BO GIAO DUC & DAO TAO
TRUONG DAI HOC KY THUAT CONG NGHE TP.HCM
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Ek k kos NGUYEN BAO LONG 103 101 056 LAM MINH QUAN 103 101 078
TIM HIEU & MO PHONG KY THUAT THONG TIN DI DONG CDMA DA
SONG MANG (MC-CDMA)
CHUYEN NGANH: DIEN TU - VIEN THONG
DO AN TOT NGHIEP Giáo viên hướng dẫn : PGS TS PHẠM HONG LIEN
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM Độc lập-Tự do-Hạnh phúc
KHOA DIEN-DIEN TU
NHIỆM VỤ LUẬN ÁN TÓT NGHIỆP
Chú ý: SV phải đóng bản nhiệm vụ này vào trang thứ nhất của luận án
Họ và tên SV: NGUYEN BAO LONG MSSV: 103101056
Ngành: Điện tử - Viễn thông Lớp: 03DHDT2
Đầu đề luận án tốt nghiệp:
TÌM HIỂU VÀ MÔ PHỎNG KỸ THUẬT THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA ĐA SÓNG MANG (MC-CDMA)
Nhiệm vụ (yêu câu về nội dung và sô liệu ban đâu) :
a.Tìm hiểu kỹ thuật thông tin di động CDMA b.Tìm hiểu kỹ thuật OFDM
c.Tìm hiểu kênh truyền vô tuyến và các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh
truyền
đ, Ứng dụng mã CI trong hệ thống MC-CDMA
e.Mô phỏng Ứng dụng kỹ thuat OFDM trong MC-CDMA Ngày giao nhiệm vụ luận án: 01/10/2007
Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/01/2008
Họ tên người hướng dẫn: PGS.TS.PHẠM HÒNG LIÊN
Phần hướng dẫn: Toàn bộ
Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH
Trang 3BO GIAO DUC VA DAO TAO CONG HOA XA HOI CHU NGHIA VIET NAM TRUONG DAI HQC KY THUAT CONG NGHE TP.HCM Độc lập-Tự do-Hạnh phúc
KHOA DIEN-DIEN TU
NHIEM VU LUAN AN TOT NGHIEP
Chú ý: SV phải đóng bản nhiệm vụ này vào trang thứ nhất của luận án
Họ và tên SV: LÂM MINH QUẦN MSSV: 103101078
Ngành: Điện tử - Viễn thông Lớp: 03DHDT2
Đầu để luận án tốt nghiệp:
TÌM HIỂU VÀ MƠ PHỎNG KỸ THUẬT THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA ĐA SÓNG MANG (MC-CDMA)
Nhiệm vụ (yêu câu về nội dung và sô liệu ban đâu) :
a.Tìm hiểu kỹ thuật thông tin di động CDMA
b.Tìm hiểu kỹ thuật OFDM
| c.Tìm hiểu kênh truyền vô tuyến và các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh
| truyền
| d Ung dung m4 CI trong hệ thống MC-CDMA
| e.Mô phỏng Ứng dụng kỹ thuật OFDM trong MC-CDMA : Ngày giao nhiệm vụ luận án: 01/10/2007
Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/01/2008
0 Họ tên người hướng din: PGS.TS.PHAM HÒNG LIÊN
Phần hướng dẫn: Toàn bộ
| Nội dung và yêu cầu LATN đã được thông qua NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH
Ngày tháng 10 năm 2007 (ký và ghi rõ họ tên)
TRƯỞNG KHOA
ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NG k k_
Trang 5
NHAN XET CUA GIAO VIEN PHAN BIEN
Trang 6
CHUGONG 1:KHAI QUAT VE HE THONG DI DONG TE BAO& KENH TRUYEN VO TUYEN
1.1.KHAI QUAT VE HE THONG DI DONG TE BAO 1 1.2 TONG QUAN VE KENH TRUYỀN -<<<- 6
1.2.1 Hiệu ứng đa đường1.2.2 Hiệu ting Doppler! 2.3.Hiéu img bóng râm (shadowing) -.- on HH HH nh nhì nà ch 8
1.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền Fading phang 10 1.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời
0 “ 11
CHƯƠNG 2:CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY CẬP &
PHƯƠNG PHÁP TRẢI PHÔ
2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY CẬP - - - 12 2.1.1.Đa truy cập theo tần số FDMA -‹ Ặ se 13 21.2 Đa truy cập theo thời gian TDMA - -.- - 14 2.1.3.Đa truy cập phân chia theo mã -. - << 16 2.1.3.1Nguyên Lý Kỹ Thật CDMA -. - - 16
2.1.3.2Thủ tục phát và thu tín hiệu - «se 17 2.1.3.3Các đặc điểm của CDMA ccSssssssshhhreeree 18
2.1.3.4 Ưu - nhược điểm của hệ thống CDMA 19
Trang 72.2.PHƯƠNG PHÁP TRẢI PHÔ - 27
2.2.1 Khái niệm - TQ nn SH ng ng 27
2.2.1.1Nguyên lý trải phổ - như 29
2.2.1.2.Các hệ thống thông tin trải phổ +5 s< <<: 31
2.2.2 Trải phố trực tiếp (DS-SS) - nà sxe 35
- CHƯƠNG 3: TÔNG QUAN VE OFDM
3.1.GIỚI THIỆU -¿- - - c- 7c S2 S 232111 33111 11v vn ven 48 3.2 NGUYÊN LÝ OFDM . 7 nSSS Set 49 3.3 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA OFDM 50 3.4 TÍNH TRỰC GIAO . -cS c5 xe 51 3.5 MÁY PHÁT OFDM - nhe 54 3.5.1 Tín hiệu OFDM - c5 ng 54 3.5.2 Cấu trúc máy phát OFDM 5S S + se2 55 3.6 MÁY TH OEDM + -< se 57 3.7 PHƯƠNG PHÁP BIEN DOI NHANH FOURIER ROI RAC 59 cr§c 8 59
3.7.2.Biến đổi Fourier rời rạc (DFT) -«- «<< <<<<=++ s9 3.7.3.Biến đổi Fourier nhanh (FFT) - «<< << << <<<s 62
3.7.3.1.Hiệu quá tính toán của thuật toan FFT 62
3.7.3.2 Thuật toán bién d6i Fourier nhanh (FFT) rit gon theo thời
ĐIAT cu HS HH HH min Hit Hi HH Án mm ni nh 65
3.7.3.3.Thuât toán FFT rút gọn theo tần số 66
3.7.3.4 Nhận xét về 2 thuật toán trên - 69
3.7.3.5.Chống nhiễu liên ký hiệu (IS bằng cách sử dụng khoảng
Trang 8
3.8 LUA CHON THONG SO CHO HE THONG OFDM 72 3.9 KET LUAN ccccccseecsececeeceeeccecceeesseeeececeeeenseees 77
CHUGONG 4:HE THONG MC -CDMA
4.1.GIỚI THIỆU - - << 223113311 eree 78
4.2.HỆ THỐNG MC-CDMA - << 80
' 50 a2, 80
4.2.3 Máy thu Ă c1 nh nh kg 85 4.2.4 MC-CDMA cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3.88
4.3 SỰ KHÁC NHAU GIỮA OFDMA VÀ MC-CDMA 91 4.4 KÉT LUẬN .- - -cSS S1 nh vươn 94
CHƯƠNG 5:TÍN HIỆU CI VÀ ỨNG DỰNG TRONG HỆ THÓNG MC-CDMA
5.1 GIỚI THIỆU TÍN HIỆU CI (CARRIER INTERFEROMETRY) 95
5.1.1 Tính trực giao của tín hiệu CÍ -. - << <<<< 99 5.1.2 Tính giả trực giao của tín hiệu C|Ì - - - -‹ - - - - 102
5.2 UNG DUNG CUA TIN HIEU CI VAO HE THONG MC-CDMA
5.2.1 May phat MC-CDMA cccsecesccesescecssseeeseeceeeenaeees 108 5.2.2 May thu MC-CDMA ccccccssccsssccescesseeeeneeeesaeeeseenn 112
5.3.1 Phương pháp kết hợp khôi phục tính truc giao ORC 114
5.3.2 Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao ORC cải biên.114
Trang 9115 5206007) 116 CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG KỸ THUẬT OFDM ỨNG DỤNG TRONG MC-CDMA
1.MÔ PHỎNG HỆ THÓNG OFDM CĂN BẢN 119 2.GIAO DIỆN MÔ PHỎNG nhe 123
3 KET QUA VA NHAN XET TRONG QUA TRINH MO PHONG 127 A.Thực hiện mô phỏng với chuỗi đữ liệu và là chuỗi ngẫu nhiên 127
B.Thực hiện mô phỏng đữ liệu với file vào là file text văn bản 132 C Thực hiện mô phỏng dữ liệu và image file nh th tt ni 138
KET LUẬN VÀ HUONG PHAT TRIEN ĐE TÀI 142
CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2c S331} se, 144
Trang 10GIỚI THIÊU
Thông tin vô tuyến phải chia sẻ cùng một kênh truyền cho nhiều người sử dụng, do đó để tận dụng hiệu qủa nguồn tài nguyên này, các kỹ thuật đa truy cập đã ra đời Kỹ thuật đa truy cập đóng vai trò quan trọng trong việc giảm can nhiễu giữa các user, có vai trò quyết định đến dung lượng, chất lượng cũng như độ hiệu quả sử dụng băng tần của hệ thống thông tin di động So với các kỹ thuật đa truy cập khác như đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA , da truy cập phân chia theo tần số FDMA thì kỹ thuật
đa truy cập theo mã CDMA thể hiện nhiều ưu điểm Sử dụng các kỹ thuật trải phổ,
CDMA có khả năng chống lại hiện tượng đa đường và giảm can nhiễu giữa các user đang hoạt động trong hệ thống
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang
đang được sử dụng rộng rải trong các ứng dụng truyền thông vô tuyến lẫn hữu tuyến Sử dụng kỹ thuật đa sóng mang, ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số và sử dụng hiệu quả băng thơng Ngồi ra, q trình điều chế và giải điều chế đa sóng mang có thể thực hiện dễ dàng
nhờ phép biến đổi nhanh Fourier thuận và nghịch Với những ưu điểm như vậy,
OFDM đã được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát quảng bá âm thanh số/ hình ảnh số
DAB/ DVB va chuẩn cho mạng LAN không dây tốc độ cao IEEE 802.11
Ý tưởng kết hợp giữa OFDM và CDMA tạo ra một kỹ thuật mới gọi là MC-CDMA ra đời vào năm 1993 và nhanh chóng thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trên
thế giới MC-CDMA thừa kế các ưu điểm cha CDMA , như tính bền vững với
nhiễu chọn lọc tần số, sử dụng băng thông biệu quả và khả năng đa truy cập ; các ưu điểm của OFDM như chống lại trải trễ kênh truyền , tận dụng mô hình phân tập tần số ; giảm độ phức tạp hệ thống điều chế và giải điều chế Ngoài ra, truyền
dữ liệu đồng thời trên đa sóng mang cho tốc độ cao và tốc độ ký hiệu trên mỗi
sóng mang phụ giảm sẽ giúp việc đồng bộ dễ dàng hơn Với những ưu điểm trên ,
Trang 11
MC-CDMA là một đề cử đầy triển vọng cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G), trong đó: người sử dụng có thể truy cập nhiều loại địch vụ đa phương tiện như
thoại, dữ liệu và hình ảnh với tốc độ cao ở bất cứ nơi đâu vào bất kỳ thời điểm nào
Mặc dù, MC-CDMA có nhiều ưu điểm như vậy nhưng vẫn còn nhiều vấn đề cần phải
giải quyết trước khi áp dụng vào thực tế Đặc biệt là vấn đề thiết kế các bộ tách sóng và việc sửa offset tần số của các sóng mang Do đó, việc chọn hệ thống MC-CDMA làm đề tài nghiên cứu là rất cần thiết để góp phần đưa hệ thống này sớm đi vào hoạt động
Trong phạm vi của đề tài luận văn đại học, những khía cạnh lý thuyết và những vấn đề
cơ bản nhất của hệ thống MC-CDMA được nghiên cứu Cụ thể là các vấn đề sau:
kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số, cấu trúc máy phát và máy thu MC- CDMA , tng dung mi CI va trong hé thống MC-CDMA để thực hiện mục đích nâng dung lượng của hệ thống
Tất cả các vấn đề này có liên hệ mật thiết với nhau trong việc nâng cao chất lượng và tính linh động của hệ thống MC-CDMA Song song với nghiên cứu lý thuyết là việc
xây dựng một chương trình mô phỏng hệ thống bằng Matlab Vì hệ thống MC-CDMA
là một hệ thống lớn, ví vậy trong chương trình mô phỏng chúng ta chỉ đi vào tìm hiểu
một phần của hệ thồng đó là Ứng dụng của OFDM trong hệ thống MC-CDMA để
thấy được phần nào những ứng dụng của hệ thống Cấu trúc gồm 6 Chương và được chia làm 2 phần:
Phần 1: Lý thuyết
Chương 1: Khái quát về hệ thống di động tế bào & kênh truyền vô tuyến
Chương này trước tiên trình bày khái quát về hệ thống di động tế bào,con đường từ
GMS lén 3G và nói về đặc điểm của mạng di động Việt Nam hiện nay Tiếp theo ta
tìm hiểu về kênh truyền vô tuyến, các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền như:
Hiệu ứng đa đường , Hiệu ứng Doppler ,Hiệu ứng bong ram
Chương 2:Các phương pháp đa truy nhập và phương pháp trải phố
Chương này trình bày về hệ thống CDMA từ đó thấy được những ứng dụng vào MC- CDMA trình bày về các phương pháp đa truy cập như: Đa truy cập phân chỉa theo tần số FDMA, Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA ,Đa truy cập phân chia theo
Trang 12
mã CDMA, nói về các đặc điểm và chỉ ra những ưu-nhược điểm của các phương pháp đa truy cập này.Tiếp theo là phương pháp Trải phổ trực tiếp(DS-SS)
Chương 3 :Tổng quan về OFDM
Chương này cung cấp các kiến thức cơ bản để tiếp cận kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang OFDM , may phat va may thu OFDM, ưu điểm và những van dé còn tồn tại của OFDM Bên cạnh đó cũng cung cấp những kiến thức cơ bản về phương pháp đa truy cập phân theo tần số trực giao OFDMA
Chương 4 : Hệ thống MC-CDMA
Giới thiệu tổng quan về hệ thống , phân tích kênh truyền đặc trưng của hệ thống MC-
CDMA - fading chọn lọc tần số trên tồn băng thơng nhưng lại phẳng trên từng sóng mang phụ - cấu trúc máy phát ,máy thu MC-CDMA Phân tích những ưu điểm và
những vấn đề còn tồn tại của MC-CDMA cuối cùng so sánh MC-CDMA với OFDMA Chương 5: Tín hiệu CI và ứng dụng trong hệ thống MC-CDMA Cung cấp khái
niệm về tín hiệu CI (Carrier Interferometry), đặc điểm, tính chất trực giao và giả trực
giao rất đặc biệt của tín hiệu CI , kha năng ứng dụng của tín hiệu CI trong hệ thống
MC-CDMA Đặc biệt nhắn mạnh đến tính linh động trong việc cấp phát dung lượng
của hệ thống sử dụng mã trải phổ CI
Phan 2 Mô phóng ứng dụng
Chương 6:Mô phỏng kỹ thuật OFDM ứng dụng trong MC-CDMA
Chương này chúng ta chúng ta xây dựng chương trình giải thuật và mô phỏng để minh họa, và cho nhận xét trong từng trường hợp Mô phỏng về cách truyền và nhận bits ngẫu nhiên, file text, file hình ảnh trong môi trường đường truyền có nhiễu-không nhiễu, từ đó thấy được hiệu quả của hệ thống
Trang 13
LOI CAM ON
Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô đã giảng dạy và
hướng dẫn tận tình, lời cảm ơn đến các thầy cô của khoa
Điện-Điện Tử và bộ môn Viễn Thông, những người đã
cung cấp cho chúng em và các bạn lớp Điện Tử Viễn Thông những kiến thức quý giá trong suốt những năm học Đại Học
Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến Cô Phạm
Hồng Liên , vì những tình cảm của Cô dành cho chúng em
và vì sự hướng dẫn tận tình của Cô trong suốt thời gian
chúng em làm luận văn
Cuối cùng, chúng tôi muốn cám ơn thật nhiều những người thân và bạn bè đã luôn bên cạnh, động viên chúng tôi tiếp tục học tập và nghiên cứu
Ngày 1 tháng 1 năm 2008
Lâm Minh Quân — Nguyễn Bảo Long
Trang 14DANH SACH HINH VE
CHUONG 1
Hình1.1: Hệ thống thông tin tế bào
Hình1.2: Các thành phần hệ thống thông tin tế bào Hinh1.3: Sự phát triển của các hệ thống tế bào
Hình 1.4: Mô hình đa đường thắng đứng
Hình 1.5: Mô hình truyền sóng đa đường
Hinh1.6: Kênh truyền chon lọc tần số
Hình 1.7: Kênh truyền Fading phẳng (fo>W) CHƯƠNG 2
Hình 2.1 Các phương pháp đa truy cập
Hinh2.2: So dé thu va phat CDMA
Hinh 2.3: Qua trinh phan tap trong CDMA
Hinh 2.4: Chuyén giao mém trong hé théng CDMA
Hình2.5: Giao thoa giữa BS bên cạnh
Hình 2.6: Kỹ thuật trải phố
Hình 2.7: Tín hiệu trải phổ trực tiếp Hình 2.8: Mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên Hình 2.9: Biểu diễn hàm tự tương quan K() Hình 2.10: Sơ đồ kỹ thuật trải phổ trực tiếp
Hình 2.11: Dạng tín hiệu của kỹ thuật trải phô trực tiếp Hình 2.12: Hệ thống trải phổ trực tiếp
Hình 2.13: Phổ của tín hiệu trước và sau khi trai phd
Hình 2.14: Dạng sóng của tín hiệu trước và sau khi trai phổ
Trang 15Hình 2.16: Ví dụ về các tín hiệu phat
Hình 2.17: Bộ giải điều chế BPSK & Sơ đồ khối của máy thu DS-SS BPSK Hình 2.18: Sơ đồ khối máy phát và dạng sóng cho hệ thống DS-§S QPSK CHƯƠNG 3
Hình3.1: OFDM là một trường hợp đặc biệt của FDM
Hình 3.2: Phố của tín hiệu FDM Hình 3.3: Phố của tín hiệu OFDM
Hình 3.4: (a)-Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang
(b)-Tác động của nhiễu đối với hệ thống đa sóng mang
Hình3.5: Phố của sóng mang trực giao
Hình 3.6: Máy phát OFDM và phổ tín hiệu OFDM Hình3.7: Cấu trúc máy phát OFDM
Hình3.8: Cầu trúc máy thu OFDM
Hình3.9: Sơ đồ dòng tín hiệu phân tích theo thời gian của DFT N-điểm thành 2 DFT (N/⁄2)-điểm với N=8
Hình3.10: Sơ đồ dòng tín hiệu khai triển tần số của DFT 8-điểm thành DFT 2-điểm
Hình 3.11: Sơ đồ dòng tín hiệu của FET 2- điểm khai triển theo tần số Hình 3.12: Sơ đồ dòng tín hiệu khai triển theo tần số tính
Hình3.14: Ảnh hưởng của ISI
Hình 3.15: Chèn khỏang bảo vệ là khoảng trống
Hình 3.16:Chèn khoảng bảo vệ cyclic prefix
CHƯƠNG 4
Hình 4.1: Máy phát MC-CDMA
Hình 4.2: Phổ của tín hiệu MC-CDMA
Hình 4.3: Ảnh hưởng của kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số lên từng băng tần
hẹp
Trang 16Hình 4.5: Tín hiệu phát ở hình 4.4 qua kênh truyền fading Rayleigh cé tinh chon loc
tần số
Hình 4.6: Máy thu MC-CDMA
Hình 4.7: Phương pháp đa sóng mang và trải phổ trực tiếp ở đường xuống CDMA 2000
Hình 4.8: Sơ đồ MC-CDMA ứng dụng trong CDMA 2000 CHƯƠNG 5
Hình 5.1: Tín hiệu CI trong miền tần số
Hình 5.2: Đường bao E(t) của tín hiệu CI trong miễn thời gian với N=4, Af=1 Hz Hình 5.3: Dạng sóng sinc(.)
Hình 5.4: Tính trực giao trong miền thời gian và tần số
Hình 5.5: Tập 1-đường liền nét và Tập 2: đường đứt nét
Hình 5.6: Máy phát MC-CDMA ứng dụng mã trải CI cho user thứ k Hình 5.7: Tín hiệu phát của hai user sử dụng mã C]
Hình 5.8: Tín hiệu nhận được của user với k=2
Hình 5.9: Máy thu MC-CDMA ứng dụng mã CI cho user thứ k
CHƯƠNG 6
Hình 6.1:Giao điện đầu tiên của trương trình chạy mô phỏng
Hình 6.2.Các giao diện tiếp theo của giao diện chính Hình 6.3: Sơ đồ bộ phát Hình 6.4: Sơ đồ kênh truyền Hình 6.5:Sơ đồ bộ thu Hình 6.6: Giao diện chính của trương trình mô phỏng OFMD ứng dụngtrong kỹ thuật MC-CDMA
Hình6 7: Giao diện nhập thông số của hệ thống OFDM
Hìnhó 8: Giao diên nhập thông số kênh truyền
Hinh6 9:Bảng thông số OFDM và kênh truyền mô phỏng chuỗi ngẫu nhiên
Trang 17Hinh6.11: Dang song cua tin higu OFDM khi chưa có chèn CP
Hinh6.12: Dang sóng của tín hiệu OFDMI khi có chèn chu kỳ bảo vệ CP
Hình6.13 Bảng thông số của OFDM và kênh truyền mô phỏng lại chuẩn ngẫu nhiên
ứng với số lượng sóng mang là 120
Hình6.14: Phổ của tín hiệu OFDM tương ứng
Hìnhó 15: Dạng sóng tín hiệu OFDM khi chưa có chèn CP
Hình6.16: Dạng sóng tín hiệu OFDM khi có chèn chu kỳ bảo vệ CP
Hình 6.17: Giao diện hiển thị nội dung phát và nhận file text văn bản
Hinh6 18: Phố của tín hiệu OFDM tương ứng
Hinhó.19: Giao diện mô phỏng ký hiệu OFDMI chưa có CP
Hinh6.20: Giao diện mô phỏng ký hiệu OFDM với chu ky bảo vệ có CP Hình6.21: Bảng thông số OFDM và kênh truyền mô phỏng lại filetext văn bán Hình 22: Giao diện hiển thị nội dung phát và nhận file text văn bản
Hình6.22: Phổ của tín hiệu OFDM tương ứng
Hình 6.23: Giao diện mô phỏng của ký hiệu OFDM chưa có CP
Hình6.24: Giao diện mô phỏng ký hiệu OFDM với chu ky bảo vệ có CP Hình6.25: Bảng thông số OFDM và kênh truyền mô phỏng image file
Hình 6.26: Phố OFDM tương ứng
Hình 6.27: Giao diện mô phỏng ký hiệu OFDMI chưa có CP
Hình6.28: Giao diện mô phỏng ký hiệu OFDM khi có chèn CP
Hình6.29: File ảnh khi truyền
Hình6.30: So sánh ảnh truyền được qua hệ thống OFDM
Hinh6.31: Bang thong s6 OFDM và kênh truyền mô phỏng image file
Hìnhó 32: Phố OFDM tương ứng Hình 6.33: File ảnh khi truyền
Hinh 6.34: File hình khi nhận
Trang 18Tìm biểu hệ thống di động MC-CDMA KENH TRUYỀÈN VÔ TUYẾN GVHD:PGS.TS PHAM HONG LIEN
PHAN L:LY THUYET
CHUONG 1
KHAI QUAT VE HE THONG DI DONG TE BAO & KENH TRUYEN VO TUYEN
1.1.Khái quát về hệ thống di động tế bào :
Lời nói đầu
Hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng một số lượng lớn các máy phát vô
tuyến công suất thấp để tạo nên các cell hay còn gọi là tế bào (đơn vị địa lý cơ bản của hệ thống thông tin vô tuyến) Thay đỗi công suất máy phát nhằm thay đổi kích thước cell theo phân bố mật độ thuê bao, nhu cầu thuê bao theo từng vùng cụ thể Khi
thuê bao di động di chuyển từ cell này sang cell khác, cuộc đàm thoại của họ sẽ được
giữ nguyên liên tục, không gián đoạn Tần số sử dụng ở cell này có thể được sử dụng lại ở cell khác với khoảng cách xác định giữa hai cell Mục này tập trung nêu lên những nguyên tắc cơ bản của hệ thống điện thoại vô tuyến (bao gồm hệ thống tương tự và hệ thống số):
e _ Mô tả những thành phần cơ bản của hệ thống thông tin kiểu tế bào
e - Xác định và mô tả những kĩ thuật vô tuyến số
Các thành phần của hệ thống thông tin tế bào
Hệ thống thông tin tế bào có khả năng phục vụ hàng nghìn thuê bao trong thành phố lớn, vùng trung tâm Hệ thống thông tin tế bào bao gồm bốn thành phan :
1 Mạng thoại chuyển mạch công cong PSTN 2 Trung tâm chuyển mạch thoại đi động ( MSC) 3 Cell và hệ thống ăng ten
4 Khối thuê bao di động
Trang 19
Tìm hiểu hệ thống di động MC-CDMA KENH TRUYEN VO TUYEN GVHD:PGS.TS PHAM HONG LIEN
Hình 1.1 Hệ thống thông tin tế bào
-PSTN —Public Switched Telephone Network( Mang chuyén mạch điện thoại công
cộng )
Mạng PSTN bao gồm mạng nội bộ, mạng chuyển mạch vùng, và mạng kéo dài có khả năng kết nối liên mạng giữa thoại với các hệ thống thông tin liên lạc khác trên toàn cầu
-MSC-Mobile Switching center (trung tâm chuyền mach di động)
Các MSC này lại được điều khiển bởi mạng điên thoại chuyển mạch công cộng PSTN
Các hệ thống số :
Cùng với nhu cầu dịch vụ thoại di động tăng cao, các nhà cung cấp dịch vụ nhận ra rằng những công nghệ cơ bản được áp dụng trong mạng hữu tuyến ( truyền dẫn mặt đất ) không còn chuẩn xác trong hệ thống di động Trong khi cuộc thoại trong mạng
truyền dẫn hữu tuyến kéo dài trung bình tối thiểu 10 phút thì cuộc gọi di động thường
xuyên chỉ kéo dài 90 giây
Các nhà chuyên môn kì vọng vào việc gán thêm 50 hoặc hơn cuộc thoại di động trên cùng một kênh nhận ra rằng làm như vậy sẽ tăng khả năng người sử dụng không
nhận được tín hiệu quay số, hay bị khoá cuộc gọi Kết quả là, các hệ thống trước đây
sớm bị tràn ngập, chất lượng dịch vụ sụt giảm nhanh chóng Vấn đề chủ yếu chính là
dung lượng của hệ thống Những thuộc tính cơ bản của các hệ thống TDMA, GSM,
Trang 20Tìm hiểu hệ thống di động MC-CDMA KENH TRUYEN VO TUYẾN GVHD:PGS.TS PHAM HONG LIEN
PCS1900, và CDMA hứa hẹn tăng đáng kể hiệu suất sử dụng hệ thống điện thoại tổ
ong và điều này cho phép phục vụ cùng một lúc số lượng thuê bao lớn hơn Hình 1.2 mô tả các thành phần của một hệ thống tế bào số điển hình
Hình! 2 Các thành phần hệ thống thông tin tẾ bào
Các ưu diém của hệ thông tê bào sô so với hệ thông tê bào tương tự là sự tăng dung lượng mạng lưới và mức độ bảo mật, an ninh mạng Các tuỳ chọn về công nghệ như TDMA và CDMA có thể cung cấp nhiều kênh hơn trong cùng một băng thông ở
hệ thống tế bào tương tự cũng như tín hiệu thoại và đữ liệu mã hoá Do đã đầu tư rất
lớn vào hệ thống AMPS nên các nhà cung cấp dịch vụ đang tìm kiếm giải pháp để chuyển dần hệ thống AMPS sang hệ thống NAMPS bằng cách bao phủ toàn bộ các mạng lưới hiện có bằng cấu trúc TDMA
Trang 21
Tìm hiểu hệ thống di động MC-CDMA KENH TRUYEN VO TUYEN GVHD:PGS.TS PHAM HONG LIEN
Bảng so sánh giữa hai hệ thống AMPS và NAMPS
Hệ thông tương tự Hệ thông sô
Chuân EIA-553(AMPS) IS-54(TDMA +AMPS) Phô 824 MHz dén 891 MHz | 824 MHz dén 891 MHz Bang thong kénh 30kHz 30kHz Cac kénh 21 CC/395VC 21 CC/395VC Số cuộc thoại trên 1 | 1 3 hoặc 6 kênh Dung lượng thuê bao | 40 đên 50 cuộc trên 1 | 125 đên 300 cuộc trên 1 cell cell
Loai TX/RCV Continous Time shared burts
Loại sóng mang Pha không đối, tân sô | Tân số không đôi,pha biên
biến thiên thiên
Quan hệ Mobile/Base | Mobile phụ thuộc Base_ | Cùng điêu khiến, chia sẻ Bảo mật Kém Tốt hơn Khả năng chong | Kém Tot nhiéu Phát hiện lôi ESN và mã bảo vệ tuỳ |ESN và mã bảo vệ tuỳ chọn chọn
Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động từ GSM lên thế hệ thứ 3 (3G)
Giới thiệu chung:
Hệ thống thông tin di động tổ ong tương tự đầu tiên ra đời tại Nhật năm -1979, Châu
Âu năm 1981
-Các hệ thông thông tin di động tổ ong thế hệ thứ nhất(1G): AMPS, NAMPS, TACS, ETACS, NMT450, NMT900, NTT, JTACS, NTACS Hiện nay, trên thế giới
không cần sử dụng các hệ thống này nữa mà chuyền sang sử dụng hệ thống di động
thế hệ hai
-Các hệ thông thông tin di động tô ong số thế bệ thứ hai(2G): IS-54B TDMA,
IS-136 TDMA, IS-95 CDMA, GSM, PCN, CT-2, DECT, PDC, PCS Trong đó GSM chiếm tới 65% thị phần thông tin di động trên toàn thế giới
Ở Việt Nam hiện nay đang cùng tồn tại hai hệ thống thông tin di động thế hệ hai là:
GSM (Vinaphone, Mobifone, Viettel) và CDMA (S-Fone, VP Telecom, Hanoi
Telecom, EVN)
Trang 22
Tim hiểu hệ thống di động MC-CDMA KENH TRUYEN VÔ TUYẾN
GVHD:PGS.TS PHAM HONG LIEN
~Các đặc điểm cơ bản của hệ thông thông tin di động thé hé ba(3G):
Đến năm 200,hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G)ra đời với mục đích hình thành hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới
+Dựa vào vào công nghệ số với sự khẳng địnhưu thế vượt trội của CDMA Có khả năng cung cấp các dịch vụ tốc độ cao khác nhau, như thoại , internet tốc độ cao khác nhau, nhắn tin đa phương tiện(MMS)
+Các chuẩn cho 3G:IMT-2000, CDMA 2000, W-CDMA
Tuy hệ thống 3G chưa được áp dụng rộng rãi, nhưng các nghiên cứ về hệ thống 4G,
mà chủ yếu là kỹ thuật đa sóng mang đã được tiến hành và MC-CDMA là một ứng cử viên sang giá Vì vậy việc tìm hiểu hệ thống thông tin di động dùng kỹ thuật MC-
CDMA là một cần thiết mang ý nghĩa thực tế | A
Ky nguyén Ky nguyén Kỷ nguyên = băng hẹp băng rộng băng rộng oo = 5 1G 2G 5 = ~2,4khit/s 64kbit/s 2 = 2a he 3 ws, S k ï > 1980 1990 2000 2010 Năm
Hình1.3 Sự phát triển của các hệ thông tế bào
Trang 23Tìm hiểu hệ thống di động MC-CDMA KENH TRUYEN VÔ TUYẾN GVHD:PGS.TS PHẠM HÒNG LIÊN
*Đặc điểm của mạng di động Việt Nam:
— GSM là hệ thống di động chủ yêu với 3 nhà cung cấp lớn: Vinaphone, Mobifone, Viettel
Vì vậy, việc phân tích phương án chuyển đổi lên 3G từ mạng GSM là rất quan trọng Con đường đi lên 3G từ các công nghệ khác nhau đều đã có: Các nhà khai thác GSM đã đi lên W-CDMA, còn các nhà cung cấp sử dụng công nghệ CDMA sẽ tiến lên
CDMA-2000 Bây giờ chỉ còn việc xác định thời điểm triển khai phù hợp
Năm 2004, Ericsson đã cùng Mobiphone thử nghiệm thành công dịch vụ di động 3G Trong khi đó, Vinaphone và Viettel văn đang sử dụng công nghệ thế hệ thứ 2(2G) Tính đến nay, S-phone là nhà cung cấp đầu tiên và duy nhất sử dụng công nghệ CDMA Chuẩn mà S-phone đang sử dụng là CDMA-2000 1X, chuẩn này chỉ cách chuẩn 3G CDMA 2000 1X Evdo một khoảng không xa Vì vậy S-phone sẽ có khả năng tiễn nhanh hơn trên con đừơng tiến tới 3G
Mặc dù hiện nay đa số thuê bao đi động ở nước ta chưa có nhiều nhu cầu gi khác hơn
ngoài đàm thoại di động, nhưng theo tuyên bố của các nhà đầu tư thì năm 2006, mạng 3G việt nam sẽ được triển khai
1.2 Tông quan về kênh truyền :
Kênh truyền vô tuyến đi động giữ vai trò quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng
các hệ thống thông tin vô tuyến (Wireless communication systems) Không như các kênh truyền hữu tuyến (wires channel), kênh truyền vô tuyến không ổn định và thường tuân theo các qui luật ngẫu nhiên, do đó rất khó để dự đóan hay phân tích một cách chính xác Kinh nghiệm cho thấy rằng, mô hình hóa kênh truyền vô tuyến là một trong những công việc quan trọng nhất và khó khăn nhất trong thiết kế hệ thống
Vì vậy, điều quan trọng trước khi nghiên cứu đến một hệ thống thông tin nào đó là phải hiểu rõ các đặc trưng của kênh truyền
Trong môi trường thành thị, liên lạc giữa trạm gốc và thuê bao di động, đường truyền
tín hiệu trực tiếp (LOS : light of sight) khó tồn tại Sử dụng tần số 900Mhz và 1.8GHz (cho hệ thống tế bào số như GSM, CDMA) và 1900MHz (cho PCS như PCS-1900),
tín hiệu bị nhiêu xạ và phân tán do các cao ôc, cây côi, đôi núi hoặc do xe cộ di
Trang 24Tìm hiểu hệ thống di động MC-CDMA KENH TRUYEN VO TUYEN
GVHD:PGS.TS PHAM HONG LIEN
chuyển Bởi vì không có đường truyền tín hiệu trực tiếp, tín hiệu phát có thé di bang nhiều đường với độ trễ thời gian, độ dịch pha, suy giảm biên độ và góc pha khác nhau đến máy thu So sánh với tín hiệu trên đường truyền tự do, tín hiệu đa đường bị thay
đổi rất lớn
Đối với đường truyền tự do, công suất thu không bị suy giảm do không bị đối tượng
nào hấp thu hay phản xạ sóng Công thức công suất thu trên đường truyền tự do phụ
thuộc bình phương nghịch đảo khoảng cách đường truyền :
Py 8,8,
với Py:công suất thu ;
P, : công suất phat }: bước sóng ;
ør : độ lợi công suất antenna thu ø¡ : độ lợi công suất antenna phát
Do đó công suất bức xạ thu giảm 6dB mỗi gap đôi khoảng cách
Nhưng đường truyền trực tiếp tự do rất khó tồn tại trong thực tế Vì vậy tín hiệu đến antenna thu theo nhiều đường khác nhau của một tín hiệu phát.Trường hợp tín hiệu bị
phản xạ trên mặt đất như ở hình dưới, gọi là tín hiệu đa đường thắng đứng Tín hiệu
Trang 25Tìm hiểu hệ thống di động MC-CDMA KẼÊNH TRUYÈN VÔ TUYẾN
GVHD:PGS.TS PHAM HONG LIEN
Thay vì suy giảm 6đB trên đường truyền trong môi trường lý tưởng thì công suất ở máy thu lúc này giảm 12dB mỗi gấp đôi khoảng cách đường truyền Thực tế suy giảm theo lũy thừa 4,5 Do đó kỹ thuật truyền yêu cầu phải biết độ mắt mát công suất
do tán xạ kênh truyền để phân tích liên kết budget, kích thước cell, độ lợi antenna, cấu hình nhiễu và khuếch đại công suất
Tương tự như đa đường theo phương thắng đứng, đa đường theo phương ngang cũng bị phản xạ và tán xạ do các cao ốc, đồi núi làm ảnh hưởng đến tín hiệu thu Trong các
ảnh hưởng của nhiễu, Fading đa đường và nhiễu giao thoa kí tự ISI là hai hiện tượng
quan trọng nhất
Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền:
Sự am hiểu những đặc điểm của môi trường viễn thông là tiền đề cho sự lựa
chọn thích hợp của hệ thống kiến trúc phát tín hiệu Chất lượng của các hệ thống phát
thông tin phụ thuộc 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 đốn được, kênh
truyền vơ tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích Tín
hiệu phát đi qua kênh truyền vô tuyến bị cán bởi các tòa nhà, núi cao, cây cối Bị phan xa (Reflection), tan xa (Scattering), nhiéu xạ (Difffaction) , các hiện tượng này
gọi chung 1a Fading Va két qua là ở máy thu ta thu được nhiều phiên bản khác nhau
của tín hiệu phát đi Điều này ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Thông Tin Vô Tuyến
Trang 26Tìm biểu hệ thống di động MC-CDMA KENH TRUYEN VÔ TUYẾN GVHD:PGS.TS PHẠM HỎNG LIÊN 1.2.1 Hiệu ứng đa đường : House Co-cell
Hình 1.5 : Mô hình truyền sóng đa đường
Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ của tín hiệu trên
kênh truyền vô tuyến Các tín hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều là
bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị thay đổi, suy hao về biên độ và bị trễ so với
tín hiệu được truyền thắng (line of sight) Tín hiệu thu tại máy thu là tổng các thành phần này là một tín hiệu phức tạp với biên độ và pha thay đổi rất nhiều so với tín hiệu ban đầu
1.2.2 Hiệu ứng Doppler :
Gây ra bởi sự di chuyền tương đối của máy thu, máy phát và sự di chuyển của
các đối tượng trong kênh truyền vô tuyến di động Những sự di chuyển nhỏ trên mặt
phẳng kênh của sóng dài có thể là nguyên nhân trong sự khác biệt hoàn toàn về chồng sóng Khi sự đi chuyển tương đối này càng nhanh thì tần số Doppler càng lớn, và do đó tốc độ thay đổi của kênh truyền càng nhanh Hiệu ứng này được gọi là Fading nhanh (Fast fading)
LAM MINH QUAN 9 NGUYEN BAO LONG
Trang 27Tìm hiểu hệ thống di động MC-CDMA KENH TRUYEN VÔ TUYẾN
GVHD:PGS.TS PHAM HONG LIEN 1.2.3.Hiệu tng bong ram (shadowing):
Do ảnh hưởng của các vật can trở trên đường truyền VD: tòa nhà cao tầng, ngọn núi, đôi làm cho biên độ tín hiệu suy giảm Tuy nhiên, hiện tượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độc biến đổi chậm Hay sự không ổn định cường
độ tín hiệu ảnh hưởng đến hiệu ứng cho chắn gọi là suy hao chậm Vì vậy hiệu ứng
này gọi là Fading chậm (slow fading)
1.3.Các dạng kênh truyền :
Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có như Sau :
- Kênh truyền chọn lọc tần số hay kênh truyền Fading phẳng
- Kênh truyền chọn lọc thời gian (hay còn gọi là kênh truyền biến đổi nhanh — fast channel) hay kênh truyền không chọn lọc thời gian (kênh truyền biến đổi chậm — slow channel)
1.3.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền Fading phẳng
(Frequency Selactive va Flat Channel hay Frequency Nonselective Channel) Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (fading), khoảng tần số này được gọi là Cohenrent Bandwith và được ký hiệu trên hình Tín hiệu truyện —> W Mật ~-fo> độ Đáp ứng tần số của kênh | f
Hình1.6: Kênh truyền chon lọc tan sé
Trên hình vẽ ta thấy kênh truyền fạ nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền không cho tín hiệu đi qua
Trang 28
Tìm hiểu hệ thống di động MC-CDMA KENH TRUYEN VO TUYEN GVHD:PGS.TS PHAM HONG LIEN
và những thành phần tần số khác của tín hiệu được truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau Dạng kênh truyền như vậy gọi là kênh truyền chọn lọc tần số Tín Mật hiệu độ uy pho fw pe x Đáp ứng tần SỐ của kênh truyền Ph,
Hinh 1.7:Kénh truyén Fading phẳng (fo>W)
Ngược lại, trên hình kênh truyền có fy lon hon nhiéu so véi băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tần số của tín hiệu được truyền đi qua kênh chịu sự suy hao
và dịch pha gần nhau Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là kênh truyền fading
hoặc kênh truyền không chọn lọc tần số
1.3.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian (Time Selevtive Channel va Time Nonselective Channel)
Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên đường truyền luôn thay đổi về vị trí, vận tốc luôn luôn có những vật thể mới xuất hiện và
những vật thể cũ mắt đi Sóng điện từ lan trên đường truyền phản xạ, tán xạ Qua
những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là Coherenttime Dé là khoảng thời gian mà trong đó đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian)
Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (Symbol duration) rất lớn so với Coherenttime thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền chọn lọc thời gian
Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (Symbol duration) rất nhỏ so với Coherenttime thì kênh truyền đó được gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian hay phẳng về thời gian
Trang 29
Tim hiéu hé théng di dng MC-CDMA So
GVHD:PGS.TS.PHAM HONG LIEN DA TRUY NHAP VA TRAI PHO
CHUONG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY CẬP VÀ PHƯƠNG PHÁP TRÁI PHÔ
2.1.CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY CẬP
Đa truy cập trong hệ thống thông tin là việc nhiều phần tử trong mạng (gọi tắt là các user) cùng chia sẻ một nguồn tài nguyên thông tin.Tài nguyên thông tin ở đây là các thiết bị phần cứng ,là các băng tần số hay các phần mềm Nếu các user truy cập nguồn tài nguyên thông tin vô tuyến thì được gọi là đa truy cập vô tuyến.Trong lĩnh vực thông tin di động user là các thuê bao di động MS(Mobile Station ) và tài nguyên là các trạm thu phát song BTS(Base Transceiver Station) băng tần số Đa truy cập trong thông tin đi động cũng là một dạng đa truy cập vô tuyến
Tuỳ theo cách thức chia sẻ nguồn tài nguyên thông tin mà tồn tại các phương
pháp đa truy cập khác nhau, trong phần này chúng ta chỉ giới thiệu ba phương pháp đa truy cập là:
©
% Đa truy cập phân chia theo tần số FDMA (Frequence Division Multiple Access) s* Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) s* Đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access)
Do tính chất, yêu cầu cũng như yếu tố lịch sử mà mỗi hệ thống sử dụng các kiểu
đa truy cập khác nhau hoặc có thể kết hợp nhiều phương pháp lại để nâng cao hiệu quả của nguôn tài nguyên
Trang 30Tìm hiểu hệ thống di đơng MC-CDMA ¬
GVHD:PGS.TS.PHAM HONG LIEN DA TRUY NHAP VA TRAI PHO Hinh 2.1 Cac phuong phap da truy cap Khi do: FDMA :là căn phòng lớn được chia thành nhiều phòng nhỏ, mỗi cặp được cấp một phòng để nói chuyện
TDMA : tất các các cặp tập trung vào một phòng lớn và thay phiên nhau nói chuyện, trong một thời gian nhất định
CDMA : tất cá các cặp sử dụng tập trung vào cùng một phòng và đồng thời nói chuyện, mỗi cặp nói chuyện bằng một ngôn ngữ riêng Khi âm lượng của các cặp càng
nhỏ thì số cặp có thể tồn tại trong phòng (mà không gây nhiễu lẫn nhau) càng lớn
2.1.1.Đa truy cập theo tần số FDMA
FDMA (Frequence Division Multiple Access) là hệ thống đa truy cập phân chia
theo tần số FDMA được sử dụng phổ biến nhất trong các hệ thống thông tin mặt đất,
bởi vì nó có thể phân biệt các kênh một cách dễ đàng bằng các bộ lọc trong miễn tần số Một tín hiệu khác nhau được phân biệt bằng kênh tần số khác nhau, tức là mỗi một đường tín hiệu chiếm giữ một tần số (hay nói cách khác tín hiệu được cấp phát một tần
số) Để làm việc đúng với tần số được cấp phát, tại máy phát của người dùng, mỗi kênh tín hiệu được điều chế với sóng mang kết hợp để sao cho phổ tín hiệu sau khi
điều chế không chồng chéo lên nhau.Tại máy thu sẽ thu chọn lựa kênh tín hiệu chỉ
Trang 31
Tìm hiểu hệ thống di đông MC-CDMA TU
GVHD:PGS.TS.PHẠM HỎNG LIÊN ĐA TRUY NHAP VA TRAI PHO
định bằng bộ lọc thông dải tương ứng FDMA có thể sử dụng cho tất cả các phương pháp điều chế, như điều chế biên độ, điều chế tần số, hay điều chế pha
Giữa các kênh kề nhau có một khoảng bảo vệ dé tránh chồng phổ do sự không én định của tần số sóng mang Khi một người dùng gửi yêu cầu đến BS (Base Station), BS sẽ ấn định một trong các kênh chưa sử dụng và dành riêng cho người dùng đó
trong suốt cuộc gọi.Tuy nhiên ngay khi cuộc gọi kết thúc, kênh ấn định lại cho người
dùng khác
Ưu - nhược điển của FDMA Ưu điểm:
> Phan cứng tương đối đơn giản vì nó có thể phân biệt các kênh bằng các bộ lọc
> Không cần phải có đồng bộ hay điều khiển định thời như trong các hệ thống
TDMA va CDMA
> Vì độ rộng băng thông của mỗi kênh trong hệ thống FDMA rất hẹp nên chúng ta chỉ phải xem xét fading phẳng
Nhược điểm:
v“ Nhiễu điều chế tăng theo số lượng sóng mang
v Khó thực hiện việc truyền dẫn với tốc độ thay đổi do một thiết bị đầu cuối cần
sử dụng nhiều Modem Do vậy việc truyền kết hợp thoại và dữ liệu phí thoại là rất khó khăn
Cần có bộ lọc dải phát và dải thu giá trị Q (hệ số phẩm chất) cao để chọn lọc
kênh cao
v Rất dễ bị nhiễu xuyên kênh
2.1.2 Đa truy cập theo thời gian TDMA
TDMA(Time Division Multiple Access) là hệ thống truy cập phân chia theo thời
gian.TDMA được sử dụng trong các hệ thống nhằm khắc phục sự hạn chế chỉ có một
cuộc gọi trên tần số vô tuyến.TDMA là một phương pháp cho phép người sử dụng
truy cập một băng tần đã ấn định, mỗi kênh chiếm toàn bộ băng tần hệ thống, nhưng
chỉ trong một khoảng thời gian gọi là khe, theo chu kỳ Các hệ thống TDMA truyền dữ
Trang 32Tìm hiểu hệ thống di đông MC-CDMA CỐ
GVHD:PGS.TS.PHAM HONG LIEN DA TRUY NHAP VA TRAI PHO liệu theo phương pháp đệm và theo cụm (Buffer and Burst) do đó việc truyên đữ liệu cho mỗi người là không liên tục vì thế trong hệ thống TDMA phải sử dụng phương pháp điều ché sé
Các đặc điểm của hệ thống TDMA
s%% TDMA chia sẻ một tần số sóng mang cho một số người sử dụng, mỗi người sử dụng một khe thời gian và số khe thời gian phụ thuộc vào một số thông số, chẳng hạn
như kỹ thuật điều chế, băng thông đường truyền
%%Ở đường lên mỗi thiết bị đầu cuối truyền thông tin trong một khe được ấn định
của mỗi khung Do đó để chống xung đột dữ liệu, mỗi thiệt bị đầu cuối phải chuyển
chính xác trong một khe của mình với một định thời khe đựơc chỉ định
% Để ngăn các xung đột một cách đơn giản là dự phòng một khoảng thời gian bảo vệ đủ dài để đệm sự khác nhau về độ dài đường truyền.Cách khác để tránh xung đột cụm dữ liệu (burst) là kỹ thuật cân chỉnh thời gian, kỹ thuật này làm giảm thời gian
bảo vệ, vì vậy nó được áp dụng phần lớn các hệ thống thông tin di động mặt đất
TDMA
“+ O đường xuống, tất cả các tín hiệu khe được BS (Base Stasion :Trạm gốc) truyền Do đó tín hiệu truyền không phải là tín hiệu TDMA mà là tín hiệu TDM (Time Division Multiplexing)
“+ Trong hệ thống TDMA các thuê bao khác nhhau có thể được cung cấp số khe thời gian khác nhau, vì vậy băng thông đường truyền có thể được cung cấp theo nhu
cầu của người sử dụng
% TDMA sử dụng các khe thời gian khác nhau cho việc truyền và nhận dữ liệu, vì vậy vấn đề song công là không cần thiết
* Hiệu quả sử dụng tần số được tăng lên dung lượng của hệ thống tăng cao, do các phần tử trong mạng làm việc không liên tục còn gọi là phương pháp thu phát gián
đoạn
s* Có thể thể dé dàng thay đổi dung lượng truyền tải bằng việc thay đổi khoảng thời
gian phát/thu, nên hệ thống có ưu điểm là linh hoạt trong việc cấp phát kênh
Trang 33
Tim hiéu hé thong di dng MC-CDMA BC
GVHD:PGS.TS.PHAM HONG LIEN DA TRUY NHAP VA TRAI PHO
Ưu -nhược điểm của hệ thống TDMA
Ưu điểm:
Thích hợp với truyền dẫn số do có thể linh động tốc độ bit cho các kênh Không cần khoảng băng tần bảo vệ nên tiết kiệm được băng tần Không cần bộ lọc băng hẹp tốt VV V WV Cho phép tận dụng tất cả những ưu điểm của kỹ thuật só Nhược điểm:
Cần phải có sự đồng bộ thời gian chính xác để có thể ghép kênh và tách kênh ở
máy phát và máy thu
v Bị ảnh hưởng của nhiễu đa đường
2.1.3.Da truy cập phân chia theo mã
2.1.3.1Nguyên Lý Kỹ Thuật CDMA:
CDMA (Code Division Multiple Access) là hệ thống truy cập phân chia theo
mã Tín hiệu trước khi truyền đi được điều chế trái phố để làm cho độ rộng phổ tăng
lên gấp nhiều lần, khi đó tín hiệu trên tạp âm sẽ giảm xuống rất thấp
Mục đích ban đầu của việc trải phổ là bảo mật thông tin Để thực hiện việc trải phổ thì
hệ thống này dùng một chuỗi giả mã nhị phân ngẫu nhiên Ở đầu thu, nếu muốn thu
được tín hiệu này thì phải trải phổ, nghĩa là máy thu phải tạo ra tín hiệu mã giống như
đầu phát Do đó máy thu không chỉ định thì không những không dồn phổ được mà
thậm chí còn trải phổ trực tiếp Một kênh CDMA rộng 1,23Mhz với hai dãy phòng vệ 0,27Mhz CDMA dùng mã trải phổ có tốc độ cắt, tốc độ này cũng chính là tốc độ mã
đầu ra của máy phát PN
Đặc điểm có tính phân biệt lớn nhất của hệ thống CDMA là tất cả các thiết bị đầu cuối chia sẻ toàn bộ băng thông hệ thống và mỗi tín hiệu của thết bị đầu cuối được
phân biệt bởi mã Khi mỗi người dùng gửi một yêu cầu đến BS (Base Stasion), BS sẽ
chỉ định một trong các mã trải cho người dùng
Tín hiệu trải phổ là một chuỗi mã giả ngẫu nhiên có tốc độ bit lớn hơn nhiều tốc
độ dữ liệu
Trang 34Tìm biểu hệ thống di đông MC-CDMA CỐ
GVHD:PGS.TS.PHAM HONG LIEN DA TRUY NHAP VA TRAI PHO
Trong CDMA, công suất thuê bao tại máy thu xác định nền nhiễu sau khi giải tương quan Nếu công suất của mỗi thuê bao trong một Cell không được điều khiến thì
hiệu ứng “gần —xa” xuất hiện ở hướng lên.Vấn đề gần xa xuất hiện khi nhiều thuê bao
di động chia sẻ cùng một kênh truyền Trong trường hợp này tín hiệu kênh truyền thu
được mạnh nhất sẽ chiếm giữ bộ giải điều chế tại máy thu Trong CDMA, các mức tín
hiệu thu được mạnh hơn sẽ nâng cao nền nhiễu tại các bộ giải điều chế tại các trạm gốc với các tín hiệu thu được yếu hơn Để tránh hiệu ứng “gần- xa” ta phải sử dụng điều khiển công suất khi sử dụng CDMA Việc thực hiện điều khiển công suất đựơc thực
hiện tại mỗi trạm gốc trong hệ thống Cellular và đảm bảo rằng mỗi thuê bao trong
vùng phủ sóng của trạm gốc cung cấp tín hiệu tại bộ phận thu của trạm gốc Điều khiển công suất được thực hiện ở trạm gốc bằng cách lấy mẫu số đo cường độ tín hiệu vô tuyến của mỗi thuê bao di động và sau đó gửi lệnh thay đổi công suất Mặc dù có sử dụng điều khiển công suất trong mỗi Cell nhưng các thuê bao di động bên ngoài Cell vẫn gây ra sự can nhiễu mà không chịu sự điêu khiên bởi trạm gôc thu
2.1.3.2 Thủ tục phát và thu tín hiệu:
* Tín hiệu số thoại (9,6Kbps) phía phát được mã hoá, lặp, chèn và được nhận với
sóng mang fụ, và mã PN ở tốc độ 1,2288Mbps
% — Tín hiệu đã được điều chế đi qua bộ lọc băng thông có độ rộng băng 1,25Mhz
sau đó phát xạ qua anten
% Ở đầu thu, song mang va ma PN cua tin hiệu thu được từ anten được đưa đến
bộ tương quan, qua bộ lọc băng thông rộng 1,25Mhz, và số liệu thoại mong muốn
được tách ra để tái tạo lại số thoại ban đầu nhờ sử dụng bộ tách, chèn và mã giả ngẫu
nhiên PN
Trang 35Tim hiểu hệ thống di đông MC-CDMA SỐ GVHD:PGS.TS.PHAM HONG LIEN DA TRUY NHAP VA TRAI PHO Tạp âm Giao thoa IOC Tạp âm người nên ngoài sử dụng
Hình2.2:Sơ đồ thu và phát CDMA
2.1.3.3 Các đặc điểm của CDMA
~ Các user có thể sử dụng cùng băng tần số cùng khe thời gian nên hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên rất cao, dung kượng của hệ thống rất lớn
s* Khác với FDMA hay TDMA, CDMA có giới hạn dung lượng mềm, bi fading chọn tần một cách đễ dàng bằng cách sử đụng kỹ thuật phân tập đường truyền
‹* Tốc độ dữ liệu trong hệ thống kênh truyền CDMA rất cao
s* Ngoài tính năng bảo mật tín hiệu tốt, hệ thống này có khả năng chống lại can nhiễu từ các hệ thống khác, nó cũng ít tạo ra tín hiệu nhiễu cho hệ thống khác
Trang 36
Tim hiéu hé thong di dng MC-CDMA VU
GVHD:PGS.TS.PHAM HONG LIEN DA TRUY NHAP VA TRAI PHO
2.1.3.4 Ưu - nhược điểm của hệ thống CDMA
Ưu điểm
> Sir dung hiéu qua bang tan
> Về mặt lý thuyết, hệ thống sử dụng CDMA không giới han user str dung
> Giảm đựơc ảnh hưởng của nhiễu đa đường
> Tính bảo mật cao do người ngoài rất khó xác định được quy luật của chuỗi mã sử dụng, do đó khó khôi phục đựợc tín hiệu thu được
Nhược điểm:
v Chất lượng thông tin giảm khi số user tăng
v Bị ảnh hướng của hiện tượng gần xa, do đó cần phải áp dụng kỹ thuật điều khiển công suất một cách chính xác
vé“ Cần phải có sự đồng bộ mã trải phố chính xác dé thu tín hiệu
2.1.3.5 Các đặc tính của CDMA a-Tính đa dạng của phân tập
Phân tập được sử dụng hiện tượng fading đa đường truyền, đặc biệt trong điều chế CDMA băng rộng vì tín hiệu qua các đường khác nhau được thu nhận một cách
độc lập CDMA dùng các dạng phân tập cũ cũng như mới để ngăn chặn hiện tượng
fading đa đường truyền
Có 3 loại phân tập: phân tập theo thời gian, tần số và theo khoảng cách Phân tập theo thời gian đạt được nhờ sử dụng việc chèn và sửa sai Hệ thống CDMA băng rộng ứng dụng phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng báo hiệu trong băng tần rộng
1,25Mhz va fading liên hợp với tần số thường có ảnh hưởng đến băng tần báo hiệu
(200-300)Khz, nó xuất hiện như một vết chặn trong toàn bộ tín hiệu CDMA Cụ thể,
việc chậm trễ giữa các đường truyền liên tục của bộ thu nhỏ hơn 0,8ms chỉ gây ra sự
suy giảm công suất của tín hiệu CDMA
Trang 37Tim hiểu hệ thống di đông MC-CDMA CỐ
| GVHD:PGS.TS.PHAM HONG LIEN DA TRUY NHAP VA TRAI PHO
Phân tập theo khoảng cách hay theo đường truyền có thể đạt được theo 3 cách;
te Thiết lập nhiều đường báo hiệu (chuyển giao mềm) để kết nối máy di động
đồng thời với 2 hoặc nhiều BS
* Sử dụng môi trường đa đường truyền qua chức năng trải phổ giống như bộ quét
thu nhận, tông hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu khác trễ thời gian
% — Đặtnhiều ăng ten tại BS Phân tập theo tân số ——= 173MH:— 200-3 00KLs Vì os ee Phân tập theo thời — we <j [ENCODER & DECODERS DELNIERLEAVE FEEE > - vê Phin tap thee kheang cic \ CORRELATOR OUTPUTS
Hình 2.3 Quá trình phân tập trong CDMA
Dái rộng của phân tập theo đường truyền có thể được cung cấp nhờ đặc tính duy nhất của hệ thống CDMA dãy trực tiếp và mức độ phân tập cao tạo nên những sử dụng tốt
trong môi trường EMI lớn Bộ điều khiển đa đường tách sóng PN nhờ sử dụng bộ | tuong quan song song
Máy di động sử dụng 3 bộ tương quan, BS sử dụng 4 bộ tương quan Máy thu có bộ tương quan song song gọi là “máy thu quét” nó xác định tín hiệu thu theo mỗi
đường và tông hợp, giải điêu chê tât các các tín hiệu thu được Fading có thê xuât hiện
Trang 38Tìm hiểu hệ thống di đông MC-CDMA ee
GVHD:PGS.TS.PHAM HONG LIEN DA TRUY NHAP VA TRAI PHO
trong mỗi tín hiệu thu nhưng không có sự tương qua giữa các đường thu.Vì vậy tổng các tín hiệu thu được có độ tin cậy cao vì khả năng có fading đồng thời trong các tín
hiệu thu đựơc là rất thấp
b Điều khiên công suất CDMA
Hệ thống CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất hai chiều (từ BS đến máy di động và ngược lại) để cung cấp cho hệ thống có dung lượng và lưu lượng lớn, chất lượng cuộc gọi cao Mục đích của điều khiển công suất phát của máy đi động là làm sao cho tín hiệu phát của tất các các máy di động trong một vùng di động có thé
thu với độ nhạy trung bình tại bộ thu của BS Khi công suất phát của tất cả các máy di
động trong một vùng phục vụ đựơc điều khiển, vậy tổng công suất thu được tại bộ thu
của BS trở thành công suất trung bình của nhiều máy di động
Bộ thu CDMA của BS chuyển tín hiệu thu được thành thông tin số băng hẹp Như vậy tín hiệu của máy đi động khác còn lại chỉ là tín hiệu tạp âm của băng rộng
Trong hình 2.3 mạch mở đường điều khiển công suất từ máy di động tới BS là chức năng hoạt động cơ bán của máy đi động Máy di động điều khiển công suất phát theo sự biến đổi công suất thu từ BS, do đó mức công suất thu được từ BS và điều khiển công suất phát tỉ lệ nghịch với công suất đo được BS cung cấp chức năng cho mạch mở đường để điều khiển công suất bằng cách cung cấp cho máy di động một hằng số định cỡ (calibration constant) Hằng số định cỡ này liên quan đến yếu tố tải và
tạp âm của BS, động tăng ích ăngten và bộ khuếch đại công suất BS thực hiện kích
cho mạch đó điều khiển công suất tăng hay giảm sau mỗi thời gian 1,25ms đến khi đạt kết quả Ngoài ra BS còn cung cấp việc điều khiển công suất tới máy di động Mục
đích của việc điều khiển này là làm giảm công suất phát của máy di động khi rỗi, làm fading đa đường thấp và giảm giao thoa đối với BS khác
c Chuyén giao trong CDMA
Khi một cuộc gọi hoạt động gồm BS, MS và MSC điều khiển các sự giao tiếp
giữa MS và BS để duy trì đường nối vô tuyến Vì việc xử lý một BS đi chuyển đến một kênh lưu lượng mới được gọi là chuyển giao
TRƯỜNG fHDL - #7 2°
Trang 39
Tim hiéu hé théng di dng MC-CDMA TU 2
GVHD:PGS.TS.PHAM HONG LIEN DA TRUY NHAP VA TRAI PHO
Đối với hệ thống CDMA các đặc tính thông tin trải phổ cho phép nhận sự
truyền dẫn trong hai hoặc nhiều BS đồng thời Nó còn có thể xử lý chuyển giao từ một
BS này đến một BS khác trong cùng một trạm gốc mà không có sự biến dạng tín hiệu
hay đữ liệu truyền
c.1 Chuyén giao mém(SOFT HANDOFF):
Là sự kết nối cuộc gọi được hoàn thành trước khi bỏ kênh cũ (make
beforebreak connetion), xảy ra khi cả BS ban đầu và BS mới cùng tham gia vào việc chuyển giao cuộc gọi Mạng MSC kết hợp với tín hiệu nhận được từ cả hai BS để xử lý sao cho không có ngắt tín hiệu đến thuê bao
Việc chuyển Ø1lao cuộc gọi theo trình tự: BS ban đầu, cả hai BS, BS mới Chính
nhờ lược đồ này làm tối thiểu hoá sự gián đoạn cuộc gọi và làm người sử dụng không nhận ra trạng thái chuyển giao mềm Sau khi cuộc gọi được thiết lập thì máy di động tiếp tục tìm tín hiệu của BS bên cạnh với Cell đang sử dụng Nếu cường độ tín hiệu đạt đến một mức nhất định nào đó tức khi đó máy di động đã chuyển sang vùng phục vụ của BS mới mà trạng thái chuyển giao có thể bắt đầu, máy di động chuyên một bản tin
điều khiển tới MSC để bảo vệ cường độ tín hiệu và số liệu của BS mới Sau đó MSC
thiết lập một đường nối giữa máy di động với BS mới và bắt đầu chuyển giao mềm
trong khi vẫn giữa đường kết nối ban đầu BS ban đầu không còn quản lý cuộc gọi nữa khi chỉ thị trạm gốc di động đã được thiết lập trong một Cell mới
= = =
Hinh 2.4 Chuyén giao mém trong hé thong CDMA
c.2 Tính chất khó thu trộm:
Hệ thống CDMA có chức năng bảo mật cuộc gọi cao, về cơ bản nó tạo ra xuyên âm Nếu việc sử dụng máy thu tìm kiếm và sử dụng bắt hợp pháp kênh RF là rất khó Bởi vì tín hiệu CDMA đã được trộn (scrambling) hay nói cách khác là tin tức đã được
Trang 40
Tìm hiểu hệ thống di đông MC-CDMA CS
GVHD:PGS.TS.PHAM HONG LIEN DA TRUY NHAP VA TRAI PHO
mã hoá trải trên một khoảng rộng của một phổ tần.Việc mã hoá kênh thoại số đễ dàng nhờ sử dụng DES hoặc các công nghệ mã hoá tiêu chuẩn khác
Một lợi thế của các tín hiệu DS/DS là chúng rất khó phát hiện và thu trộm
Để hiểu được vấn đề ta xét tín hiệu DS cộng với tạp âm:
A.b().c(f)cos(2zf.t)+n(©)
PSD của tín hiệu này là: (A?T⁄4) [sine2(+f£}T,) ] có giá trị lớn nhất là:A”T¿⁄4 và tập
âm Gauss trắng cộng(AGWN) có PSD là N„/2 Trong các ứng dụng như hệ thống điện
thoại di động thường đòi hỏi tỷ số bit là 10” đến 10
Để đạt được điều này phải có SNR =Ey/Nọ vào khoảng 6,8đB đến 10,5đB ( coi điều chế BPSK) Nghia la E,/N,~ 5 dén 11 Trong d6 : E, 1a nang lượng trên m6t bit tin hiéu DS E, =A°T, /2 Vậy A°T,/(2N,) = 5 dén 11
Nghia là A?T,/(2N,) = 5T,/T dén 11T,/T hay (A7T,/4)(N,/2) = 5/PG dén 11 Tc/T hay (A°T./4)(N,/2) = 5/PG 11/PG, nghia là chiều cao của phô tín hiệu DS A”T/⁄4) = 5/PG thường nhỏ hơn nhiều so với 1.Vì thế chiều cao phổ của tín hiệu DS thấp hơn tạp âm,
nghĩa là tín hiệu DS bị che lấp bởi tạp âm nên rất khó phát hiện và thu trộm
c.3 Công suất phát thấp:
Khi giảm tỷ số E/N, (tỷ số tín hiệu trên nhiễu) không những làm tăng dung
lượng hệ thống mà còn làm giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và giao thoa, nghiã là làm giảm công suất phát yêu cầu đối với máy di động từ đó giảm được
số lượng BS yêu cầu so với các hệ thống khác
Một ưu điểm lớn trong điều khiển công suất CDMA là giảm được công suất
phát trung bình, vì công suất yêu cầu chỉ phát đi khi có điều khiển công suất và công
suất phát chỉ tăng khi có fading Ngoài ra còn có thuận lợi về môi trường truyền dẫn Trong các hệ thống băng hẹp thì công suất phát cao luôn đựơc yêu cầu để khắc phục fading theo thời gian