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

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TÌM HIỂU HIỆU NĂNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SĨNG TRONG HỆ MC-CDMA Ngành: Cơng nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2007 Mục lục Trang Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Danh mục hình vẽ MỞ ĐẦU Chương – KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM 1.1 Giới thiệu 1.2 Cơ sở thực mô hình điều chế OFDM 1.3 Mơ hình điều chế giải điều chế OFDM sử dụng biến đổi IFFT/FFT …………………………… …………………………………… ……….16 1.4 Ưu nhược điểm hệ thống OFDM 19 Chương – CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ CDMA 2.1 Giới thiệu 2.2 Phân loại hệ thống CDMA 2.2.1 Chuỗi trực tiếp – DS 2.2.2 Hệ thống nhảy tần – FH 2.2.3 Hệ thống nhảy thời gian – TH 2.2.4 Trải phổ lệch tần - Chirp SS 43 2.2.5 Hệ thống ghép – Hybrid 2.2.5.1 Hệ thống FH/DS 2.2.5.2 Hệ thống TH/FH 2.2.5.3 Hệ thống TH/DS Chương – CÁC MƠ HÌNH TRẢI PHỔ ĐA SÓNG MANG MC-SS 3.1 3.2 Giới thiệu 49 Các mơ hình trải phổ đa sóng mang 50 3.2.1 Nhóm I (Multicarrier CDMA) 50 3.2.2 Nhóm II (MC-DS-CDMA MT-CDMA) 53 3.2.2.1 MC-DS-CDMA 53 3.2.2.2 MT-CDMA 55 3.3 Ưu điểm hạn chế trải phổ đa sóng mang 57 Chương – BÀI TỐN TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG MCCDMA 4.1 Giới thiệu 60 4.2 Các kỹ thuật tách tín hiệu hệ thống MC-CDMA kênh đường xuống .61 4.2.1 Mơ hình hệ thống MC-CDMA môi trường đơn tế bào 63 4.2.2 Kỹ thuật tách tín hiệu nhờ cân hệ MC-CDMA .65 4.2.2.1 Tách tín hiệu đơn người dùng SUD 65 4.2.2.2 Tách tín hiệu đa người dùng MUD .69 4.3 Một số kết mô .74 4.3.1 Chuỗi trải phổ 74 4.3.2 MAI - nhiễu đa truy nhập .74 4.3.3 So sánh hệ thống MC-CDMA, FDMA FDMA tối ưu (Optimal FDMA) 75 4.3.4 Đánh giá hiệu giải pháp tách tín hiệu .76 4.3.5 So sánh hiệu giải pháp đa người dùng đơn người dùng cách khác .78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO .82 PHỤ LỤC 84 Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt A/D AWGN BER BS CDMA Chirp SS CP D/A DFT DS DS/FH DS/TH DS/FH/TH DS-SS DS-CDMA EGC FFT FDM FDMA FH F-FH FSK HPA Analog/Digital Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Base Station Code Division Multiple Access Chirp Spread Spectrum Cyclic Prefix Digital/Analog Discrete Fourier Transform Direct Sequence Direct Sequence/Frequency Hoping Direct Sequence/Time Hoping Direct Sequence/Frequency Hoping/Time Hoping Direct Sequence - Spread Spectrum Direct Sequence-CDMA Bộ biến đổi tương tự sang số Nhiễu Gauss trăng cộng tính Tỉ lệ lỗi bit Trạm sở Đa truy nhập phân chia theo mã Trải phổ lệch tần Tiền tố vòng Bộ biến đổi số sang tương tự Biến đổi Fourrier rời rạc Chuỗi trực tiếp Hệ thống chuỗi trực tiếp lệch tần Hệ thống chuỗi trực tiếp lệch thời gian Hệ thống chuỗi trực tiếp lệch tần lệch thời gian Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp CDMA Equal Gain Combining Tổ hợp độ lợi cân Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh Frequency-Division Kỹ thuật ghép kênh phân Multiplex chia theo tần số Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo Access tần số Frequency Hoping Hệ thống nhảy tần Fast- Frequency Hoping Hệ thống FH nhanh Frequency Shift Keying Khóa dịch tần High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất lớn IC ICI Interferance Cancellation Inter-Carrier Interference Triệt nhiễu Nhiễu xuyên âm sóng mang IFFT Inverse Fast Fourier Transform Inter-Symbol Interference Joint Dectection Least Mean Square Biến đổi ngược FFT ISI JD LMS LPI MAI MIMO MC-SS MCM MC-DSCDMA MC-CDMA MF ML MMSE Low Prabability of Interception Multiple Access Interference Multi-In Multi-Out Multi-carrier Spread Spectrum Multi-Carrier Modulation Xác suất thu trộm thấp Multi-Carrier Direct Sequence CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã dãy trực tiếp đa sóng mang Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang Bộ lọc hịa hợp Luật hợp lý cực đại Lỗi bình phương trung bình cực tiểu Tách sóng đa người dùng theo phương pháp lỗi bình phương trung bình cực tiểu Tổ hợp tỷ số cực đại Trạm di động Đa truy nhập phân chia theo mã đa âm Nhiễu đa người dùng Tách tín hiệu đa người dùng Bộ điều chế biên độ vuông Multi-Carrier – CDMA MMSE MUD Matched Filter Maximum Likehood Minimum Mean Squared Error Minimum Mean Squared Error – MultiUser Detection MRC MS MT-CDMA Maximum Ratio Combining Mobile Station Multi-Tone CDMA MUI MUD M-QAM Nhiễu xuyên ký hiệu Tách tín hiệu kết hợp Bình phương trung bình tối thiểu Multiple User Interference MultiUser Detection M-Quadrature Amplitude Nhiễu đa người dùng Đa lối vào đa lối Hệ thống trải phổ đa sóng mang Điều chế đa sóng mang Modulation OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing ORC Orthogonal Restoring Combining RF Radio Frequency PAR Peak to Average Ratio PG PIC PN QPSK RLS S/P SIC SISO SNR SUD TDMA TH TDM ZF Processing Gain Parallel Interference Cancellation góc M mức Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao Tổ hợp khôi phục trực giao Dao động cao tần Tỉ số cơng suất cực đại cơng suất trung bình Độ lợi xử lý Triệt nhiễu song song Tín hiệu hoa tiêu Quaternary PhaseShift Keying Recursive Least Square Serial to Parallel Khóa dịch pha 900 Successive Interference Cancellation Single Input Single Output Triệt nhiễu liên tiếp Signal Noise Ratio SingleUser Detection Time Division Multiple Access Time Hoping Time-Division Multiplex Zeros Forcing Bình phương tối thiểu đệ quy Biến đổi nối tiếp sang song song Hệ thống anten phát anten thu Tỷ số tín hiệu nhiễu Tách đơn người dùng Đa truy nhập phân chia theo thời gian Hệ thống nhảy thời gian Ghép kênh phân chia theo thời gian Cưỡng ép khơng Danh mục hình vẽ Trang Hình 1.1: Hình 1.2: Hình 1.3: Mơ hình điều chế OFDM tương tự…………………………… 13 Mơ hình điều chế OFDM dùng IFFT/FFT…………………… 16 Kỹ thuật chèn tiền tố vòng CP……………………………… 18 Hình 1.4: Hình 2.1: 20 Hình 2.2: Hình 2.3: Hình 2.4: Hình 2.5: Hình 2.6: So sánh sử dụng băng tần hệ thống FDM OFDM Nguyên lý kỹ thuật đa truy nhập theo trải phổ: a) Trải phổ; b) Giải trải phổ….……………………………… Loại trừ nhiễu hệ SSMA ……………………………… Sơ đồ khối máy phát DS-CDMA………………………… Bộ phát tín hiệu SS dùng điều chế BPSK…………………… Sơ đồ khối máy thu tín DS-SS…………………………… Sơ đồ khối máy phát DS-SS sử dụng điều chế BPSK… Hình 2.7: Hình 2.8: Hình 2.9: Hình 2.10: PSD tin, tín hiệu PN tín hiệu DS/SS-BPSK……… Sự chiếm giữ thời gian/tần số tín hiệu DS FH…… Sơ đồ khối máy thu, phát hệ thống FH-SS……………… Sơ đồ khối máy phát hệ thống Fast FH/SS……………… 31 34 35 36 Hình 2.11: Hình 2.12: Hình 2.13: Hình 2.14: Hình 2.15: Hình 2.16: Hình 2.17: Hình 2.18: Hình 3.1: Hình 3.2: Hình 3.3: Hình 3.4: Hình 3.5: Hình 3.6: Hình 3.7: Hình 4.1: Hình 4.2: Sơ đồ khối máy thu hệ thống Fast FH-SS………………… Sơ đồ khối máy phát, thu hệ thống TH-CDMA………… Đồ thị tần số/thời gian hệ thống TH-CDMA…………… Điều chế trải phổ lệch tần…………………………………… Phổ tần số hệ thống tổ hợp FH/DS……………………… Bộ điều chế tổ hợp FH/DS…………………………………… Bộ thu tổng hợp FH/DS……………………………………… Sơ đồ khối hệ thống TH/DS……………………………… Mơ hình hệ thống trải phổ đa sóng mang MC-SS…………… Nguyên lý trải phổ theo MC-CDMA DS-CDMA………… Sơ đồ hệ thống MC-CDMA………………………………… Sơ đồ hệ thống MC-CDMA với N≠PG ……………………… Nguyên lý điều chế MC-SS nhóm II………………………… Sơ đồ hệ thống MC-CDMA………………………………… Sơ đồ hệ thống MC-CDMA………………………………… Máy phát máy thu MC-CDMA cho kênh đường xuống… So sánh BER thu hệ thống MC-CDMA dùng mã 38 40 41 44 45 45 46 48 49 50 51 52 53 55 57 63 24 25 27 27 28 29 Hình 4.3: Hình 4.4: Hình 4.5: Hình 4.6: Hình 4.7: Hình 4.8: Gold Walsh, chiều dài mã Gold 63, chiều dài mã Walsh 64… 74 Ảnh hưởng MAI hệ thống MC-CDMA 75 So sánh BER hệ thống MC-CDMA, FDMA, optimal FDMA với K=64, L=64 76 So sánh BER hệ thống MC-CDMA theo phương pháp tổ hợp khác nhau: EGC, MRC, MMSEC: K=32, N=8, L=64… 77 So sánh BER hệ thống MC-CDMA sử dụng phương pháp tách sóng MMSEC với số kênh khác 78 Tính BER theo phương pháp Monte-Carlo với K=L=NC=64… 79 Tính BER theo phương pháp Monte-Carlo với K=32,L=NC=64 80