống DS/SS–QPSK để phát hai tín hiệu số 1/T bit/s cách để tín hiệu điều chế nhánh Một dạng khác sử dụng hệ thống DS/SS–QPSK để phát tín hiệu số có tốc độ bit gấp đôi 2/T bit/s cách chia tín hiệu số thành hai tín hiệu có tốc độ bit 1/T bit/s để chúng điều chế hai nhánh Tồn nhân tố đặc trưng cho hiệu họat động DS/SS QPSK độ rộng băng tần sử dụng, PG tổng SNR Khi so sánh DS/SS–QPSK với DS/SS–BPSK ta cần giữ số thông số hai hệ thống so sánh thơng số khác Chẳng hạn tín hiệu số phát hệ thống DS/ SS–QPSK sử dụng độ rộng băng tần độ rộng băng tần hệ thống DS/SS–BPSK có PG SNR Tuy nhiên hai hệ thống sử dụng băng tần PG hệ thống DS/SS–QPSK có tỷ số lỗi thấp Mặt khác, mộ hệ thống DS/SS phát gấp hai lần số liệu so với hệ thống DS/SS–BPSK sử dụng độ rộng băng tần có PG SNR 2.3.3 So sánh hệ thống DS/SS-BPSK DS/SS-QPSK Ưu điểm hệ thống DS/SS–QPSK có nhờ tính trực giao sóng mang sin[2  fct+  )] cos[2  fct+  )] thành phần đồng pha vng góc Nhược điểm hệ thống DS/SS-QPSK phức tạp hệ thống DS/SSBPSK Ngồi sóng mang sử dụng để giải điều chế máy thu không thực trực giao xảy xuyên âm hai nhánh làm giảm chất lượng hệ thống DS/SS-QPSK sử dụng hệ thống thông tin di động IS-95 hệ thống định vị toàn cầu (GPS) 11 Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ 2.4 Độ lợi xử lý (PG–Power Gain) Độ lợi xử lý định nghĩa là: DG=Độ rộng băng tần tín hiệu SS/2(Độ rộng băng tần tin) Độ lợi xử lý cho thấy tín hiệu tin phát trải phổ lần Đây thông số chất lượng quan trọng hệ thống SS, PG cao có nghĩa khả chống nhiễu tốt Đối với hệ thống DS/SS–BPSK, độ lợi xử lý (2/Tc)/(2/T)=T/Tc=N Chẳng hạn N=1023, độ rộng tin điều chế tăng 1023 lần trình trải phổ PG 1023 hay 30.1 dB 2.5 Kết luận chương Mỗi loại hệ thống đếu có ưu nhược điểm Việc chọn hệ thống phải dựa ứng dụng đặc thù Hệ thống DS/SS giảm nhiễu giao thoa cách trải rộng phổ tần rộng, hệ thống FH/SS thời điểm cho trước, người sử dụng phát tần số khác tránh nhiễu giao thoa, hệ thống TH/SS tránh nhiễu giao thoa cách tránh không để nhiều người sử dụng phát thời điểm Trong thực tế hệ thống DS/SS có chất lượng tốt sử dụng giải điều chế quán giá thành mạch khóa pha sóng mang đắt Chương trình bày chuyển giao điều khiển công suất mạng CDMA 12 Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ Chương KỶ THUẬT TRẢI PHỔ 3.1 Giới thiệu chương 3.2.1 Hệ thống trải phổ trực tiếp (DS) 3.2.2 Hệ thống dịch tần (FH) 3.2.3 Hệ thống dịch thời gian 3.3 Các hệ thống DS/SS 3.3.1 Các hệ thống DS/SS BPSK .4 3.3.1.1 Máy phát DS/SS BPSK .4 3.3.1.2 Máy thu DS/SS – BPSK 3.3.1.3 Độ lợi xử lý (PG–Power Gain) 3.3.2 Các hệ thống DS/SS–QPSK 3.3.2.1 Máy phát 3.3.2.2 Máy thu 10 3.3.3 So sánh hệ thống DS/SS-BPSK DS/SS-QPSK 11 3.4 Kết luận chương 12 13 ... chip mã gọi từ tần số, điều khiển từ tần số tổng hợp tần số nhảy sang hoạt động tần số tương ứng với giá trị từ tần số Nói cách xác điều chế FH "sự chuyển dịch tần số nhiều tần số chọn theo mã"... dịch tần số Trong FH khoảng dịch tần số số lượng tần số chọn được xác định phụ thuộc vào yêu cầu vị trí việc lắp đặt cho mục đích đặc biệt Hình 3.2 đưa sơ đồ khối truyền dẫn dịch tần Tần số fn fn-1... lọc tần số tăng lên FSK đơn giản sử dụng tần số phát tín hiệu f1 có ký hiệu f2 khơng có ký hiệu Mặt khác FH sử dụng vài nghìn tần số Trong hệ thống thực tế chọn lọc ngẫu nhiên 20 tần số phân