LUẬN VĂN THẠC SĨ: TÌM HIỂU HIỆU NĂNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG TRONG HỆ MCCDMA

LUẬN VĂN THẠC SĨ: TÌM HIỂU HIỆU NĂNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG TRONG HỆ MCCDMA . Thế kỷ 21 được xem như kỷ nguyên của thông tin kỹ thuật số với các dòng bit dịch chuyển toàn cầu, kết nối toàn thế giới. Và con người đã phải thừa nhận sự lệ thuộc của mình vào thế giới đa truyền thông kỹ thuật số (Multimedia) kỳ diệu này. Truyền thông di động cũng không nằm ngoài vòng kết nối đó với hàng loạt công nghệ tiên tiến tham gia phục vụ con người. Hiện có hơn 50 quốc gia trên thế giới triển khai ứng dụng công nghệ CDMA với trên 100 mạng. Việt Nam đang sử dụng hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM dựa trên công nghệ TDMA. Công nghệ này đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu ít tốn kém hơn CDMA. Tuy nhiên, công nghệ CDMA có tính bảo mật tín hiệu cao hơn TDMA, nhờ sử dụng tín hiệu trải phổ. Các tín hiệu băng rộng khó bị rò ra vì nó xuất hiện ở mức nhiễu, những người có ý định nghe trộm sẽ chỉ nghe được những tín hiệu vô nghĩa. Ngoài ra, với tốc độ truyền nhanh hơn các công nghệ hiện có, nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai nhiều tùy chọn dịch vụ như thoại, thoại và dữ liệu, fax, Internet, ... Theo các chuyên gia CNTT Việt Nam, xét ở góc độ bảo mật thông tin, CDMA có tính năng ưu việt hơn. Không chỉ ứng dụng trong hệ thống thông tin di động, CDMA còn thích hợp sử dụng trong việc cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến cố định với chất lượng ngang bằng với hệ thống hữu tuyến, nhờ áp dụng kỹ thuật mã hóa mới. Đặc biệt các hệ thống này có thể triển khai và mở rộng nhanh và chi phí thực hiện thấp hơn hầu hết các mạng hữu tuyến khác, vì đòi hỏi ít trạm thu phát. Trong phạm vi của Luận văn này, tác giả sẽ trình bày về công nghệ OFDM, công nghệ CDMA, các mô hình trải phổ đa sóng mang MCSS và tìm hiểu hiệu năng của các phương pháp tách tín hiệu trong hệ MCCDMA. Nội dung chính gồm 4 chương được trình bày như sau: Chương 1: Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM. Tác giả trình bày về cơ sở để thực hiện mô hình hệ thống OFDM, phân tích mô hình điều chế và giải điều chế hệ thống OFDM sử dụng bộ biến đổi FFTIFFT từ đó đi sâu vào phân tích một số ưu điểm và hạn chế chính của hệ thống này. Chương 2: Công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Tác giả trình bày nguyên lý chung của hệ thống CDMA, nêu lên một số đặc trưng chính của hệ thống CDMA. Tìm hiểu về nguyên lý thu, phát; các đặc trưng, ưu nhược điểm của một số giao thức CDMA như: hệ thống DS, hệ thống FH, hệ thống TH, hệ thống lệch tần và một số hệ thống lai. Chương 3: Các mô hình trải phổ đa sóng mang MCSS. Tác giả trình bày tổng quan về nguyên lý, đặc điểm kỹ thuật của các giải pháp đa sóng mang MCSS (MCCDMA, MCDSCDMA và MTCDMA). Từ đó đánh giá sơ bộ ưu điểm, hạn chế của hệ thống này. Chương 4: Bài toán tách tín hiệu trong hệ thống MCCDMA. Từ những khảo sát tổng quan về nguyên lý và đặc điểm kỹ thuật của các giải pháp đa sóng mang, tác giả đi sâu vào tìm hiểu, tìm hiểu vấn đề nâng cao chất lượng của các phương pháp tách tín hiệu trong hệ thống MCCDMA trong môi trường đơn tế bào và môi trường đa tế bào. Chương này trình bày các biểu thức giải tích và đánh giá hiệu năng của các kỹ thuật tách sóng đơn người dùng và kỹ thuật tách sóng đa người dùng của hệ thống MCCDMA. Tìm hiểu mối quan hệ giữa các giải pháp tách tín hiệu tuyến tính MMSEC và MMSE MUD. Phần cuối chương, tác giả đưa ra một số kết quả mô phỏng. Phụ lục: gồm một số chương trình mô phỏng bằng phần mềm Matlab, kết quả đã đưa ra ở chương 4. Do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo cũng như thời gian nghiên cứu có hạn, nên Luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Rất mong được sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các Thầy cô và bạn đọc. Thư về địa chỉ: haint0383yahoo.com Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Viết Kính, giáo viên hướng dẫn đề tài, đã tận tình giúp đỡ định hướng đề tài, tài liệu tham khảo cho em trong suốt quá trình hoàn thành Luận văn. Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô khoa Điện tử Viễn thông cùng các Thầy Cô Phòng đào tạo Sau đại học trường Đại học Công nghệ ĐHQG Hà Nội đã giúp đỡ, đào tạo trong suốt thời gian em học tập tại trường. Hà Nội, ngày 08 tháng 12 năm 2007 Học viên thực hiện Ngô Thị Thanh Hải Chương 1 – KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM 1.1 Giới thiệu 1,3,4 Trong những năm gần đây, thông tin vô tuyến dựa trên kỹ thuật điều chế đa sóng mang (MCM) được quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Giải pháp kỹ thuật này đã được đề xuất trong thông tin tốc độ cao từ những năm 50, hệ thống đầu tiên sử dụng kỹ thuật MCM là hệ thống vô tuyến KINEPLEX và KATHRYN sử dụng trong quân đội, với 20 sóng mang con, mỗi sóng mang truyền dữ liệu 150 bits. Sau này với sự phát triển của công nghệ xử lý tín hiệu số, việc xử lý tín hiệu trên các sóng mang trực giao được thiết lập hiệu quả nhờ phép biến đổi Fourrier rời rạc (DFT) và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) càng được quan tâm hơn trong thông tin vô tuyến. Kỹ thuật OFDM là trường hợp riêng của kỹ thuật điều chế đa sóng mang. Như vậy, OFDM được nhìn theo cả kỹ thuật điều chế và kỹ thuật ghép kênh. Kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao với những ưu điểm nổi bật như khả năng đáp ứng truyền thông tốc độ cao, ổn định, khả năng chống nhiễu tốt đặc biệt là chống phading đa đường trên những môi trường khác nhau: hữu tuyến cũng như vô tuyến, hiệu quả sử dụng phổ tần cao, … đã trở thành một kỹ thuật quan trọng được nghiên cứu và triển khai trên nhiều hệ thống với các chỉ tiêu kỹ thuật cao, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội về loại hình truyền tin đa phương tiện trong thời gian hiện nay. Hệ thống OFDM hoạt động trên nguyên lý phân chia luồng dữ liệu thành nhiều luồng dữ liệu song song có tốc độ bit thấp hơn và sử dụng các luồng con này để điều chế sóng mang con có tần số khác nhau. Hệ OFDM phân chia dải tần làm việc thành các băng tần con khác nhau để điều chế, đặc biệt tần số trung tâm của các sóng mang con này trực giao với nhau về mặt toán học, cho phép phổ tần của các băng con chồng lên nhau mà không gây nhiễu, điều này làm tăng hiệu quả sử dụng băng tần. Mặc dù công nghệ này đã được biết đến từ những năm 60 của thế kỷ trước trong các hệ thống vô tuyến quân sự nhưng ít được quan tâm. Chỉ khi các công nghệ xử lý tín hiệu phát triển, đặc biệt với việc đề xuất sử dụng các thuật toán FFTIFFT cho điều chế và giải điều chế sóng mang, cách chèn khoảng bảo vệ để tối thiểu hoá nhiễu giao thoa ISI và nhiễu xuyên kênh ICI

Giới thiệu

Một trong những vấn đề quan trọng liên quan đến việc thực hiện các hệ thống thông tin di động nói chung cũng như hệ thống MC-CDMA nói riêng là tách tín hiệu Bài toán đặt ra cho chúng ta là: hệ thống làm sao có chất lượng tốt nhất, tức là tín hiệu thu trong hệ thống MC-CDMA phục hồi giống như tín hiệu phát trước đó, trên cơ sở công nghệ và giá thành chấp nhận được Thiết kế các bộ tách tín hiệu đã và đang nhận được sự quan tâm rộng rãi Mặc dù có rất nhiều công trình nghiên cứu tách tín hiệu cho hệ thống MC-CDMA, song việc nâng cao chất lượng của hệ thống vẫn còn là thách thức cho các nhà khoa học không chỉ hiện tại mà còn cả ở tương lai.

Tách tín hiệu trong hệ MC-CDMA có thể thực hiện theo hai hướng:

- Tách đơn người dùng SUD

- Tách đa người dùng MUD

Kỹ thuật SUD thực hiện nhận dạng tín hiệu của người dùng mong muốn khi có tín hiệu của người dùng không mong muốn, như tín hiệu đa truy nhập MAI Trong khi đó, kỹ thuật MUD kết hợp nhận dạng tín hiệu của nhiều người dùng trong hệ thống.

Trong hệ thống MC-CDMA, kỹ thuật SUD được thể hiện bằng cách sử dụng nối tiếp các bộ cân bằng bậc nhất cho mỗi sóng mang để bù lại méo phading trên mỗi sóng mang, sau đó sử dụng mã trải phổ để giải điều chế tín hiệu thu SUD là giải pháp tối ưu nếu hệ thống MC-CDMA sử dụng truyền dẫn đồng bộ với mã trải phổ trực giao Walsh-Hadamard Tuy nhiên trong môi trường phading chọn lọc tần số, tính trực giao của mã trải phổ không còn nữa, gây ra các thành phần nhiễu đa truy nhập MAI Do đó, tính tối ưu của kỹ thuật SUD không giữ được Để khắc phục hạn chế trên, người ta sử dụng những giải pháp nhằm chống lại ảnh hưởng phading, qua đó hạn chế MAI Một số giải pháp đưa ra là sử dụng tổ hợp độ lợi cân bằng EGC, cân bằng cưỡng ép không

ZF, tổ hợp tỷ số cực đại MRC, cân bằng theo lỗi bình phương trung bình cực tiểu MMSE Ta sẽ xét chi tiết các vấn đề này ở phần sau.

Kỹ thuật MUD có thể được sử dụng nếu bộ tách tín hiệu biết được cấu trúc mã trải phổ trong tín hiệu của người sử dụng khác Khi đó MAI không còn bị xem như tạp âm nữa Hiệu năng của hệ thống MC-CDMA sử dụng tách đa người dùng MUD được nâng cao so với SUD, tuy nhiên cấu trúc bộ tách tín hiệu phức tạp hơn Có thể thực hiện MUD theo hai cách:

- Sử dụng tách tín hiệu kết hợp JD

- Sử dụng tách tín hiệu triệt nhiễu IC

Cấu trúc JD là cấu trúc tách tín hiệu tối ưu theo tiêu chuẩn hợp lý cực đại ML sử dụng ước lượng chuỗi gần giống nhất MLSE hoặc ước lượng từng ký tự gần giống nhất MLSSE Với hệ thống thông tin một sóng mang, độ phức tạp của hệ thống tỷ lệ theo hàm mũ của số lượng người dùng đồng thời trong hệ thống nên giải pháp này chỉ có thể thực hiện hiệu quả khi số người dùng thấp Tuy nhiên, trong hệ thống MC-CDMA, bằng việc sử dụng kết hợp với kỹ thuật FDMA, độ phức tạp của bộ tách tín hiệu giảm đến mức chấp nhận được.

Nguyên lý của triệt nhiễu IC là thực hiện tách tín hiệu thông tin người dùng gây nhiễu theo SUD, sắp xếp lại phân bố nhiễu trong tín hiệu thu được rồi thực hiện loại trừ nhiễu để thu được tín hiệu cần thiết Khi phân bố nhiễu trong tín hiệu thu được là phân bố đều, giải pháp thích hợp là sử dụng kỹ thuật triệt nhiễu song song PIC, tức là xử lý theo IC thực hiện đồng thời Khi phân bố nhiễu trong tín hiệu thu được không phải là phân bố đều, giải pháp thực hiện triệt nhiễu nối tiếp SIC lại thích hợp hơn, tức là tách thành phần nhiễu mạnh nhất, sau mỗi bước xử lý, sẽ được loại ra khỏi tín hiệu thu.

Qua phân tích sơ bộ, các giải pháp tách tín hiệu trong hệ thống MC-CDMA rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố Vì vậy, trong Luận văn này chỉ hạn chế việc xét kỹ thuật tách tín hiệu MC-CDMA cho kênh đường xuống,trong môi trường đơn tế bào.

Các kỹ thuật tách tín hiệu của hệ thống MC-CDMA trong kênh đường xuống

Mô hình hệ thống MC-CDMA trong môi trường đơn tế bào

Sơ đồ khối của máy phát và máy thu của hệ thống MC-CDMA mô tả như trên hình 4.1 Chúng ta xem xét hệ thống MC-CDMA ở kênh đường xuống với K dòng dữ liệu độc lập tương ứng với K người dùng khác nhau.

Hình 4.1: Máy phát và máy thu MC-CDMA cho kênh đường xuống.

P /S E qu al iz er G S/ P IF F T FF T P/ S S /P C hè n kh ỏa ng b ảo v ệ L oạ i k ho ản g bả o vệ K ên h R ay le ig h P ha di ng E qu iv al en t F re qu en cy C ha nn el

Ký hiệu dữ liệu d k (i) tại thời điểm i được ấn định cho người dùng k với

T có kích thước K  l chứa ký hiệu dữ liệu của mỗi người dùng Ở đây  T là ký hiệu vectơ chuyển vị Ký hiệu d k (i) được nhân với mã trải phổ xác định rõ cho mỗi người dùng c  c , c , ,c T với độ dài L Ta giả thiết rằng, các mã trải phổ là trực giao k  k ,1 k ,2 k ,L  với nhau, do L tương ứng với hệ số trải phổ và bằng số người dùng hoạt động đồng thời cực đại trong hệ thống Trong hệ thống MC-CDMA, mã Walsh- Hadamard được sử dụng để trải phổ. Để đơn giản, chúng ta xem hệ số trải phổ L bằng số sóng mang N c và các phần tử của chuỗi trải phổ c k,l của người dùng thứ k tại sóng mang l được chuẩn hóa giá trị c k ,l  1/ L, 1/ L ,l 1, 2, , L Khi đó, ma trận trải phổ của các người dùng trong hệ thống MC-CDMA có kích thước N c 

Mỗi cột của ma trận C là ứng với chuỗi trải phổ của mỗi người dùng hoạt động trong hệ thống Các ký hiệu dữ liệu điều chế QPSK của mỗi người dùng được nhân với chuỗi trải phổ của từng người trước khi chuyển đổi nối tiếp sang song song Tín hiệu của hệ thống MC-CDMA trong kênh đường xuống là: s = Cd (4.2) trong đó s  s , s , , s T là vectơ có kích thước N 1, chứa các ký hiệu dữ

 1 2 N c  c liệu phát trên các sóng mang con Tiếp theo là biến đổi IFFT và chèn thêm khoảng bảo vệ dưới dạng tiền tố vòng CP để tránh nhiễu xuyên ký hiệu ISI và nhiễu xuyên kênh ICI Sau đó, tín hiệu được truyền qua kênh phading đa đường. Ở đây, ta giả thiết các hệ số phading phức là độc lập trên mỗi sóng mang và bằng hằng số trong thời gian truyền 1 ký hiệu OFDM.

Tại máy thu, sau khi loại khoảng bảo vệ và giải điều chế OFDM, thì tín hiệu thu được có thể biểu diễn như sau: r  r , r , , r T  Hs + n

Trong đó, H là ma trận kênh có kích thước N c 

N c với các phần tử đường chéo chứa độ suy hao kênh phức của mỗi sóng mang:

Hệ số kênh phức hợp H N c  và vectơ tạp âm Gauss trắng cộng tính AWGN có kích thước N c 1 được ký hiệu là n, với các thành phần n l là tạp âm trên sóng mang thứ l có trung bình bằng 0 và phương sai là σ n 2

Kỹ thuật tách tín hiệu nhờ bộ cân bằng trong hệ MC-CDMA

Tách tín hiệu trong hệ MC-CDMA có thể được phân thành 2 chiến lược chính, đó là: tách tín hiệu đơn người dùng SUD và tách tín hiệu đa người dùng MUD.

4.2.2.1 Tách tín hiệu đơn người dùng SUD Đối với kỹ thuật này, máy thu chỉ biết mã trải phổ của người dùng mà nó quan tâm, tức là nó không biết mã trải phổ của người dùng khác trong hệ thống và giải pháp này không tính đến MAI Nhiễu từ các người dùng khác trong hệ thống được xem giống như tạp âm của kênh và máy thu sẽ không cố gắng tận dụng mà sẽ loại bỏ tạp âm này Trong hệ thông tin di động SISO MC-CDMA, kỹ thuật SUD được thực hiện bằng một tập hợp các bộ cân bằng đoạn “tap” thích nghi để chống lại méo biên độ và pha do kênh phading gây nên trên mỗi sóng mang.

Sau khi làm bằng, chuỗi tín hiệu thu tại đầu ra bộ cân bằng là: y   y , y , , y T  Gr  GHCd + Gn (4.5)

 1 2 N c  với G là ma trận hệ số cân bằng có kích thước N c 

N c với các phần tử đường chéo là các hệ số cân bằng giá trị phức của sóng mang mà s l được truyền trên đó.

Các hệ số cân bằng giá trị phức có thể thu được từ việc ước lượng kênh thông qua các tín hiệu dẫn đường được chèn vào trong các ký hiệu OFDM.

Tín hiệu đầu ra phức y của bộ cân bằng được giải trải phổ nhờ sự tương quan của nó, mã trải phổ được định rõ cho từng người dùng Tín hiệu của người dùng thứ k sau khi quyết định là:

Q   là phép lượng tử hóa Tiếp theo, ta nghiên cứu và phân tích chi tiết biểu thức giải tích của các giải pháp cân bằng cho kỹ thuật SUD. a Tổ hợp tỷ số cực đại (MRC)

Tổ hợp tỷ số cực đại MRC là một kỹ thuật kết hợp dữ liệu từ các nhánh phân tập tần số khác nhau để cải thiện hiệu suất của hệ thống truyền thông không dây Giải pháp này chọn nhánh có tỷ số lỗi bit BER thấp nhất và kết hợp các bản sao có cùng thông tin của tín hiệu từ các nhánh khác để đạt được tỷ số lỗi bit tổng thể thấp nhất tại máy thu.

Giải pháp MRC hiệu chỉnh sự dịch pha theo bội số tín hiệu thu được, các nhánh phân tập được đánh trọng số theo liên hợp phức của các hệ số kênh.

  * l l là liên hiệp phức và H l  l 1,2, , N c

 là thành phần đường chéo của ma trận H N c là thành phần của s l được truyền đồng thời trên N c sóng mang chứa các thông tin của ký hiệu dữ liệu Các s l đã được đánh trọng số với chip được ấn định của mã trải phổ trước khi truyền Để đạt được sự trực giao giữa các chuỗi s l Nhưng sự trực giao này sẽ mất trong kênh phading đa đường Chính vì vậy, khi áp dụng giải pháp MRC thì sự trực giao giữa các mã trải phổ c k , k=1,2,

…,K bị mất Do vậy, giải pháp MRC làm tăng nhiễu giữa các người dùng.

Tuy nhiên, trong trường hợp một người dùng, giải pháp MRC cho chất lượng tốt nhất vì không có thành phần MAI Trong đó BER của MRC cho K=1 chính là giới hạn lỗi bit giống như bộ lọc hòa hợp MF mà nó là giới hạn dưới của xác suất lỗi bit BER, P b của bất cứ bộ tách dữ liệu bất kỳ nào. b Tổ hợp độ lợi bằng nhau (EGC)

Tổ hợp độ lợi cân bằng EGC cũng được gọi là giải pháp cân bằng pha Tuy nhiên, giải pháp này chỉ bù sự quay pha của tín hiệu gây ra bởi kênh, bằng việc chọn hệ số cân bằng kênh như sau:

EGC là giải pháp đơn giản nhất trong các kỹ thuật SUD vì nó chỉ cần thông tin về pha của kênh mà thôi. c Tổ hợp khôi phục trực giao (ORC)

Giải pháp khôi phục kênh trực giao còn gọi là giải pháp ZF (Zeros Forcing) mà hệ số cân bằng là nghịch đảo của hàm chuyển đổi kênh Giải pháp này có thể khử được nhiễu đa kênh truy nhập bằng cách khôi phục sự trực giao giữa các mã trải phổ định sẵn cho các người dùng với hệ số cân bằng, sao cho:

Nhược điểm chính của giải pháp này là đối với biên độ tín hiệu nhỏ thì độ cân bằng lại làm tăng tạp âm n l dẫn đến tỷ số tín hiệu trên tạp c

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu trung bình (SNR) tại đầu vào của bộ tách tín hiệu có thể giảm xuống 0 trên một số sóng mang, cho thấy khả năng khử nhiễu hiệu quả Để đánh giá hiệu suất khử nhiễu, có thể sử dụng tiêu chí lỗi bình phương trung bình cực tiểu (MMSEC), phản ánh mức độ chênh lệch giữa tín hiệu được xử lý và tín hiệu gốc.

Giải pháp cân bằng theo tiêu chuẩn MMSE là tối thiểu giá trị bình phương trung bình của lỗi l giữa tín hiệu phát s l trên các tín hiệu sóng mang thứ l và tín hiệu đầu ra y l của bộ cân bằng:

  s  G r (4.11) l l l l Để cực tiểu lỗi bình phương trung bình, tức là:

Mặt khác, ta biết rằng tín hiệu thu trên sóng mang thứ l được xác định:

(4.13) ở đây, s l   c k ,l d k , là tín hiệu phát trên sóng mang thứ l và k 1 sˆ  y  G r là tín hiệu thu được sau khi cân bằng.

Theo Wiener-Hopf, các hệ số cân bằng của ma trận G được xác định như sau:

Một số kết quả mô phỏng

Chuỗi trải phổ

Hệ thống CDMA cần chuỗi trải phổ có tính chất tương quan chéo tốt Mã Walsh Hadamard được dùng trong IS-95 Mã Waslh Hadamard được sinh bởi ma trận Hadamard, nó trực giao trong trường hợp trễ cụ thể mà không trực giao trong trường hợp tổng quát.

Hình 4.2: So sánh BER của bộ thu của hệ thống MC-CDMA dùng mã Gold và

Walsh, chiều dài mã Gold là 63, chiều dài mã Walsh là 64

MAI - nhiễu đa truy nhập

Nhiễu đa truy nhập MAI là yếu tố chính hạn chế hiệu suất và dung lượng của hệ thống Ảnh hưởng của nó được minh họa như trên hình 4.3 Chúng ta biết rằng, khi số người dùng tăng, nhiễu MAI là nguyên nhân làm giảm tỉ lệ BER Bộ thu MMSEC là một loại máy thu triệt nhiễu đa truy nhập MAI Khi số người dùng hoạt động trong hệ thống không quá lớn và có một số người dùng nhận được công suất lớn hơn so với các người dùng khác, ta có thể dùng thuật toán xấp

Average BER user=1 user=2 user=4 user=8 user user2 userd xỉ Gauss để xấp xỉ các thành phần MAI trong quyết định thống kê khi biến Gauss thay đổi ngẫu nhiên.

Hình 4.3: Ảnh hưởng của MAI trong hệ thống MC-CDMA

So sánh giữa các hệ thống MC-CDMA, FDMA và FDMA tối ưu (Optimal FDMA)

Hệ thống MC-CDMA được biết là sự kết hợp của hai kỹ thuật CDMA và OFDM Trong hệ thống MC-CDMA, tín hiệu dữ liệu sẽ được trải rộng nhờ mã DS-SS với các chip được truyền đi song song trong hệ thống OFDM Trong trường hợp tổng quát, tỉ lệ BER của hệ thống MC-CDMA thấp hơn so với hệ thống Optimal FDMA, nhưng lại tốt hơn hệ thống FDMA.

BER of MC-CDMA BER of FDMA BER of Optimal FDMA

Hình 4.4: So sánh BER của hệ thống MC-CDMA, FDMA, optimal FDMA, với Kd, chiều dài mã Walsh Ld

Đánh giá hiệu năng của các giải pháp tách tín hiệu

Hiệu suất các giải pháp được mô phỏng bằng phương pháp Monte Carlo Đường cong trong Hình 4.5 biểu diễn tỉ lệ lỗi bit trung bình (BER) theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) theo dB của hệ thống MC-CDMA với các giải pháp cân bằng năng lượng (EGC), kết hợp đa kênh (MRC) và ước lượng lỗi phương sai trung bình tối thiểu (MMSEC) cho hệ thống có 32 người dùng.

8 kênh và chiều dài mã Walsh là 64 Kết quả mô phỏng cho hệ MC-CDMA không sử dụng mã sửa lỗi Tín hiệu dữ liệu nguồn được điều chế QPSK độc lập, trải phổ, và được truyền trên các sóng mang tại đầu phát, sau tín hiệu được đưa qua kênh truyền phading Rayleigh Chúng ta giả thiết rằng, có thể ước lượng được đáp ứng tần số tốt và máy thu đã biết ma trận kênh H, do vậy ta có thể tính trực tiếp ma trận nghịch đảo.

Hình 4.5 mô tả hiệu suất của hệ thống MC-CDMA khi một nửa số người dùng đang hoạt động, tương ứng với số người dùng bằng một nửa độ dài mã trải phổ Walsh-Hadamard (K = 1/2L).

BER with EGC BER with MRC BER with MMSEC

Hình 4.5: So sánh BER của hệ thống MC-CDMA theo 3 phương pháp tổ hợp khác nhau: EGC, MRC, MMSEC: K2, N=8, Ld Khi sử dụng giải pháp tổ hợp tỷ số cực đại MRC, hiệu năng của hệ thống tồi nhất Giải pháp này chỉ cho hiệu suất BER nhỏ nhất trong trường hợp hệ thống có một người dùng, vì khi số người dùng tăng thì sự mất tính trực giao của mã Walsh sẽ gây ra nhiễu, và nhiễu này được nhân lên trong quá trình tổ hợp.

Giải pháp EGC không làm tăng tạp âm được xem là ưu điểm, tuy nhiên giải pháp này lại không tính đến nhiễu MAI gây ra do mất trực giao giữa các tín hiệu người dùng dẫn đến lỗi nền cao Do không làm tăng nhiễu nên giải pháp EGC có thể giúp duy trì hiệu suất BER ở mức chấp nhận được nếu đồng bộ các sóng mang con.

Giải pháp MMSEC trên sóng mang cho ta hiệu năng của hệ thống tốt nhất trong các kỹ thuật tách sóng trên, mặc dù giải pháp này yêu cầu biết tổng số người dùng đang hoạt động trong hệ thống và biết công suất nhiễu Sở dĩ giải pháp MMSEC có hiệu năng tốt hơn là do giải pháp này tránh được việc tăng cường thêm tạp âm ở những vùng có tỷ số SNR thấp và khôi phục được sự trực giao giữa các tín hiệu của người dùng ở vùng có tỷ số SNR cao.

Hình 4.6 minh họa hiệu suất BER của hệ thống MC-CDMA sử dụng giải pháp MMSEC có cải thiện đáng kể khi số kênh thu xếp được nhỏ hơn 8 Đó là nguyên nhân mà giải pháp này thể tổ hợp tất cả năng lượng tín hiệu thu được nằm rải rác trên miền tần số một cách có hiệu quả Do đó, giải pháp MMSEC được chọn là giải pháp cho hiệu suất BER tốt nhất.

Hình 4.6: So sánh BER của hệ thống MC-CDMA sử dụng phương pháp tách sóng MMSEC với số kênh khác nhau.

So sánh hiệu năng của giải pháp đa người dùng và đơn người dùng các cách khác nhau

dùng các cách khác nhau

Ta xét hiệu năng của hệ thống với số người dùng hoạt động cực đại

K=Ld và ta giả sử rằng K tín hiệu của người dùng có cùng mức công suất,

 E Do đó, chỉ trong trường hợp này, thành phần CUC

 1   k  b trong thuật toán MMSEC MUD cho từng người dùng trở thành ma trận đơn vị.

Do đó, công thức (4.30) tương tự như công thức (4.19) và ma trận hệ số cân bằng

G là ma trận chéo hóa với các thành phần hệ số cân bằng trên sóng mang thứ l được tính theo công thức (4.19) Trong trường hợp này, hiệu năng của hai

MMSEC and MMSE MUD is coincident

No Equalizer MRC Combining ORC Combining EGC Combining MMSEC/carrier MMSE MUD/user

MF phương pháp MMSEC và MMSE là hoàn toàn giống nhau, đường cong MMSE MUD trùng khít với đường cong MMSEC.

0 K=Ld and Ncd (Full load system)

Hình 4.7: Tỷ lệ lỗi bit tính theo phương pháp Monte-Carlo với K=L=NCd Ngược lại, trên hình 4.8, trong trường hợp số người dùng trong hệ thống khác nhau K