kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa song mang phân chia theo mã (mc-cdma)

LỜI CAM ĐOAN Từ 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 viên Nguyễn Tiền Phương 1 TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN 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 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 tuyến Nội 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 OFDM Nội 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/OFDM Trong 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 LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU 1 LÝ THUYẾT VỀ KÊNH VÔ TUYẾN 1.1 Kênh truyền vô tuyến 16 1.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền: 17 1.2.1Hiệu ứng đa đường (Multipath) 17 1.2.2Hiệu ứng Doppler: 18 1.2.3Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 18 1.3 Các dạng kênh truyền: 18 1.3.1Kênh truyền Chọn Lọc Tần Số và Kênh truyền Fading Phẳng 18 1.3.2Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời gian 20 1.4 Các đặc trưng của kênh fading 20 1.4.1Hệ thống ngẫu nhiên phụ thuộc thời gian 20 1.4.1.1 Khái niệm đáp ứng xung của kênh truyền 20 1.4.1.2Mô hình quá trình dừng theo nghĩa rộng tán xạ không tương quan (WSSUS) 21 1.4.2Kênh AWGN 23 1.4.3Truyền dẫn đa đường 24 4 1.4.4Trải phổ Doppler 27 1.4.5Sự phụ thuộc tần số và phụ thuộc thời gian của kênh 34 1.4.6Kênh phụ thuộc thời gian và phụ thuộc tần số 36 1.4.7Nhiễu xuyên “ký hiệu” (ISI) và nhiễu xuyên kênh (ICI) 38 ĐIỀU CHẾ PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO - OFDM 2.1 Truyền dẫn đa sóng mang OFDM 40 2.1.1. Khái niệm về truyền dẫn đa sóng mang 40 2.1.2.Truyền dẫn đa sóng mang bằng OFDM 44 2.1.3.Thực hiện OFDM bằng biến đổi Fourier nhanh - FFT 48 2.1.4.OFDM có khoảng bảo vệ 49 2.1.5.Dạng phổ của hệ thống OFDM 56 2.1.6.Ưu điểm và nhược điểm của OFDM 59 2.2 Điều chế và giải điều chế OFDM 60 2.2.1Điều chế và giải điều chế đa sóng mang 61 2.2.2Tạo tín hiệu I/Q 64 2.2.2.1Phương pháp vuông góc Analog 64 2.2.2.2Phương pháp lọc số FIR 65 KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP KÊNH TRUYỀN ĐA SÓNG MANG PHÂN CHIA THEO MÃ (MC – CDMA ) 3.1 Giới thiệu về kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 67 2.1Kỹ thuật trải phổ 67 3.1.1.1Giới thiệu chung 67 3.1.1.2Các chuỗi trải phổ 69 5 3.1.2Nguyên lý của CDMA 72 3.1.3Máy thu Rake 73 3.2 Giới thiệu về kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã (MC-CDMA) 74 3.2.1Nguyên lý chung của kỹ thuật MC – CDMA 75 3.2.2Các kỹ thuật tách sóng 78 3.2.2.1Kỹ thuật SUD 79 3.2.2.2 Kỹ thuật MUD 81 3.2.3Ư u khuyết điểm của hệ thống dùng MC-CDMA 83 3.2.3.1Ưu điểm 83 3.2.3.2Khuyết điểm 83 3.2.4 Sự khác nhau giữa MC-CDMA và OFDM 84 HỆ THỐNG CẢI THIỆN HIỆU SUẤT CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CDMA/OFDM 4.1 Giới thiệu 85 4.2 Cấu trúc truyền cho đường downlink sử dụng công nghệ CDMA/OFDM 85 4.3 Các phương pháp tách sóng được sử dụng 88 4.3.1 Tách sóng thông thường 89 4.3.2Tách sóng tối ưu 90 4.4 Phân tích hiệu quả hoạt động 90 4.4.1Kênh AWGN 90 4.4.2Kênh fading Rayleigh 90 4.5 So sánh hệ thống OFDM với hệ thống kết hợp CDMA/OFDM 91 4.6 So sánh CDMA/OFDM với CDMA/MRC 92 6 4.7 Kết quả mô phỏng 94 KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO 7 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 1 ACF Autocorrelation Function Hàm tự tương quan 2 AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng 3 BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bít 4 BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân 5 BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc 6 CD Conventional Detection Tách song thong thường 7 CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã 8 CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh truyền 9 CSI Channel State Indentify Nhận dạng trạng thái kênh 10 DAB Digital Audio Broadcasting Truyền thanh số quảng bá 11 DC Direct Current Dòng 1 chiều 12 DEV Device Thiết bị 13 DS Direct Sequence Chuỗi trực tiếp 14 DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp 15 DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá 16 FCC Federal Communications Commission, USA Ủy ban truyền thông liên bang của Mỹ 17 FD Frequency Domain Miền tần số 18 FEC Forward Error Correction Sửa lỗi hướng đi 19 FEM Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn 20 FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh 21 FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn 22 GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu 23 ICI Inter-Channel Interference Nhiễu xuyên kênh 24 IF Intermediate Frequency Tần số trung gian 25 IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược 26 IR Impulse Radio Xung vô tuyến 27 IS Interference Suppression Khử nhiễu 28 ISI Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự 29 LNA Low Noise Amplifier Khuếch đại tạp âm thấp 30 LO Local Oscilator Bộ tạo dao động nội bộ 31 LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng 32 MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập đường truyền 8 33 MC Multi Carrier Đa sóng mang 34 MC- CDMA Multi Carrier Code Division Multiple Access Đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã 35 MLD Maximum Likelihood Detection Tách sóng tối ưu 36 MLSE Maximum Likehood Sequence Estimation Ước lượng chuỗi giống nhất 37 MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỉ số tối đa 38 MSE Mean-Square-Error Tỉ số lỗi trung bình bình phương 39 MUD Multi User Detection Tách sóng đa người dung 40 NBI Narrow Bandwith Interference Nhiễu băng hẹp 41 OCDM Orthogonal Code Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo mã trực giao 42 OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao 43 OOK On Off Keying Khóa đóng mở 44 PAM Pulse Amlitude Modulation Điều chế biên độ xung 45 PDF Power Density Function Hàm mật độ công suất 46 PG Processing Gain Độ lợi xử lý 47 PHY Physical layer Lớp vật lý 48 PN Pseudo-random Noise Tạp âm giả ngẫu nhiên 49 PPM Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung 50 PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất 51 PSM Pulse Shape Modulation Điều chế dạng xung 52 QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương 53 QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ 54 QPSK Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương 55 RF Radio Frequency Tần số vô tuyến 56 RMS Root Mean Square 57 RX Receiver Thiết bị thu 58 SNR Signal - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm 59 SS Spread Spectrum Trải phổ 60 SUD Single User Detection Tách sóng đơn người dung 61 SV Saleh-Valenzuela Channel Model Mô hình kênh Saleh-Valenzuela 62 TD Time Domain Miền thời gian 63 TDMA Time Division Multiple Access Dđa truy nhập phân chia theo thời gian 9 64 TH Time-Hopping Nhảy thời gian 65 UWB UltraWide Bandwith Băng thông siêu rộng 66 WH Walsh-Hadamard Mã trực giao WH 67 WLAN Wireless Lan Area Networks Mạng cục bộ không dây 68 WPAN Wireless Personal Area Networks Mạng cá nhân không dây 69 WSSUS Wide Sense Stationary Uncorrelation System Hệ thống phi tương quan dừng theo nghĩa rộng 10 [...]... Các dạng kênh truy n: Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truy n và băng thông của tín hiệu phát mà ta có + Kênh truy n chọn lọc tần số hay Kênh truy n Fading phẳng + Kênh truy n chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truy n biến đổi nhanh (Fast Channel)) hay Kênh truy n không chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truy n biến đổi chậm (Slow Channel)) 1.3.1 Kênh truy n Chọn Lọc Tần Số và Kênh truy n Fading... vì vậy, kênh truy n này được gọi là Kênh truy n fading phẳng hoặc Kênh truy n không chọn lọc tần số 20 1.3.2 Kênh truy n chọn lọc thời gian và Kênh truy n không chọn lọc thời gian Kênh truy n vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên đường truy n luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuất hiện và những vật thể cũ mất đi … Sóng điện từ lan truy n... tần, kênh truy n không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truy n đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau Dạng kênh truy n như vậy được gọi là kênh truy n chọn lọc tần số Hình 1.2b Kênh truy n Fading phẳng (f0 >W) Ngược lại, trên hình 1.2b, kênh truy n có f 0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truy n qua kênh. .. khả năng hỗ trợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đó Hơn nữa, so với hai phương pháp đa truy nhập truy n thống là phân chia theo tần số FDMA và phân chia theo thời gian TDMA thì phương pháp truy nhập phân chia theo mã CDMA có những đặc điểm nổi trội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truy n dữ liệu với tốc độ khác nhau… Tuy nhiên, trong tương lai, nhu cầu về các dịch vụ số liệu... thì kênh truy n đó được gọi là Kênh truy n chọn lọc thời gian Ngược lại, khi ta truy n tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với coherent time thì kênh truy n đó là được gọi là Kênh truy n không chọn lọc thời gian hay phẳng về thời gian 1.4 1.4.1 Các đặc trưng của kênh fading Hệ thống ngẫu nhiên phụ thuộc thời gian 1.4.1.1 Khái niệm đáp ứng xung của kênh truy n Đáp ứng xung của kênh. .. về giải pháp cải thiện hiệu suất của hệ thống thông tin di động 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 truy n đa song mang phân chia theo mã (MC–CDMA: Multi Carrier Code Division Multiplexing Access) Chương IV: Hệ thống cải thiện hiệu suất... chân thành cảm ơn! 1 LÝ THUYẾT VỀ KÊNH VÔ TUYẾN 1.1 Kênh truy n vô tuyến Xét mô hình chức năng của hệ thống thông tin vô tuyến điển hình: 17 Hình 1.1: Sơ đồ khối của hệ thống truy n tin Trong đó, kênh truy n là phương tiện truy n dẫn tín hiệu mang tin từ bên phát sang bên thu Đối với hệ thống thông tin vô tuyến, kênh truy n sẽ là môi trường không khí do đó sẽ gọi là kênh vô tuyến Chất lượng của các... TỤC (B) HÌNH 2.1: ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG VỚ NC=4 KÊNH CON HÌNH 2.2: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA TRUY N DẪN ĐA SÓNG MANG GIẢI PHÁP 1 12 HÌNH 2.3: SƠ ĐỒ KHỐI CỦA TRUY N DẪN ĐA SÓNG MANG GIẢI PHÁP 2 HÌNH 2.4: PHỔ ĐA SÓNG MANG HÌNH 2.5: HÌNH DẠNG CHỒNG LẤN PHỔ TRỰC GIAO CỦA OFDM HÌNH 2.6: THỰC HIỆN OFDM BẰNG FFT HÌNH 2.7: OFDM CÓ THÊM KHOẢNG BẢO VỆ HÌNH 2.8: OFDM VỚI KHOẢNG BẢO VỆ: (A) XUNG TRUY N DẪN, (B) XUNG TÁCH... kênh vô tuyến Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truy n, nơi mà tín hiệu được truy n từ máy phát đến máy thu Không giống như kênh truy n hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truy n vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín hiệu được phát đi, qua kênh truy n vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản... vụ đa dạng khác như truy n dữ liệu, hình ảnh và video… Chính vì vậy, vấn đề dung lượng và tốc độ cần phải được quan tâm Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến cũng như hữu tuyến Ưu điểm của OFDM là khả năng truy n dữ liệu tốc độ cao qua kênh . thiệu về kỹ thuật đa truy nhập kênh truy n đa sóng mang phân chia theo mã (MC-CDMA) 74 3.2.1Nguyên lý chung của kỹ thuật MC – CDMA 75 3.2.2Các kỹ thuật tách. phương pháp đa truy nhập truy n thống là phân chia theo tần số FDMA và phân chia theo thời gian TDMA thì phương pháp truy nhập phân chia theo mã CDMA có