thông tin trải phổ cdma và ứng dụng trong mạng 4g đi sâu vào phương pháp điều khiển công suất

MỤC LỤC MỤC LỤC 1 LỜI MỞ ĐẦU LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ như điện tử, tin học, công nghệ thông tin di động trong những năm qua đã phát triển rất mạnh mẽ cung cấp các loại hình dịch vụ đa dạng đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng. Kể từ khi ra đời vào cuối năm 1940 cho đến nay thông tin di động đã phát triển qua nhiều thế hệ và đã tiến một bước dài trên con đường công nghệ. Trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện tại. Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi lúc, mọi nơi. Phát triển từ hệ thống thông tin di động tương tự, các hệ thống thông tin di động số thế hệ 2 (2G) ra đời với mục tiêu chủ yếu là hổ trợ dịch vụ thoại và truyền số liệu tốc độ thấp. Hệ thống thông tin di động động 2G đánh dấu sự thành công của công nghệ GSM với hơn 70% thị phần thông ti di động trên toàn cầu .Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) ra đời nhằm đáp ứng các nhu cầu các dịch vụ số liệu tốc độ cao như: điện thoại thấy hình, video streamming, hội nghị truyền hình, nhắn tin đa phương tiện (MMS)…Hiện nay mạng thông tin di động 3G đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới cũng như tại Việt Nam Khi các nhu cầu của người sử dụng ngày cầng gia tăng dịch vụ đòi hỏi chất lượng tốt hơn, tốc độ cao hơn và khả năng cung cấp dịch vụ nhiều hơn thì cá hệ thống thông tin nói trên sẽ không đáp ứng hết được các nhu cầu đó, đòi hỏi hệ thống thông tin di động phải có một bước tiến mới mẻ hơn để bắt kipj với nhu cầu của người sử dụng Do đó thế hệ di động thứ 4 đã ra đời và bắt đầu được áp dụng trên thế giới MC-CDMA là một giải pháp.MC-CDMA kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM: tốc độ truyền cao, tính bền vững với fading chọn lọc tần số, sử dụng băng thông hiệu quả, tính bảo mật cao và giảm độ phức tạp của hệ thống.Có rất nhiều các vấn đề đặt ra cho một hệ thống thông tin để đạt hiệu quả cao và ổn định trong đó điều khiển công suất phát cũng là một vấn đề rất quan trong trong hệ thống MC-CDMA do vậy em đã chon đồ án: Thông tin trải phổ CDMA và ứng dụng trong mạng 4G, đi sâu vào phương pháp điều khiển công suất phát. 2 Nội dung đồ án gồm 3 chương chính: Chương 1: Tổng quan về mạng thông tin di động sử dụng kĩ thuật CDMA Chương 2:Hệ thống MC-CDMA Chương 3: Điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn. giúp đỡ tận tình của các Thầy cô trong khoa Điện tử-Viễn thông đặc biệt là sự giúp đỡ của thầy TS.Phạm Văn Phước cùng toàn thể gia đình và bạn bè để em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.Do điều kiện thời gian và kiến thức còn hạn chế nên trong đồ án khó tránh khỏi những thiều xót kính mong các thầy cô cùng tất cả các bạn đóng góp ý kiến để đồ án của e được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT CDMA 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Tiền đề của 4G chính là CDMA: Công nghệ CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ tín hiệu để phát dữ liệu cùng một phổ tần. Tất cả công suất của tín hiệu trong đường truyền CDMA được đồng thời trên cùng một băng tần rộng, phát trên cùng một tần số và tín hiệu nguyên thuỷ sẽ được khôi phục tại đầu thu. Đồng thời tín hiệu trải phổ xuất hiện trải rộng đều trên toàn bộ băng tần với công suất phát thấp, do đó loại bỏ được nhiễu, giao thoa. Trong chương này chúng ta sẽ đi vào nghiên cứu khả năng đa truy nhập, phân tích ưu nhược điểm và điều khiển công xuất của quá trình thu phát tín hiệu trong hệ thống CDMA. 1.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THÔNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Hệ thống di động thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản. Tuy nhiên hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ. Vì các khuyết điểm trên mà nguời ta đưa ra hệ thống di dộng thế hệ 2 ưa điểm hơn thế hệ 1 về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp. Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng điều chế số. Và chúng sử dụng 2 phương pháp đa truy cập: - Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA). - Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA). Hệ thống thông tin di động chuyển từ thế hệ 2 sang thế hệ 3 qua một giai đoạn trung gian là thế hệ 2,5 sử dụng công nghệ TDMA trong đó kết hợp nhiều khe hoặc nhiều tần số hoặc sử dụng công nghệ CDMA trong đó có thể chồng lên phổ tần của thế hệ hai nếu không sử dụng phổ tần mới, bao gồm các mạng đã được đưa vào sử dụng như: GPRS, EDGE và CDMA2000-1x. Ở thế hệ thứ 3 này các hệ thống thông tin di 4 động có xu thế hoà nhập thành một tiêu chuẩn duy nhất và có khả năng phục vụ ở tốc độ bit lên đến 2 Mbit/s Hệ thống di động 3G đang được triển khai rộng rãi nhưng vẫn chưa thoả mãn được các nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng .Các dịch vụ di động 4G được chào đón bởi khả năng cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao, cung cấp cho người sử dụng những hình ảnh video màu chất lượng cao, các trò chơi đồ hoạ 3D linh hoạt, các dich vụ âm thanh số. Các mạng 4G cũng có đặc trưng liên hệ IP cho truy nhập Internet di động không ngắt quãng và tốc độ bit có thể đạt 100 Mbps hay cao hơn. Những các nghiên cứu về hệ thống 4G, mà công nghệ chủ yếu là các kỹ thuật đa sóng mang, đã được tiến hành và MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá. Vì vậy, việc tìm hiểu về hệ thống thông tin di động dùng kỹ thuật MC-CDMA là cần thiết và mang ý nghĩa thực tế. 1.3 KĨ THUẬT TRẢI PHỔ CDMA TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG Kĩ thuật trải phổ cung cấp tất cả các tiềm năng tần số và thời gian đồng thời cho mọi thuê bao, khống chế mức công suất phát từ mỗi thuê bao đủ để duy trì một tỷ số tín hiệu/tạp âm theo mức chất lượng yêu cầu. Mỗi thuê bao sử dụng một tín hiệu băng rộng như tạp âm chiếm toàn bộ dải tần phân bố. Theo cách đó mỗi thuê bao tham gia vào tạp âm nền tác động tới tất cả các thuê bao khác, nhưng ở phạm vi ít nhất có thể bằng cách khống chế công suất phát. Hình 1.1 Mô hình một hệ thống thông tin số trải phổ Một hệ thống được định nghĩa là hệ thống thông tin trải phổ nếu thoả mãn các yêu cầu sau: 5 p(t) Tín hiệu PN Sóng mang A (2 fct + ) S(t) = Ab(t).p(t).Cos(2 fct + ) b(t).p(t) - Tín hiệu trải phổ chiếm một độ rộng băng truyền dẫn lớn gấp nhiều lần độ rộng băng tối thiểu cần thiết đề truyền thông tin. - Sự trải phổ được thực hiện bởi mã trải phổ độc lập với tín hiệu số liệu. - Tại máy thu, việc hoàn phổ (nhằm khôi phục băng dữ liệu ban đầu) được thực hiện bởi sự tương quan giữa tín hiệu thu được với bản sao được đồng bộ của mã trải phổ đã sử dụng ở phía phát. Có 3 kỹ thuật trải phổ cơ bản: • Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS – Direct Sequence Spread Spectrum) • Trải phổ nhảy tần ( FH/SS – Frequence Hoppingúpread Spectrum ) • Trải phổ dịch thời gian (TH/SS – Time Hopping Spread Spectrum ) 1.3.1 Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) Hệ thống DS/SS được trải phổ bằng cách cộng module 2 dữ liệu gốc với mã giả ngẫu nhiên. Tín hiệu sau khi trộn sẽ điều chế một sóng mang theo BPSK, QPSK… Máy thu dùng mã giả ngẫu nhiên được tạo ra giống như bên phát cộng module 2 với tín hiệu thu được, thực hiện giải trải phổ để lấy tín hiệu mong muốn. Đây là hệ thống được biết đến nhiều nhất trong các hệ thống thông tin trải phổ. Là hệ thống tương đối đơn giản vì nó không yêu cầu tốc độ tổng hợp tần số cao a.Kỹ thuật DS/SS – BPSK Đây là hình thức đơn giản và hay dùng của kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp. Quá trình điều chế trải phổ DS – BPSK là quá trình dùng dãy mã trải phổ P(t) là dãy xung NRZ chỉ nhận các giá trị ± 1 trực tiếp điều chế dữ liệu vào theo kiểu dịch pha nhị phân BPSK. Tín hiệu b(t).P(t) nhận được sau đó sẽ điều chế cho sóng mang sử dụng BPSK, cho ta tín hiệu DS/SS - BPSK. ] Hình 1.2 Sơ đồ khối DS/BPSK (máy phát) 6 Bản tin nhị phân cần phát có tốc độ bit Rb = 1/Tb được mã hoá theo NRZ sao cho b(t)= ±1. Ta có thể biểu diễn b(t) như sau: ( ) ( ) b t = bk T t - kT k ∞ Π ∑ =∞ (1.1) Trong đó, bk = ±1 là bit số liệu thứ k và T là độ rộng xung của một bit số liệu. Tín hiệu b(t) được trải phổ bằng cách nhân với tín hiệu p(t). p(t) = ±1 là tín hiệu giả ngẫu nhiên có tốc độ Rc= 1/Tc lớn hơn nhiều lần so với Rb. Phần tử nhị phân của chuỗi p(t) được gọi là một chip để phân biệt nó với phần tử nhị phân (bit) của bản tin. Tín hiệu b(t)p(t) nhận được sẽ được điều chế một sóng mang theo phương pháp điều chế BPSK. Tín hiệu phát DS/SS – BPSK là: s(t) = Ab(t)p(t) cos(2πfct + θ(t)) (1.2) Trong đó: A là biên độ sóng mang fc là tần số sóng mang θ(t) là pha của sóng mang được điều chế Tín hiệu b(t)p(t) có tốc độ bằng tốc độ chip, nghĩa là T = NTc . Dạng sóng của các tín hiệu khi N = 7 như sau b(t) p(t) b(t).p(t) s(t) 7 Hình 1.3 Dạng sóng tín hiệu DS – BPSK Sơ đồ khối quá trình giải trải phổ như sau: Hình 1.4 Quá trình giải trải phổ DS/SS – BPSK Tại máy thu, tín hiệu thu được m(t) bao gồm tín hiệu phát bị trễ một khoảng thời gian τ là s(t- τ) và tạp âm trên đường truyền n(t). Do đó tín hiệu thu được là: m(t) = s(t- τ) + n(t) = Ab(t- τ)p(t- τ) cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} + n(t) (1.3) Để đơn giản quá trình giải trải phổ ta bỏ qua tạp âm. Tín hiệu r(t) tại đầu vào bộ lọc thông dải (BPF) là: r(t) = Ab(t- τ)p(t- τ) cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} 2cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} = Ab(t- τ)p(t- τ) + Ab(t- τ)p(t- τ) cos{2πfc(t- τ) + θ(t))} (1.4) Bộ lọc thông dải của bộ tách sóng loại bỏ các thành phần tần số cao và chỉ giữ lại thành phần tần số thấp u(t) = b(t)p(t). Sau đó, thành phần này được nhân với mã nội tại p(t- τ) được tạo ra ở máy thu đã được đồng bộ. Do p(t- τ) = ±1 nên p2(t- τ) =1.Tại đầu ra của bộ nhân sẽ có: x(t) = b(t- τ)p(t- τ)p(t- τ) = b(t- τ)p2(t- τ) = b(t- τ) (1.5) Sau đó, tín hiệu này được tích hợp trên một chu kỳ bit để lọc tạp âm. Bản tin phát được khôi phục tại đầu ra bộ tích hợp, giống như tín hiệu băng gốc nhưng trễ về mặt thời gian là τ. 8 Thực tế quá trình nén phổ, bên thu sẽ nhận đồng thời tín hiệu s(t) xếp chồng cùng với các tín hiệu sóng mang si(t) (i=1,2 N-1) không mong muốn của (N-1) người dùng khác ở cùng một tần số. Do đó tín hiệu thu được sẽ là: r(t) = s(t)+ ( ) i s t ∑ (1.6) Trong đó: ∑ si (t ) = bi(t).pi(t). cos c ω (t) (1.7) Khi giải trải phổ, đầu ra của tín hiệu nhân là: 2 x(t)= b(t).p (t)+ b (t)p (t)p(t)= b(t)+ b (t)p (t)p(t) i i i i ∑ ∑ (1.8) Do đã chọn p(t), pi(t) là các hàm trực giao nên tương quan giữa chúng rất nhỏ. Việc nhân ( ) ( )b t p t i i ∑ với p(t) tương đương với việc trải rộng phổ một lần nữa cho bản tin bi(t) đã bị trải phổ trước đây. Do đó mật độ phổ của tạp âm ( ) ( ) ( )b t p t p t i i ∑ sẽ rất thấp. Vì vậy công suất của tạp âm giao thoa trong băng tần của tín hiệu b(t) sẽ rất thấp. Như vậy, ứng với mỗi một kênh sẽ có một mã trải phổ tương ứng. Tại máy thu, phổ của sóng mang thông tin hữu ích sẽ co hẹp lại còn phổ của các sóng mang không mong muốn bị trải ra sẽ hạn chế công suất can nhiễu. Sử dụng các mã trải phổ này như khóa để thực hiện đa truy nhập CDMA, chống nhiễu và bảo mật cuộc gọi cao. b.Kỹ thuật DS/SS – QPSK Kỹ thuật này cho phép giới hạn băng tần cao khi tốc độ mã cho trước. QPSK là phương pháp điều chế tổ hợp hai bit dữ liệu thành một ký hiệu điều chế. Do vậy mà phương pháp này làm tăng tốc độ truyền dữ liệu lên hai lần với băng cao tần RF cho trước (hay làm giảm băng RF yêu cầu tới một nửa khi tốc độ mã cho trước). Nhưng độ lợi xử lý giảm đi nhiều tương ứng với tỉ lệ lỗi bit cao hơn. 9 ∑ Hình 1.5 Sơ đồ trải phổ DS/SS – QPSK Tín hiệu DS/SS – QPSK có dạng: s(t) = sI(t) + sQ(t) (1.9) sI(t) = Ab(t)pI(t) cos[2πfct + θ(t)] (110) sQ(t) = Ab(t)pQ(t) sin[2πfct + θ(t)] (1.11) Khi đó : s(t) = Ab(t)pI(t) cos[2πfct + θ(t)] + Ab(t)pQ(t) sin[2πfct + θ(t)] (1.12) Trong đó: θ(t) = π/4 nếu sI(t) = 1, sQ(t) = 1 θ(t) = 3π/4 nếu sI(t) = 0, sQ(t) = 1 θ(t) = 5π/4 nếu sI(t) = 0, sQ(t) = 0 θ(t) = 7π/4 nếu sI(t) = 1, sQ(t) = 0 Như vậy, tín hiệu s(t) có thể nhận 4 trạng thái pha khác nhau là: π/4, 3π/4, 5π/4, 7π/4. Nó được tổ hợp từ hai thành phần sóng mang lệch pha nhau π/2. Do đó, nó được trải phổ bằng hai mã giả ngẫu nhiên khác nhau là pI(t) và pQ(t). Tương ứng là hai quá trình trải phổ độc lập với nhau. 10 . sóng mang theo phương pháp điều chế BPSK. Tín hiệu phát DS/SS – BPSK là: s(t) = Ab(t)p(t) cos(2πfct + θ(t)) (1.2) Trong đó: A là biên độ sóng mang fc là tần số sóng mang θ(t) là pha của sóng mang. FH/SS nhanh Ở hệ thống FH/SS nhanh có ít nhất một lần nhảy với một bít số liệu. Với T là chu kỳ của tín hiệu, Th là thời gian của một đoạn nhảy tần thì T/Th ≥ 1. Trong khoảng thời gian Th giây. nhập CDMA để tránh can nhiễu đa truy nhập người ta thường sử dụng những dãy mã ngẫu nhiên có tính tương quan chéo tốt do đó dãy Gold thường được sử dụng trong CDMA vì hàm tương quan chéo giữa 2 dãy