Chng 8 Chương 5 Mô hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp 132 Chương 5 MÔ HÌNH KÊNH ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ VÀ HIỆU NĂNG CỦA NÓ 5 1 GIỚI THIỆU CHUNG 5 1 1 Các chủ đề được trì[.]
Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp Chương MƠ HÌNH KÊNH ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO Mà VÀ HIỆU NĂNG CỦA NÓ 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG 5.1.1 Các chủ đề trình bày Mơ hình kênh DSCDMA Cơng thức tính tốn dung lượng kênh hệ thống thơng tin di CDMA Cơng thức tính tốn xác suất lỗi bit CDMA với hệ thống điều chế khác 5.1.2 Hướng dẫn Học kỹ tư liệu trình bầy chương Tham khảo thêm [1], [2] Trả lời câu hỏi tập cuối chương 5.1.3 Mục đích chương Hiểu mơ hình chung hệ thống thơng tin di động DSCDMA Biết cách tính tốn dung lượng để thiết kế hệ thống DSCDMA Biết cách tính toán xác suất lỗi bit hệ thống CDMA mơi trường phađinh để tính tốn thiết kế hệ thống DSCDMA Hiểu xác suất lỗi bit phương pháp điều chế khác áp dụng cho CDMA Hiểu mơ hình máy thu tối ưu sơ đồ tách sóng đa người sử dụng tối ưu 5.2 MƠ HÌNH KÊNH ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ, DSCDMA Trong trải phổ chuỗi trực tiếp, tín hiệu số băng gốc trải phổ rộng nhờ mã giả ngẫu nhiên (PN) hay mã trải phổ Tín hiệu trải phổ có mật độ phổ cơng suất thấp (đo 132 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp Watt/Hz) Đối với máy thu thơng thường thể gần giống tạp âm thường gây nhiễu Có thể coi thơng tin trải phổ thơng tin cá nhân: có máy chủ định biết mã trải phổ giải trải phổ giải mã thơng tin Khi tín hiệu trải phổ sử dụng băng tần có lượng xuyên âm định, hay nhiễu tương hỗ, nhiên không truyền dẫn băng hẹp, nhiễu khơng nguy hiểm Sở dĩ ta thiết kế mã trải phổ tốt với giá trị tương quan chéo thấp để chúng trực giao, nghĩa hàm tương quan chéo Nhờ nhiều tín hiệu trải phổ sử dụng chung kênh tần số khơng có nhiễu tương hỗ nghiêm trọng Trong bối cảnh hiệu hệ thống giảm đáng kể tăng số người sử dụng Trong chương tập trung lên trải phổ chuỗi trực tiếp nghiên cứu ứng dụng đặc biệt: thông tin đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Để đơn giản ta đưa số giả định Trước hết, điều chế số BPSK tất dạng sóng số liệu trải phổ hình chữ nhật Thứ hai, giảm chất lượng kênh (1) tạp âm trắng Gauss cộng (AWGN) (2) nhiễu đa người sử dụng (MUI: multi-user interference) hay nhiễu đa truy nhập (MAI Multiple Access Interference) xẩy phát đồng thời Thứ ba, máy thu tương quan quán đơn giản sử dụng 5.2.1 Mơ hình hệ thống Đa truy nhập phân chia theo mã có lợi hai trường hợp sau:1) thông tin vệ tinh 2) hệ thống di động tổ ong Đối với hai trường hợp ta quan tâm đến kênh thơng tin đường lên (vì nhiều máy đầu cuối phát đến vệ tinh hay nhiều đầu cuối di động phát đến trạm gốc ơ) (xem hình 1.1 chương 1) Trong hai trường hợp hệ thống thông tin đa truy nhập dị bộ, nghĩa đầu cuối có chuẩn thời gian khác (Lưu ý kênh thông tin đường xuống đồng vệ tinh hay trạm gốc điều khiển tất máy phát mình) Để xét hệ thống DSCDMA chi tiết hơn, sơ đồ khối hệ thống điển hình cho hình 5.1 Ở hình 5.1, có K tín hiệu người sử dụng khác phát đồng thời tới máy thu Mỗi tín hiệu phát gán số j, j=1,2, , K Dạng sóng số liệu số hai () dj(t) hàm chữ nhật có biên độ +1 hay -1 đổi dấu sau Tb giây Dạng sóng trải phổ (), cj(t), có hình chữ nhật, tuần hồn có tốc độ cao nhiều so với tốc độ bit số liệu Ta coi thời gian bit số liệu (T b giây) chứa chu kỳ (N chip) mã trải phổ cho tốc độ chip N/Tb =1/Tc, Tc thời gian chip hay độ rộng chip Vì tốc độ chip (ký hiệu R c) gấp N lần tốc độ bit 133 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp (Rb=1/Tb) Thực chất, dạng sóng số liệu điều chế dạng sóng trải phổ sóng mang, nên sóng trải phổ chuỗi trực tiếp cho người sử dung j là: s j (t) d j (t)c j (t) 2Pj cos(2 fc t j ) (5.1) dj(t), cj(t) Pj=Ej/Tb luồng số liệu nhị phân lưỡng cực, mã trải phổ công suất trung bình sóng mang người sử dụng k, fc j tần số sóng mang pha ban đầu sóng mang người sử dụng k Tín hiệu sj(t) có độ rộng băng truyền dẫn gần B= Rc = 1/Tc=N/Tb , lớn gấp N lần độ rộng băng truyền dẫn cần thiết thơng thường BPSK Có thể thấy rõ điều xét sóng trải phổ tín hiệu BPSK thay đổi pha 180 Tc giây thay cho thay đổi Tb=NTc giây Tín hiệu BBSK gốc trải phổ rộng N lần mật độ phổ công suất giảm tương ứng 1/N lần so với giá trị ban đầu Cơng suất trung bình thu từ sj(t) Prj bị suy hao đường truyền Lpk Thông số k pha sóng mang Vì tất tín hiệu phát dị bộ, cần có thơng số trễ j mơ hình pha sóng mang máy thu là:j-2fcj Tạp âm n(t) tạp âm trắng cộng Gauss (AWGN) có trung bình khơng với hai biên PSD (mật độ phổ công suất) N0/2 (W/Hz) Hàm tự tương quan n(t) (là biến đổi ngược Fourier PSD) ()N0/2, thông số thời gian khác Thực chất điều mẫu n(t) có trung bình khơng tương quan với Vì mẫu tạp âm biến ngẫu nhiên Gauss liên hợp , nên chúng độc lập với Nếu lấy tích phân tạp âm cho Tb giây, đầu tích phân biến ngẫu nhiên với trung bình phương sai N0Tb /2 Nếu coi chất kênh thu cộng, tất K tín hiệu phát trễ tạp âm cộng với máy thu 134 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp a) Mơ hình CDMA với K máy phát Lp1 , t d1 (t) c1 (t) 2P1 cos(2 fc t d j (t) ) å Lpj , t j c j (t) 2Pj cos(2 fc t r(t) n(t) j) Ký hiệu Lpj ,t j : suy hao trễ đường truyền j LpK , t K d K (t) 2PK cos(2 fc t K ) b) Máy thu k Tb k (.)dt r(t) •0 “-1” k c k (t) “1” / Tb cos(2 fc t rk dˆ k (t k ) ) Hình 5.1 Mơ hình hệ thống DSCDMA: a) Sơ đồ khối, b) máy thu tương quan quán Ta xét trình xử lý tín hiệu máy thu k Giả thiết máy thu giải mã luồng bit phát k Trước hết, phải đồng với đồng hồ máy phát k Sau giải trải phổ tín hiệu thu (bằng cách nhân với ck(t-k)), loại bỏ sóng mang phương pháp quán (bằng cách nhân với Tb cos fc t rk ) sau tích phân khoảng thời gian Tb giây để khôi phục lại lượng ký hiệu số liệu đồng thời loại bỏ tạp âm ngồi băng Thơng số rk k fc k dao động nội máy thu, đánh giá, chẳng hạn nhờ mạch đồng vịng khố pha Ngồi đồng hồ định thời lấy mẫu phải xác định mạch định thời Hai nhân với mạch tích phânvà-lấy mẫu (khởi động lại lấy mẫu Tb giây lần) tạo nên cấu trúc máy thu tương quan quán hay gọi lọc phối hợp Đầu tương quan lấy mẫu, sau đưa đến mạch ngưỡng (bộ hạn biên) bit số liệu + định mẫu lớn 0V, hay - ngược lại cho ta ước tính chuỗi số hai đầu ra: d ( t k ) Giá trị ngưỡng xác dạng sóng + hay - có lượng điều chế BPSK 135 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp Ta xét khoảng thời gian [0,Tb ] giả sử đầu tương quan (hình 5.1) thời điểm t=Tb Y Mẫu Y biến ngẫu nhiên phụ thuộc vào tính ngẫu nhiên tất luồng bit số liệu, pha sóng mang thời gian trễ Tất K-1 tín hiệu phát khơng đồng đồng thời khác coi nhiễu đồng kênh (cùng tần số) Nếu coi mạch đồng hoạt động bình thường, ta đặt hai trễ k pha k không Ta xét tất j khác (jk) trễ tương đối mơ hình chúng biến ngẫu nhiên độc lập có phân bố đồng dạng độc lập (i.i.d: independent identically distributed) khoảng [0,Tb] Tất bit số liệu nguồn gây nhiễu mơ biến ngẫu nhiên rời rạc độc lập i.i.d đồng xác suất +1 hay -1 Có thể mơ hình dịch pha sóng mang thu (rj=j-2fcj, jk) biến ngẫu nhiên phân bố khoảng [0,2] 5.2.2 Mơ hình máy thu phối hợp Ta khảo sát hệ thống vô tuyến di động dị gồm máy máy phát máy thu Sơ đồ khối tổng quát cuả K máy phát hệ thống DSCDMA dị máy phát đơn hệ thống cho hình 5.2 Mỗi người sử dụng phát thông tin số tốc độ số liệu 1/Tb Ta giả thiết điều chế theo lưỡng cực, ký hiệu thứ m người sử dụng thứ k dk(m) hình 5.2 nhận giá trị +1 -1 Ta ký hiệu luồng số liệu lưỡng cực người sử dụng thứ k gồm 2M+1 ký hiệu sau: DkT = [dk(-M), , dk(0), ., dk(M)] (5.2) (2M+1) số ký hiệu số liệu phát T ký hiệu cho ma trận chuyển vị Ký hiệu lưỡng cực dj(m) xác định ký hiệu đơn cực bk(m)={0,1} sau: dk(m)= 1-2bk(m) (5.3) Tín hiệu lưỡng cực người sử dụng k biểu diễn sau: M dk (t) d k (m)pTb (t m mTb ) (5.4) M 2M+1 số ký hiệu phát, Tb độ rộng xung chữ nhật tương ứng bit pTb(t) xung chữ nhật đơn vị xác định sau: 136 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp pTb (t) t t 0,Tb 0,Tb (5.5) a) d1(t) Tx1 c1(t) Tx2 d2(t) c2(t) s(t) Kªnh dj(t) r(t) Txj cj(t) dK(t) TxK cK(t) b) bk(t) Nguån bit Bé s¾p xÕp +1 -1 dk(t) Bộ điều chế trải phổ sk(t) ck(t) Hình 5.2 Sơ đồ khối máy phát hệ thống DSCDMA dị (a) K máy phát, (b) Một máy phát đơn Mỗi máy phát ấn định chuỗi mã PN cj(t) có độ dài N trực giao với sau: N c j (t) c j (i)pT (t c iTc ) ; j=1,2… K (5.6) i c j (i) ký hiệu cho chip thời điểm iTc chuỗi j, Tc độ rộng chip nhận giá trị từ tập ((+1,-1) pTc(t) hàm xung đơn vị xác định theo công thức sau: pT (t) c t t 0, Tc 0, Tc (5.7) Sau trải phổ điều chế ta tín hiệu phát cuả người sử dụng k sau: 137 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp s k (t) 2Ek dk (t)c k (t) cos(2 fc t Tb k (5.8) ) Trong Ek, Tb, dk(t) ck(t) lượng bit, thời gian bit, luồng số liệu lưỡng cực mã trải phổ người sử dụng k; fc k tần số pha ban đầu sóng mang người sử dụng k Sử dụng chữ ký Ck(t) để thể đồng thời trải phổ điều chế BPSK sau: N cos fc t C k (t) c j (i)pT (t k c iTc ) t 0, Tb i t (5.9) 0, Tb Ta viết lại phương trình (5.8) sau: sk (t ) M Ek d k (t mTb )Ck (t mTb ) Tb m M (5.10) Để tiện ta coi độ dài chuỗi N độ lợi trải phổ Tb/Tc, Tc độ rộng chip Ta dễ dàng nhận thấy rằng: Tb Tb C 2k (t)dt = 1; j=1,2, K (5.11) ta biểu diễn tín hiệu thu sau kênh truyền dẫn sau: K Erj M r(t) j m M Tb d j (t mTb j )C j (t mTb j ) n(t) (5.12) Erj =Ej/Lp cơng suất trung bình sóng mang thu, Lp suy hao truyền sóng, n(t) tạp âm Gauss trắng có mật độ phổ cơng suất đơn biên N0 Trong hệ thống DSCDMA đồng bộ, tín hiệu người sử dụng đồng ký hiệu với Thí dụ hệ thống đường xuống mạng thông tin di động tổ ong (tín hiệu phát từ BTS đến máy di động) Tín hiệu thu hệ thống đồng trường hợp đặc biệt công thức (5.12), dịch thời j với j=1,2, , K nhau, khơng tính tổng qt ta coi chúng khơng, tín hiệu thu xác định sau: K Erj M r(t) j m M Tb d j (t mTb )C j (t mTb ) n(t) (5.13) 138 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp Vì khơng cịn dịch thời ký hiệu nên ta xét với dịch thời j=0, j=1,2,…,K cho bit theo biểu thức sau: K Erj j Tb r(t) d j (t)C j (t) n(t) (5.14) Trong trường hợp đường lên, tín hiệu phát từ máy di động vị trí khác nhau, nên truyền dẫn khơng đồng cần xét cơng thức tổng quát (5.13) Trong trường hợp này, máy thu lọc phối hợp thơng thường để tách sóng đồng thời tín hiệu cuả K người sử dụng BTS cho hình 5.3 iTc 1 mTb y1 (i) (.)dt (i 1) Tc 1 mTb cos(c t Tb iTc mTb 1 Y (m ) N (.) i 1 (m 1)Tb 1 Mạch định dˆ1 (m) c1 (i) ) iTc j mTb r(t) (.)dt ( i 1)Tc j mTb cos(c t Tb j y j (i ) K y K (i) mTb (.)dt (i 1)Tc cos(c t Tb Mạch định d j ( m) (m 1)Tb j c j (i ) ) iTc N (.) i 1 iTc mTb j Y j ( m) mTb K K) (.) i 1 iTc mTb K c K (i) Y K (m ) N (m 1)Tb K Mạch định d K ( m) Hình 5.3 Máy thu lọc phối hợp thơng thường tách sóng đồng thời tín hiệu DSCDMA dị K người sử dụng Máy thu bao gồm tập hợp lọc phối hợp với mạch định Ta xét q trình xử lý tín hiệu cho người sử dụng k Bộ lọc k phối hợp với tín hiệu thu Ck(t) tương ứng Đầu lọc k lấy mẫu cuối khoảng thời gian ký hiệu m Ta viết: Yk (m) Tb k ( m 1)Tb r(t)C k (t k mTb k )dt -MmM (5.15) mTb Mạch định đánh giá ký hiệu m người sử dụng thứ k sở lấy mẫu cuối thời gian bit m khảo sát dấu biến định dˆk (m) : 139 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp d j (m) sign Yj (m) nÕu Yj (m) nÕu Yj (m) (5.16) Ngoài khoảng thời gian bit m, tín hiệu sau tích phân lại lấy mẫu cuối thời gian chip Kết lấy mẫu so sánh tương quan với chip cuả chuỗi trải phổ địa phương trước đưa lên cộng Ta biểu diễn lại phương trình (5.15) dạng tích phân phân đoạn sau sau: Yk (m) iTc N Tb k mTb r(t)C k (t i ( i 1)T c k mTb k (5.17) )dt mTb Ta coi đồng sóng mang lý tưởng lọc có khuếch đại cơng suất Ký hiệu: iTc y k (i) mTb k r(t)C k (t Tb ( i 1)Tc mTb k )dt (5.18) mTb k ta giá trị ký hiệu thời điểm m: N Yk (m) (5.19) y k (i) i N độ dài chuỗi mã Thay r(t) từ (5.12) vào (5.17) với lưu ý Tb=NTc coi dk(t-mTb-k)=dk(m) ta được: Yk (m) Erk d k (m) K M + j m j k M Erj Tb k ( m 1)Tb d j (t k mTb j )C j (t mTb j )C k (t mTb k )dt mTb + nk(m) (5.20) Erk Erj lượng bit thu người sử dụng k j, m bit thứ m n k (m) k n(t)C k (t Tb phương sai ( m 1)Tb k n mTb k )dt thành phần tạp âm có trung bình không mTb N0 với N0 mật độ phổ công suất tạp âm đầu vào máy thu Đặt: t-mTb-k =u, ta có t=u+mTb+ k , dt=du, t-mTb- j = u+k- j=u-kj với kj=j-k cho (5.20), sau biến đổi ta được: 140 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp Yk (m) Erk dk (m) K M E rj d j (u j m j k kj ) M với giả thiết d j (u Tb Tb C j (u kj )C k (u)du + nk(m) (5.21) khơng đổi d j (m) q trình lấy tích phân kj ) Ký hiệu tương quan chéo hai chuỗi mã là: R kj (u) Tb Tb C j (u kj (5.22) )C k (u)du Ta K Yk (m) M E jr d j (m)R kj (u) +nk(m) E rk d k (m) j m j k (5.23) M Phương trình (5.23) cho thấy tín hiệu thu dược đầu máy thu phối hợp k gồm ba thành phần với thành phần thứ tín hiệu hữu ích, thành phần thứ hai nhiễu đa người sử dụng hai (MUI: Multi User Interference) gọi nhiễu đa truy nhập (MAI: Multiple Access Interference) thành phần thứ ba tạp âm Gauss Thành phần nhiễu tỷ lệ tuyến tính với biên độ tín hiệu nhiễu ( E brj ) Vì tín hiệu nhiễu mạnh, gây nhiễu mạnh chặn tất tín hiệu yếu khác Đây nhược điểm máy thu lọc phối hợp Thậm chí cơng suất cuả tất người sử dụng nhau, thành phần nhiễu đáng kể tương quan chéo tín hiệu hữu ích nhiễu cao giá trị trễ khác Như máy thu lọc phối hợp không cho hiệu tối ưu có mặt tín hiệu gây nhiễu Để khắc phục nhược điểm người ta nghiên cứu sử dụng máy thu tách sóng đa người sử dụng Ta viết lại phương trình (5.23) sau: Yk (m) d k (m) E rk Ik (5.24) nk đó: thành phần thứ tín hiệu hữu ích mà ta cần tách ra, thành phần thứ hai: K M E rj d j (m)R kj (u) Ik(m)= j m j k (5.25) M nhiễu đa người sử dụng MAI, thành phần thứ ba n k (m) Tb k ( m 1)Tb n(t)C k (t k mTb k )dt (5.26) mTb tạp âm Gauss độc lập có trung bình phương sai N0/2, 141 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp 5.4.2 Máy thu tối ưu 5.4.2.1 Mơ hình máy thu tối ưu Ta viết lại phương trình (5.12) sau: K r(t) M Prj j d j (t m mTb j )C j (t mTb j ) n(t) (5.39) M Trong Prj=Erj/Tb Trong máy thu lọc phối hợp thông thường, mạch định sau lọc thực định lần cuối chu kỳ ký hiệu Nghĩa thực đánh giá tín hiệu thu khoảng thời gian tương ứng với ký hiệu Trong phương pháp tách sóng khơng tối ưu thơng tin nhiễu nhận từ xếp chồng ký hiệu bị bỏ qua Trong tách sóng tín hiệu DSCDMA dị bộ, ta cần thực quan trắc tồn sóng thu cho tất người sử dụng đầu lọc phối hợp Máy thu tối ưu định nghĩa máy thu cho phép chọn chuỗi bit {dk(m)} (-MmM, 1kK, m k số ngun) có xác suất cao biết trứơc tín hiệu thu r(t) quan trắc khoảng thời gian -(M+1)Tbt(M+1)Tb Ta thiết kế máy thu tối ưu để chọn chuỗi bit: d (M) d (M) d K (M) d K (M) (5.40) để đạt cực đại xác suất có điều kiện sau: P d r(t) t (M 1)Tb ,(M 1)Tb (5.41) Nếu coi bit phát độc lập đồng xác suất, cực đại hoá xác suất phương trình (5.41) tương đương với cực đại hoá hàm khả giống sau: P r(t) d A e (M 1)Tb 2 M K r(t) dt 12 P d (m )c (t mT ) k kr k b k 2n (M 1)T k 1 m M b (5.42) A số, n2 mật độ phổ cơng suất tạp âm 150 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp Máy thu tối ưu khả giống cực đại tính tốn hàm log khả giống sau: (M 1)Tb K M (d) r(t) Prj d j (m)C j (t mTb j ) dt j 1 m M (M 1)Tb (5.43) chọn chuỗi thông tin {dk(m)} cho (d) cực tiểu Việc tối ưu hố phương trình (5.43) đạt cách lập trình động Giải thuật Viterbi thí dụ lập trình động thuận để chọn chuỗi d cho cực đại hố phương trình (5.43) Đầu vào giải thuật Viterbi mẫu đầu lọc phối hợp Giải thuật Viterbi hoạt động biểu đồ lưới với số trạng thái tỷ lệ 2K-1 Vì độ phức tạp cuả giải thuật tỷ lệ hàm mũ với số người sử dụng Máy thu tối ưu thực định sở chọn chuỗi phát để cực tiểu hoá xác suất lỗi chuỗi xác suất lỗi ký hiệu Trong hai trường hợp, đầu thực hiên giải thuật chương trình động với độ phức tạp định nhị phân tỷ lệ hàm mũ với số người sử dụng Dưới ta xét kiểu định thứ gọi tách sóng chuỗi khả giống cực đại Verdu đề suất Bộ tách sóng khả giống cực đại cho DSCDMA dị gồm tập hợp lọc phối hợp sau giải thuật tách sóng Viterbi khả giống (hình 5.5) iTc 1 mTb (.)dt (i 1) Tc 1 mTb cos( c t 1 ) Tb iT c r(t) mTb (.)dt (i 1) Tc mTb cos( c t ) Tb y1 (i) (.)dt cos( c t K ) Tb d ( m) (m 1)Tb 1 c1i y (i) y K (i) iTc mT b K c iK Y (m ) N (.) i 1 iTc mTb c i2 iTc k mTb (i 1) Tc k mTb (.) i 1 iTc mTb 1 Y (m ) N (m 1)Tb Y K (m ) N (.) i Giải thuật định Viterbi d ( m) d K ( m) (m 1)Tb K Hình 5.5 Máy thu tối -u cho hệ thống DSCDMA dị 151 Chng Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp 5.4.2.2 Truyền dẫn đồng Đối với truyền dẫn đồng người sử dụng trì đồng với tín hiệu phát (j=0) khơng có dịch thời giưã ký hiệu nên ta cần xét tín hiệu thu khoảng thời gian 0tTb, ta viết lại phương trình (5.43) sau: Tb (d) K Prj d j (0)C j (t) dt r(t) j (5.44) Triển khai phương trình (5.44) ta được: Tb (d) r (t) j K Tb K Tb K + r(t)C j (t)dt Prj d j (0) Prj Pri d j (0)d i (0) j i C j (t)C i (t)dt (5.45) Vì thành phần thứ (5.45) chung cho tất chuỗi {dj(0)} có nên ta bỏ qua khơng xét, từ phương trình (5.15) (5.22) ta biểu diễn (5.45) vào dạng sau số đo tương quan sau (và tìm cực đại số đo này): K C(YK , dK ) K K E rj d j (0)Y j E rj E ri d rj (0)d ri (0)R ji (0) j (5.46) j k : Tb Yj R ji (0) Tb Tb r(t)C j (t)dt (5.47) Tb C j (t)Ci (t)dt (5.48) 2dTK YK (5.49) hay C(Y K , dK ) dTK RsdK 152 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp Y T K Y , Y , ., Y k , T d (5.50) E r1 d1 (0), E r2 d2 (0), ., E K d K (0) K Rs ma trận vuông chứa phần tử Rji(0) sau (để đơn giản ta ký hiệu Rji(0)=Rji): Rs R 11 R 12 R 1K R 21 R 22 R 2K R 21 R 12 R 1K R 2K R K1 R K R KK (5.51) R K1 R K Một cách tổng qt ta biểu vectơ tín hiệu thu Y thể đầu K lọc phối hợp sau hệ thống DSCDMA đồng sau: E r1 Y1 R 11 R 12 R 1K Y2 R 21 R 22 R 2K d1 (0) n1 E r2 d (0) n2 YK R K1 R K R KK 0 E rK d K (0) nK hay Y = RsAd +n (5.52) vectơ Y, R ,A, b n ma trận tương ứng công thức A ma trận đường chéo biên độ tín hiệu thu ký hiệu sau: A diag E r1 , E r2 , , E rK (5.53) n vectơ tạp âm có trung bình khơng Ta thấy tách sóng tối ưu phải biết lượng tín hiệu thu để tính tốn số đo tương quan 153 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp Tồn 2K khả chọn bit chuỗi K người sử dụng Bộ tách sóng tối ưu tính tốn số đo tương quan cho chuỗi đưa số đo tương quan lớn Ta thấy tách sóng tối ưu có độ phức tạp tăng theo hàm mũ với số lượng người sử dụng K Trong trường hợp truyền dẫn không đồng ta phải xét chuỗi bit gồm 2M+1 bit phải tính toan 2(M+1)K số đo tương quan Giải thuật Viterbi cho phép tìm nhanh chuỗi d thoả mãn điều kiện cực tiểu số đo tương quan nhiên phù hợp cho ứng dụng hệ thống viễn thông số người sử dụng thấp: K E r2 > E r3 > > E rK Tách sóng người sử dụng mạnh máy thu thông thường Tái tạo lại tín hiệu trải phổ người sử dụng mạnh rˆk (t) cách sử dụng chuỗi trải phổ ước tính biên độ nó: Loại bỏ nguồn nhiễu người sử dụng mạnh Lặp lại trình tất tín hiệu người sử dụng tách sóng Sơ đồ mơ tả ngun lý tổng quát loại nhiễu cho hình 5.6 154 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp d^1(m) Máy thu thông thường r(t) Tái tạo r 1(t) ^d (m) Máy thu thông thường Trễ Tái tạo Trễ r2 (t) ^d (m) Máy thu thông thường ^d K-1(m) Máy thu thông thường Tái tạo Trễ r K-1(t) ^d (m) K Máy thu thơng thường Hình 5.6 Sơ đồ mơ tả ngun lý tách sóng loại bỏ nhiễu Kỹ thuật dựa phương pháp loại bỏ dạng sóng gây nhiễu khỏi tín hiệu thu sau lần chúng tách sóng Khi thực định thông tin phát người sử dụng thứ k, ta coi định cho người sử dụng k+1, , K bỏ qua có mặt người sử dụng 1, ,k-1 Vì định bit thơng tin người sử dụng k hệ thống đồng xác định sau: K dk sig Y k (5.54) E jr R kj (0)d j j k Yk đầu tương quan hay lọc phối hợp tương ứng với chữ ký k Phương pháp thực cách giải điều chế tín hiệu người sử dụng theo thứ tự cơng suất tín hiệu thu giảm dần mà khơng cần để ý đến trương quan chéo người sử dụng Một cách khác giải điều chế tín hiệu người sử dụng theo công suất đầu tương quan chéo hay lọc phối hợp, nghĩa theo đo tương quan: E Tb Tb r(t)C k (t)dt E rj R 2kj (0) = E rk j k N0 (5.55) áp dụng cho trường hợp truyền dẫn đồng 155 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp Vì phải tách tín hiệu tất người sử dụng cách độc lập máy thu thông thường, nên phải biết chữ ký, định thời pha tất người sử dụng Để phân cấp người sử dụng, cần đánh giá xác biên độ người Độ phức tạp của máy thu tỷ lệ tuyến tính với số người sử dụng Ta đơn giản hố máy thu nói cách thay cho việc loại bỏ tất nhiễu ta loại bỏ nhiễu số người gây nhiễu lớn 5.4.3.2 Bộ tách sóng loại bỏ nhiễu đa tầng (MIC) Có nhiều kiểu thực loại nhiễu khác Bộ tách sóng loại bỏ nhiễu đa tần (MIC: Multistage Interference Cancellation) sử dụng lặp nhiều lần trình tách bit cuả người sử dụng loại bỏ nhiễu Tầng SIC tách sóng tối ưu Tầng trừ dạng sóng thu với MAI đánh giá tầng trước Sơ đồ khối máy thu với lọc phối hợp tầng đầu cho hình 5.7 Lưu ý máy thu tất nhiễu đồng thời bị loại khỏi tín hiệu ngừơi sử dụng khác với máy thu hình 5.6 mà có tín hiệu mạnh bị loại bỏ khỏi tín hiệu người sử dụng y (m ) iTc (.)dt ( i 1) Tc iTc i 1 mTb cos(c t 1 ) T (.)dt ( i 1) Tc y (m ) iTc mTb cos(c t K ) T Y (m ) N (.) i 1 y (m ) iTc ( i 1) Tc 1)Tb d1 (m) (m 1)Tb Bé xư lý ®a tÇng d (m) c i2 cos(c t ) T (.)dt (m Bé xö lý đa tầng c1i iTc r(t) Y (m ) N (.) iTc mTb (.) i 1 c Y K (m ) N (m Bé xö lý ®a tÇng K d K (m) 1)Tb i K Hình 5.7 Bộ tách sóng loại bỏ nhiễu đa tầng (MIC) Để làm thí dụ ta xét hệ thống đồng có hai người sử dụng Giả sử tầng tách sóng đầu tách sóng giải tương quan Ước tính bit hai người sử dụng đầu tầng xác định sau: 156 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp d1 sign Y1 d2 R (5.56) d2 sign Y d1R (5.57) R=R12=R21 ¦íc tính bit cho tầng hai: d1 sign Y E r2 d R (5.58) d2 sign Y E1r d1R (5.59) Ước tính bit cho tầng ba: d1 sign Y1 E 2r d R (5.60) d2 sign Y E1r d1R (5.61) Máy thu đa tầng cho hai người sử dụng cho hình 5.8 Mỗi nhánh hình 5.8 bao gồm máy thu thông thường (trên sở lọc phối hợp) nhân để nhân tín hiệu sau tách sóng với chuỗi mã Hình 9.8 mơ tả thao tác tầng, thao lác lặp lại nhiều tầng 157 Chương Mô hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp r(t) + Trễ Máy thu thông thường Mch quyt inh r1 (t) Tái tạo r2 (t) Cỏc tng tip theo Tái tạo Mch quyt nh r(t) Tr + Máy thu thơng thường Hình 5.8 Máy thu đa tầng cho hai người sử dụng Bộ loại nhiễu Kohno gồm máy thu lọc phối hợp thông thường tầng đầu cân hồi tiếp định tầng hai Máy thu hồi tiếp định giải tương quan Duel-Hallen có máy thu giải tương quan tầng đầu lọc định hồi tiếp để lọai bỏ nhiễu đa người sử dụng Các định giá trị tín hiệu cuả người sử dụng thực theo thứ tự biên độ thu giảm dần Như máy thu cuả tín hiệu mạnh khơng có hồi tiếp tương đương giải tương quan Mặt khác máy thu cho tín hiệu gần kết hợp định tất tín hiệu người sử dụng khác Và có nhiều người sử dụng công suất, hiệu hoạt động loại nhiễu bị giảm tách xác tín hiệụ ngừơi sử dụng Trong hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong, cải thiện hiệu so với máy thu thơng thường bị hạn chế nhiễu đến từ ô khác Trạm gốc kiểm soát nhiễu khơng thể loại chúng 158 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp 5.4.4 Tách sóng đa người sử dụng cho thông tin di động hệ ba 5.4.4.1 Tách sóng đa người sử dụng cho thơng tin di động hệ ba Việc lựa chọn kỹ thuật tách sóng đa người sử dụng cho máy thu trạm gốc hệ ba CDMA nghiên cứu Cả hiệu máy thu độ phức tạp thực nghiên cứu Kết luận nghiên cứu thời máy thu đa người sử dụng sở loại bỏ nhiễu song song đa tầng (PIC) thích hợp cho hệ thống CDMA với hệ số trải phổ Nguyên lý máy thu PIC tầng cho hai người sử dụng cho hình 5.9 Loại bỏ nhiễu song song có nghĩa nhiễu loại bỏ đồng thời cho tất người sử dụng Trong máy thu loại bỏ nhiễu nhiều tầng người ta cải thiện hiệu loại bỏ cách sử dụng lại định thực sau loại bỏ nhiễu tầng Máy thu loại bỏ nhiễu đa tầng cho hình 5.10 RAKE tách sóng r(t ) Các định ướm thử Các đánh giá kênh Các đánh giá kênh RAKE tách sóng RAKE Đánh giá MAI Các đánh giá kênh Đánh giá MAI Các đánh giá kênh Các định ướm thử RAKE Giải đan xen Giải mã Giải đan xen Giải mã RAKE máy thu chống pha đinh dựa nguyên lý phân tập đa đường (xem chương 6) Hình 5.9 Máy thu loại bỏ nhiễu song song cho hai người sử dụng 159 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp MRC & tách sóng Các định ướm thử Các đánh giá kênh Đánh giá MAI Tín hiệu thu Loại bỏ nhiễu MRC= Maximum Ratio Combining = Kết hợp tỷ lệ cực đại MRC & tách sóng Các đánh giá kênh Các định ướm thử Đáng giá MAI Loại bỏ nhiễu MRC Giải đan xen Giải mã Hình 5.10 Máy thu loại bỏ nhiễu đa tầng Việc lựa chọn tách sóng đa người sử dụng cho hệ thống CDMA đa dịch vụ với hệ số trải phổ biến đổi nghiên cứu Máy thu loại nhiễu nối nhóm (GSIC: Groupwise Serial Interference Cancellation) ứng cử thích hợp cho trình độ cơng nghệ máy thu Trong máy thu GSIC nhóm người sử dụng với hệ số trải phổ tách sóng song song, sau nhiễu đa truy nhập họ gây loại trừ khỏi người sử dụng có hệ số trải phổ khác Nguyên nhân chủ yếu làm cho GSIC có hiệu công suất cuả người sử dụng phụ thuộc vào hệ số trải phổ Bằng cách bắt đầu loại bỏ người sử dụng với hệ số trải phổ thấp ta loại bỏ người sử dụng có cơng suất lớn (các nguồn nhiễu nghiêm trọng nhất) trước 5.4.4.2 Cấu trúc PIC Giải thuật PIC (Parallel Interference Canceller: triệt nhiễu song song) trình bày hình 5.11 giải thuật PIC dư Tầng đầu bao gồm ngân hàng RAKE để đưa định bit ướm thử cho người sử dụng ( dˆ k ) Các ước tính kênh thực tầng Rake Sau tầng Rake hay nhiều tầng triệt nhiễu Các tầng triệt nhiễu bao gồm ước tính nhiễu (tạo MAI) máy thu Rake với triệt nhiễu 160 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp Trễ Các tín hiệu dư Trễ dpdch r1 rM Rake dpdch dpcch C&t Rake Tạo MAI dpdch Rake K dpcch dpdch dpcch Rake K C&t dpcch Tầng Rake dpdch: định bit ướm thử kênh lưu lượng dpcch: định bit ướm thử kênh điều khiển C&t: Ước tính kênh Tầng triệt nhiễu Hình 5.11 Máy thu PIC với M anten phân tập Các định bit ướm thử ước tính kênh đưa đến ước tính nhiễu (tạo MAI) để tính tốn ước tính tín hiệu thu băng rộng Sau tín hiệu thu trễ trừ ước tính để phần dư Phần dư giải trải phổ sau cộng với tích ước tính kênh định bit nhận từ tầng Rake trước Sau tầng triệt nhiễu Rake ta nhận định cuối nhiễu loại bỏ Lý sử dụng PIC dư cấu trúc thực hiện, nghĩa cần phân bố tín hiệu băng rộng từ tầng Rake cho tầng triệt nhiễu song song (PIC) Trong PIC thông tường ta cần ước tính nhiễu rieng cho người sử dụng Lưu ý hiệu PIC dư giống hiệu PIC thông thường Một vấn đề xẩy PIC định cứng định ướm thử bị sai, nhiễu nhân đôi tần triệt nhiễu Để khắc phục vấn đền sử dụng thiết bị định cứng vùng rỗng hay sử dụng ngưỡng đinh thích ứng ngưỡng xây dựng dựa tên thống kê đầu lọc thích ứng Triệt nhiễu chi thực tín hiệu tín cậy Tiêu chuẩn 3GPP giá thành thực máy thu đặt yêu cầu sở cho máy thu PIC Mã hóa kênh mạnh đặc tả tiêu chuẩn thường hệ số trải phổ thấp sử dụng nói lên SINR thấp máy thu dẫn đến định ướm thử không tin cậy BER trước giải mã cao Điều có nghĩa PIC định cứng khơng thể làm việc tốt định ướm thử sai, nhiễu tương ứng tăng 161 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp gấp đôi Để giảm giá thành, PIC sử dụng cải thiện hiệu từ tăng hai tầng ba không lớn 5.5 TỔNG KẾT Chương xét mơ hình tổng qt kênh DSCDMA Mơ hình ứng dụng rộng rãi hệ thống thông tin di động hệ (gọi tắt 3G) như: W-CDMA cdma2000 Để mơ hình kênh hoạt động người sử dụng cần cấp phát mã trải phổ trực giao (xem chương 2) Các mã mã giả tạp âm (PN) mã Walsh Dựa mơ hình kênh DSCDMA chương đưa cơng thức tính tốn dung lượng đơn giản để thiết kế hệ thống (phương trình 5.39) Từ phương trình ta thấy số người sử dụng tối đa ô phụ thuộc vào: hệ số nhiễu từ ô khác , độ lợi nhờ phân đoạn ô , hệ số tích cực tiếng hệ số điều khiển cơng suất hồn hảo Để giảm thiểu nhiễu đến từ ô khác hệ thống phải thực chuyển giao tối ưu Việc phân đoạn ô cách sử dụng nhiều anten có búp sóng hẹp giảm nhiễu đồng kênh tăng dung lượng Vì thiết kế hệ thống ta cần lưu ý đến vấn đề Ngoài điều làm nẩy sinh ý tưởng xây dựng mơ hình anten thơng minh anten thích ứng Tiếng nói đàm thọai nguồn gây nhiễu đồng kênh Để giảm nhiễu người ta thiết kế CODEC có tốc độ bit thay đổi tùy theo tần suất tiếng Điều khiển công suất bắt buộc hệ thống CDMA để tránh tượng xa gần Vì thiết kế ta cần lưu tâm đển đạt hệ số diều khiển cống uất hoàn hảo gần Việc tính tốn BER cho đường xuống (từ BTS đến MS) tương đối đơn giản coi đường truyền CDMA đồng (các tín hiệu phát cho người sử dụng khác đến máy thu xét đồng thời) Nhưng tính toán BER cho đường lên (từ MS đến BTS) phức tạp đường truyền CDMA khơng đồng ( tín hiệu người sử dụng từ MS đến BTS bị trễ khác phụ thuộc vào vị trí họ) Trong trường hợp mã trải phổ người sử dụng khơng cịn trực giao dẫn đến nhiều đồng kênh tăng Nhiễu xác định theo phương trình (5.28) Phân tích hệ thống điều chế khác áp dụng cho CDMA cho thấy sử dụng điều chế BPSK QPSK thích hợp Chính lý hệ thống 3G phiên sử dụng phương thức điều chế Để tăng thêm dung lượng hệ thống, hệ thống 3G phiên sau áp dụng M-QAM với M>4 Nhiễu đồng kênh thường lớn đường lên truyền dẫ đồng bộ, tách sóng tương quan (phối hợp) khơng loại bỏ nhiễu MAI dẫn đến tỷ số tín hiệu nhiễu cộng tap âm (SINR) thấp Để khắc phục tính trạng máy thu BTS sử dụng 162 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp tách sóng đa người sử dụng Trong tách sóng nhiễu MAI lọai bỏ q trình tách sóng Do tách sóng đa người sử dụng dựa nguyên lý máy thu tối ưu phức tạp (số lần tính tốn để tìm chuỗi thu người sử dụng tỷ lệ với hàm mũ số người sử dụng) máy thu tối ưu sử dụng Các máy thu 3G WCDMA sử dụng tách sóng PIC đa tầng 5.6 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP Giả thiết ta nhân tạp âm Gauss trung bình khơng n(t) với c(t)sin(2fct+) sau lấy tích phân tích nhận thời gian 2Tb giây, tìm giá trị trung bình đầu Z tích phân? (a) Bằng không; (b) Khác không Điều kiện giống câu Tìm phương sai đầu Z tích phân? (a) Bằng N0T/2; (b) N0T/4; (c) N0T Hiệu hệ thống thông tin DSCDMA (a) nhiễu hạn chế; (b) lượng hạn chế; (c) tạp âm hạn chế; (d) không nhậy cảm với hiệu ứng xa-gần chuỗi trải phổ dài sử dụng Nếu ta tăng gấp đôi độ dài chuỗi hệ thống DSCDMA (a) số người sử dụng phép tăng gấp đơi (b) tỷ số tín hiệu tạp âm giảm nửa; (c) p.b.e giảm nửa; (d) tất điều nói (e) khơng điều nói Giả thiết Ebr/N0 = 15dB, K/N=0,1 N lớn, tìm BER CDMA BPSK sử dụng công thức (5.8) công thức gần sau: Q(x) exp(-x / 2) /( x) Tính dung lượng hệ thống CDMA theo số người sử dụng /đoạn ô với liệu sau: Eb N0 dB , nhiễu từ ô lân cận 60%, thừa số tích cực tiếng 50%, Thừa số điều khiển cơng suất xác 0,8; Độ lợi phân đoạn ô : 2,5, Độ rộng băng tần vô tuyến : 1,25 Mhz, Tốc độ bit thông tin : 9,6 kbps 10; (b) 26; (c) 40 Tìm tốc độ chip cần thiết chuỗi PN cho hệ thống DSCDMA sử dụng chế BPSK với thông số sau:Eb/N0=6,8dB, tốc độ bit kênh 9,6 kbps; nhiễu từ khác 60%; thừa số tích cực tiếng 50%; độ xác điều khiển cơng suất 0,8; không sử dụng phân đoạn ô (a) 100kcps; (b) 1Mcps; (c) 1,8Mcps 163 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp (tiếp) Xác suất lỗi bit trường hợp bao nhiêu? Sử dụng công thức gần sau Q(x) exp(-x / 2) /( x) (a) 1,5.10-2; (b) 1,5.10-3; (c) 1,5.10-4 Các hệ thống thông tin di động CDMA sử dụng điều chế sau đây? (a) BPSK; (b) QPSK; (c) GMSK; (d) DPSK 10 Xét hai người sử dụng hệ thống CDMA truyền dẫn đồng với tín hiệu thu là: Erj j Tb r(t) d j (t)C j (t) n(t) 0tTb dj(t)=1 n(t) tạp âm Gauss trăng cộng có trung bình khơng mật độ phổ cơng suất N0/2 (a) Tìm đầu tương quan Y1 Y2 thời điểm t=T (b) Tìm phương sai n1 n2 164 ... dụng phương trình (5. 29) (5. 32) ta được: 144 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp Er '' N0 (SNR) in G p Gp Pr BN (K 1) Pr (1 ) (5. 35) Giải phương trình (5. 35) cho K... đánh giá tường minh 147 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp thành phần nhiễu đa truy nhập sau trừ với tín hiệu thu Loại bỏ nhiễu đa truy nhập thực song song cho... N0'' xác 2 định theo phương trình (5. 30) 143 Chương Mơ hình kênh đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp Ta biểu diễn tỷ số số tín hiệu tạp âm cộng nhiễu phương trình (5. 31) sau: Erk N''0