tối ưu các thông số tách sóng thuê bao trong mc-cdma

CHƯƠNG 1: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là một trong ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp. Nó là môi trường để truyền thông tin từ máy phát đến máy thu. Vì thế chương này tìm hiểu các thông tin về kênh truyền. 1.2 NIỆM VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.3 KÊNH VÔ TUYẾN 1.3.1 Giới thiệu Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến. Trang : 1 Nguồn tin Kênh tin Nhận tin Hình 1.1: Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại: Fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading). Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di động: • Phản xạ xẩy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF. • Nhiễu xạ xẩy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng. • Tán xạ xẩy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm cho năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng. 1.3.2 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 1.3.2.1 Hiện tượng đa đường (Multipath) Trong một hệ thống thông tin vô tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xẩy ra là do giữa nơi phát và nơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp. Do vậy, sóng nhận được chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác. Hiện tượng này được gọi là sự truyền sóng đa đường (Multipath propagation). 1.3.3.2 Hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu như trình bày ở hình 1.4. Bản chất của hiện tượng Trang : 2 này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số Doppler. 1.3.2.3 Suy hao trên đường truyền Mô tả sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu. Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác phục bằng các phương pháp điều khiển công suất. 1.3.2.4 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi,… làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. 1.3.3 Các dạng kênh truyền • Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số • Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời gian 1.3.4 Các mô hình kênh cơ bản Khi nghiên cứu các kênh vô tuyến di động, thường các phân bố Trang : 3 Vật phản xạ Tuyến 1 v α 1 Tuyến 2 )( 2 t τ )( 1 t τ Trạm phát Hình 1.4: Hàm truyền đạt của kênh Rayleigh và Rice được sử dụng để mô tả tính chất thống kê thay đổi theo thời gian của tín hiệu pha đinh phẳng. Sau đây, chúng ta sẽ xét các phân bố này và đưa ra các đặc tính cơ bản của chúng. 1.3.4.1 Kênh theo phân bố Rayleigh Có thể coi phân bố pha đinh Rayleigh là phân bố đường bao của tổng hai tín hiệu phân bố Gauss vuông góc. 1.3.4.2 Phân bố Pha đinh Rice Khi tín hiệu thu có thành phần ổn định (không bị pha đinh) vượt trội, đường truyền trực tiếp (LOS), phân bố đường bao pha đinh phạm vi hẹp có dạng Rice. Trong phân bố Rice, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến máy thu theo các góc khác nhau và xếp chồng lên tín hiệu vượt trội này. Trang : 4 CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CDMA 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Trong bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến nào, dải băng tần được cho phép sử dụng là luôn bị giới hạn. Vì vậy, việc chia sẻ kênh truyền để nhiều người có thể sử dụng đồng thời là một nhu cầu cấp thiết. Kỹ thuật CDMA đã ra đời, dựa trên nguyên lý trải phổ và được sử dụng rộng rãi cho thông tin vô tuyến trên toàn thế giới. 2.2 NGUỒN GỐC CDMA Lý thuyết về CDMA đã được xây dựng từ những năm 1980 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ năm 1960 cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin vào năm 1980 CDMA đã được thương mại hoá từ phương pháp thu GRS và ommi - Tracs, phương pháp này được đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qual Comm - Mỹ vào năm 1990. 2.3 NGUYÊN LÝ CỦA KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO Mà ( CDMA ) Trong hệ thống CDMA, mỗi người dùng được gán cho một chuỗi mã xác định, và tất cả các người dùng có thể sử dụng chung khoảng băng tần trong cùng một khoảng thời gian. Do CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ, do đó ở mỗi trạm phát sẽ sử dụng một chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên tác động vào tín hiệu tin tức. Khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều trạm phát khác nhau, nó sẽ lấy tín hiệu mong muốn bằng cách giải mã tín hiệu bằng chuỗi mã riêng của chính tín hiệu đó. Ta có được kết quả này là do tính tự tương quan và tương quan chéo của các chuỗi mã trải phổ. 2.4 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CDMA 2.4.1 Tính đa dạng của phẩn tập Trang : 5 Hình 2.5: Phân bố xác suất Rice với các giá trị K khác nhau Phân tập là 1 hình thức tốt để làm giảm pha đinh : Có 3 loại phân tập : • Phân tập theo thời gian • Phân tập theo tần số - tín hiệu băng rộng 1,25 Mhz • Phân tập theo khoảng cách 2.4.2 Điều khiển công suất CDMA Hệ thống CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất 2chiều (Từ BTS đến máy di động và ng¬ợc lại). Mục đích điều khiển công suất phát của máy di động để cho tín hiệu phát của tất cả các máy di động trong một vùng phục vụ có thể thu đ¬ợc với độ nhậy trung bình tại bộ thu của BS. Bộ thu CDMA của BS chuyển tín hiệu thu từ máy di động t¬ơng ứng thành thông tin số băng hẹp còn tín hiệu của các máy di động khác chỉ còn là tín hiệu tạp âm của băng rộng. 2.4.3 Bộ mã - Giải mã thoại và tốc độ số liệu biến đổi Do sự tách biệt tần số 45 MHz giữa kênh hướng đi và hướng về vượt quá dải thông liên kết của các kênh nên máy di động được giả thiết là các giá trị của tổn hao hai đa đường dẫn giống nhau, do không có khả năng đo suy hao đường dẫn hướng về mặc dù có 1chênh lệch giữa suy hao đa đường trên kênh hướng đi để đo ở máy di động và suy hao đa đường của kênh hướng về. Ph¬ương pháp đo này cung cấp giá trị trung bình chính xác cho công suất phát nh¬ng 1 phương pháp phụ được cần tới để tính toán giao thoa Rayleigh chỉ ra các tính chất khác nhau trên 2 kênh. 2.4.4 Điều khiển công suất mạch vòng kín trên kênh hướng về của CDMA Các tín hiệu công suất phát được điều khiển bởi thông tin điều Trang : 6 khiển phát đi từ trạm gốc. Khi xảy ra sự suy giảm đáng kể trên kênh hướng đi trong một vùng nhất định và nếu công suất phát không tăng lên thì chất lượng thoại của các cuộc gọi qua kênh này giảm xuống d¬ới tiêu chuẩn chất lượng. Để điều khiển công suất trên kênh h¬ớng đi trạm gốc giảm theo chu kỳ công suất phát ra tới máy di động, giảm công suất ra như vậy duy trì cho đến khi các máy di động yêu cầu công suất ra bổ xung nhờ dò thấy tăng tỷ lệ lỗi khung và trạm gốc tăng công suất phát ra với số gia 0,5 db. Sự tăng giảm công suất ra đ¬ợc thực hiện một lần cho mỗi khung mỗi tiếng nói tức là cứ trung bình 12 đến 20 ms chậm hơn tốc độ tăng hay giảm công suất ra trên kênh hướng vùng động tăng hay giảm công suất ra có thể điều khiển tới +6,-6 db xung quanh công suất ra trung bình. 2.4.5 Điều khiển công suất trên kênh hướng đi của CDMA 2.4.6 Bảo mật cuộc gọi Hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi cao và về cơ bản tạo ra xuyên âm, việc sử dụng máy thu tìn kiếm và sử dụng bất hợp pháp kênh RF là khó khăn đối với hệ thống tổ ong số CDMA vì tín hiệu đã được trộn ( Seranbling ). Về cơ bản thì công nghệ CDMA cung cấp khả năng bảo mật cuộc gọi và các khả năng bảo vệ khác, tiêu chuẩn đề xuất gồm khả năng xác nhận và bảo mật cuộc gọi được định rõ trong CIA/TIA/SI-54-B. Có thể mã hoá kênh thoại số một cách dễ dàng nhờ sử dụng DES hoặc các công nghệ mã tiêu chuẩn khác. 2.4.7 Chuyển vùng mềm 2.4.8 Dung lượng, dung lượng mềm 2.5 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 2.5.1 Giới thiệu Trang : 7 Kỹ thuật trải phổ ra đời từ nhu cầu bảo mật thông tin trong quân sự. Mục đích của kỹ thuật trải phổ là làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các máy thu không mong muốn, làm cho các máy thu này khó khăn trong việc tách và lấy ra được bản tin. Một hệ thống thông tin được xem là trải phổ khi thỏa 2 điều kiện: • Băng thông tín hiệu đã trải phổ lớn hơn rất nhiều so với băng thông tín hiệu thông tin. • Mã dùng để trải phổ độc lập với tín hiệu thông tin. • Ưu điểm của kỹ thuật thông tin trải phổ • Khả năng đa truy cập • Tính bảo mật thông tin cao • Bảo vệ chống nhiễu đa đường 2.5.2 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản 2.5.2.1 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum) Tín hiệu truyền đi được biểu diễn dưới dạng lưỡng cực, sau đó nhân trực tiếp với chuỗi giả ngẫu nhiên. Ở máy thu, tín hiệu thu được nhân với chuỗi trải phổ lần nữa để tạo lại tín hiệu tin tức. 2.5.2.2 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số ( FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum) Kỹ thuật FH – SS phát triển dựa trên điều chế BFSK. Trong đó, tần số sóng mang được thay đổi liên tục theo một quy luật giả ngẫu nhiên (dựa trên chuỗi mã ngẫu nhiên sử dụng), nhờ vậy mà phổ của tín hiệu FH – SS được trải rộng trên trục tần số. 2.5.2.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (TH – SS: Time Hopping Spread Spectrum ) Trang : 8 Trục thời gian được chia thành các khung (frame). Mỗi khung lại được chia thành k khe thời gian (slot). Trong một khung, tùy theo mã của từng user mà nó sẽ sử dụng một trong k khe thời gian của khung. Tín hiệu được truyền trong mỗi khe có tốc độ gấp k lần so với tín hiệu truyền trong toàn bộ khung nhưng tần số cần thiết để truyền tăng gấp k lần. 2.5.3 Các chuỗi trải phổ cơ bản 2.5.3.1 Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên là chuỗi tín hiệu nhị phân tuần hoàn nhưng có chu kỳ lặp lại rất lớn, do đó nếu không được biết trước quy luật của nó, người quan sát khó nhận biết được quy luật. Ta gọi đó là chuỗi giả ngẫu nhiên (PRBS: Pseudo Random Binary Sequence). Chuỗi PRBS được tạo ra từ mạch chuỗi gồm ND- FlipFlop ghép liên tiếp nhau như hình 2.11. Hình 2.11: Sơ đồ mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên 2.5.3.2 Chuỗi Hadamarh Walsh Các hàm Walsh được tạo ra từ các ma trận vuông đặc biệt N×N Trang : 9 gọi là các ma trận Hadamard. Các ma trận này chứa một hàng toàn số 0 và các hàng còn lại có số số 1 và số số 0 bằng nhau. Hàm Walsh được cấu trúc cho độ dài khối N=2j trong đó j là một số nguyên dương. Các tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định như theo ma trận Hadamard như sau: [ ] ,0 1 =H , 10 00 2       =H , 0110 1100 1010 0000 4             =H       = NN NN N HH HH H 2 Trong đó là đảo cơ số hai của HN 2.6 HIỆU NĂNG CỦA CÁC HỆ THỐNG DS/SS 2.6.1 Ảnh hưởng của tạp âm trắng 2.6.2 Ảnh hưởng của nhiễu giao thoa 2.6.3 Truyền đa tia 2.7 HỆ THỐNG DS – CDMA ( Direct Spread – Code Division Multiple Access ) Hệ thống DS – CDMA dựa trên kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp và các lý thuyết cơ bản về kỹ thuật CDMA. Mô hình đơn giản của một hệ thống trải phổ gồm K người sử dụng chung một băng tần với cùng một tần số sóng mang fc và điều chế BPSK CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT OFDM 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Trang : 10 [...]... ORC 4.5.2 Tách sóng kết hợp độ lợi bằng nhau EGC 4.5.3 Tách sóng kết hợp tỷ số cực đại MRC 4.5.4 Tách sóng kết hợp sai số trung bình bình phương tối thiểu MMSEC 4.6 KỸ THUẬT TÁCH SÓNG ĐA THUÊ BAO Trang : 19 4.6.1 Tách sóng đa thuê bao SIC Ngược lại với bộ tách sóng SIC, kỹ thuật PIC thực hiện tách sóng kết hợp triệt nhiễu MAI cho đồng thời tất cả các thuê bao Số lần tách sóng- triệt nhiễu trong hệ thống... trực giao trong miền tần số bằng cách phân phối mỗi tín hiệu thông tin riêng biệt vào các sóng mang con khác nhau Các tín hiệu OFDM được tạo ra từ tổng của các hàm sin tương ứng với mỗi sóng mang Tần số băng tần cơ sở của mỗi sóng mang con được chọn là một số nguyên lần của tốc độ ký hiệu, kết quả là toàn Trang : 12 bộ các sóng mang con sẽ có tần số là số nguyên lần của tốc độ ký hiệu Do đó các sóng mang... quan chéo bằng 0 • Dùng các bộ triệt nhiễu MAI Các bộ triệt nhiễu rất hiệu quả cho đường lên 4.4.2 Nhiễu ICI Là một trong các loại nhiễu chính của hệ thống MC-CDMA Khi các sóng mang phụ không hoàn toàn trực giao thì thành phần tín hiệu trên kênh con này sẽ gây nhiễu lên thành phần tín hiệu trên kênh con khác hay xuất hiện nhiễu ICI 4.5 KỸ THUẬT TÁCH SÓNG ĐƠN THUÊ BAO 4.5.1 Tách sóng kết hợp khôi phục... Chuyển luồng dữ liệu số phát thành pha và biên độ sóng mang con Các sóng mang con được lấy mẫu trong miền tần số, phổ của chúng là các điểm rời rạc Sau đó sử dụng biến đổi Fourier rời rạc ngược (IDFT) chuyển phổ của các sóng mang con mang dữ liệu vào miền thời gian Tuy nhiên các hệ thống trong thực tế dùng biến đổi Fourier ngược nhanh (IFFT) vì nó tính hiệu của nó Tín hiệu OFDM trong miền thời gian... 4.6.2 Tách sóng đa thuê bao PIC Một vấn đề cần quan tâm liên quan đến chất lượng hệ thống MCCDMA là dịch tần số sóng mang Bởi nó làm suy giảm biên độ của tín hiệu mong muốn và làm mất tính trực giao giữa các sóng mang phụ dẫn đến nhiễu liên sóng mang ICI Mà ta biết nguyên nhân chính gây ra dịch tần số là do: • Trải Doppler do thiết bị di động ở tốc độ cao • Sai lệch giữa bộ tạo dao động cho các sóng. .. tần số + Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ Vì vậy OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler + Các sóng mang phụ chỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số Vì vậy, máy thu phải ước lượng và hiệu chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu được • Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để... tần số và sau đó tìm cách đồng bộ tần số sóng mang, đồng thời kết hợp một số kỹ thuật khác Mục đích là tìm cách cải thiện chất lượng hệ thống 4.8 MÁY THU RAKE 4.8.1 Mở đầu Thông thường các hệ thống CDMA được thiết kế để có 1 số đường phân giải trong trễ đa đường ( 10 lần RDS ) Đồng thời trải trễ được chọn nhỏ hơn độ rộng Tb của 1 bit Nếu trải trễ được chọn lớn hơn thời gian của 1 bit thì tốc độ số liệ... nhiễu giữa các kí hiệu, tốc độ số liệu phải được chọn thấp hơn độ rộng băng tầng nhất quán Trang : 20 Máy thu Rake cho bởi hinh 4.7 bao gồm tập hợp các bộ tương quan, mỗi bộ được sử dụng để tách sóng 1 trong số phần tử đâ đường mạnh nhất Về bản chất máy thu này là phân tập trên cơ sở là các phần tử đa đường trong 1 hệ thống CDMA không tương quan nếu trẽ tương đối lớn hơn thời gian của 1 chíp Vì các tín... thể đánh giá được các thông số R ij và θ ij , chẳng hạn bằng cách sử dụng thông tin nhận được từ các đoạn bít trước αk1 Bộ tương quan ck(t) r (t) αk2 Bộ tương quan ck(t) Bộ tương quan ck(t) Yk ∑ αkL Mạch quyết định bk Trang : 21 Hình 4.7: Máy thu Rake với L nhánh 4.9 ƯU ĐIỂM VÀ KHUYẾT ĐIỂM CỦA MC-CDMA 4.9.1 Ưu điểm MC – CDMA thừa hưởng tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM • Do mỗi sóng mang phụ chỉ... mới Một trong những mô hình hệ thống này là MC-CDMA (MultiCarrier CDMA) 4.2 NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA MC – CDMA Trang : 16 Hình 4.1: Nguyên tắc chung của MC-CDMA và MC-DS-CDMA MC-CDMA dựa vào sự kết hợp chặt chẽ giữa trải phổ chuỗi trực tiếp và kỹ thuật điều chế đa sóng mang Luồng dữ liệu trải phổ DS tốc độ cao có độ lợi xử lý PG (Processing Gain) được điều chế đa sóng mang theo cách sau: Các chip của các ký . bình bình phương tối thiểu MMSEC 4.6 KỸ THUẬT TÁCH SÓNG ĐA THUÊ BAO Trang : 19 4.6.1 Tách sóng đa thuê bao SIC Ngược lại với bộ tách sóng SIC, kỹ thuật PIC thực hiện tách sóng kết hợp triệt. SÓNG ĐƠN THUÊ BAO 4.5.1 Tách sóng kết hợp khôi phục tính trực giao ORC 4.5.2 Tách sóng kết hợp độ lợi bằng nhau EGC 4.5.3 Tách sóng kết hợp tỷ số cực đại MRC 4.5.4 Tách sóng kết hợp sai số trung. nhiễu MAI cho đồng thời tất cả các thuê bao. Số lần tách sóng- triệt nhiễu trong hệ thống phụ thuộc vào độ phức tạp cho phép của hệ thống. 4.6.2 Tách sóng đa thuê bao PIC Một vấn đề cần quan tâm