Các phương pháp đan xen trong IDMA

Đồ án được trình bày trong 3 chương : Chương I: Tổng quan về các kỹ thuật đa truy nhập : hệ thống lại các kỹ thuật đa truy nhập đã có, và khái niệm về kỹ thuật đa truy nhập theo đan xen. Chương II: Kỹ thuật đa truy nhập theo đan xen IDMA. Chương này trình bày các nội dung cơ sở xây dựng các kỹ thuật đan xen. Chương III: Các phương pháp đan xen. Đây là nội dung chính của đồ án, trình bày các kỹ thuật đan xen đang được nghiên cứu trên thế giới như đan xen trực giao, đan xen giả ngẫu nhiên, đan xen dịch,…

Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục MỤC LỤC Nguyễn Hà Giang – D06VT1 1 Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 0-9 2G 2 d Generation Thế hệ thứ hai A APP A Posteriori Probability Xác suất hậu nghiệm AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gauss trắng cộng B BER Bit Error Rate Tốc độ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Modulation Điều chế khoá chuyển pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc C CBC Chip-By-Chip Chíp đến chip CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CRE Chip Reliability Estimator Bộ ước lượng chip tin cậy D DEC Decode Bộ giải mã DES Despreader Bộ giải trải phổ DS-CDMA Direct-Sequence CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã trải phổ chuỗi trực tiếp D-AMPS Digital-Advance Mobile Phone Service Dịch vụ di động tiên tiến số E ESE Elementary signal estimator Bộ đánh giá tín hiệu thành phần Nguyễn Hà Giang – D06VT1 2 Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt EGC Equal Gain Combining Kết hợp độ lợi cân bằng F FEC Forwarding Error Correction Bộ điều chỉnh lỗi chuyển tiếp FDD Frequency Division Duplex Ghép song công theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số G GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống toàn cầu cho thông tin di động GF Galois Field Trường Galois I IDMA Interleave Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo đan xen IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện các nhà kỹ thuật điện và điện tử ISI Intersymbol Interference Nhiễu kí hiệu L LLR Log-Likelihood ratio Tỉ số log likelihood LSB Least Significant Bit Bit có trọng số thấp nhất M MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập Media MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập MC-CDMA Multi Carrier Code Division Multiple Access CDMA đa song mang MLI Multilayer Interference Nhiễu đa lớp MMSE Minimum Mean Square Error Cân bằng sai lệch vuông góc Nguyễn Hà Giang – D06VT1 3 Đồ án tốt nghiệp đại học Thuật ngữ viết tắt trung bình cực tiểu MUD Multi-User Detector Bộ tách đa người sử dụng MS Mobile Station Trạm di động MSB Most Significant Bit Bit có trọng số lớn nhất MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỉ lệ tối đa O OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao p PEG Progressive Edge Growth Gia tăng biên dần dần PN Pseudo Noise Giả tạp âm S SC-IDMA Single-Carrier Interleave Division Multiple Access IDMA đơn sóng mang SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo không gian SF Spreading Factor Thừa số trải phổ T TDD Time Division Duplex Ghép song công theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian U UE User Equipment Thiết bị người sử dụng UTRA Universal Terrestrial Radio Access Truy nhập vô tuyến phổ biến trên mặt đất Nguyễn Hà Giang – D06VT1 4 Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục hình vẽ bảng biểu DANH MỤC HÌNH VẼ BẢNG BIỂU Hình 1.1: Phương pháp phân kênh FDMA, TDMA và CDMA Hình 1.2: Tín hiệu DS-CDMA Hình 1.3: Mô hình hệ thống MC-CDMA gồm K người sử dụng. Hình 1.4: a) Tín hiệu MC-CDMA trước kênh b) Tín hiệu MC-CDMA sau kênh……………………………… 11 Hình 1.5: So sánh OFDMA và FDMA Hình 2.1: Hệ thống IDMA qua kênh AWGN Hình 2.2: Hệ thống IDMA không nhiễu Hình 2.3 : Thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính cho x 6 + x + 1 Hình 2.4: Xây dựng đan xen dựa trên chuỗi PN. П(5) = 4, П(8) = 9 Hình 2.5: Cấu trúc máy phát của hệ thống IDMA với K người sử dụng đồng thời Hình 2.6: Cấu trúc máy thu của hệ thống IDMA với K người sử dụng đồng thời Hình 3.1: Kết quả mô phỏng với 32 và 63 người dùng Hình 3.2: Kết quả mô phỏng với 96, 110 và 120 ng ư ời dùng Hình 3.3: Cấu trúc máy phát và máy thu của hệ thống IDMA với K người sử dụng đồng thời, trong đó πk là bộ đan xen cho người sử dụng k. Hình 3.4: So sánh các hệ thống IDMA không mã hóa trong các kênh AWGN đơn đường, sử dụng hai loại đan xen. Hình 3.5: So sánh các hệ thống IDMA mã hóa chập trong các kênh AWGN, sử dụng hai loại đan xen. Hình 3.6. Bộ tạo chuỗi PN khi y = 1 + x + x 4 Hình 3.7: Bảng quả trình cập nhật c k Hình 3.8: Kết quả mô phỏng với 16, 28 người sử dụng. Hình 3.9: Kết quả mô phỏng với 16 người sử dụng Hình 3.10: Kết quả mô phỏng với 28 người sử dụng. Nguyễn Hà Giang – D06VT1 5 Đồ án tốt nghiệp đại học Lời mở đầu LỜI MỞ ĐẦU Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin là một nhu cầu thiết yếu. Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi lúc, mọi nơi. Trước nhu cầu ngày càng lớn về thông tin liên lạc nói chung và thông tin di động nói riêng, việc nghiên cứu áp dụng các công nghệ tiên tiến cũng như tìm kiếm các giải pháp mới nhằm nâng cao về chất lượng-dung lượng cũng như các loại hình dịch vụ thông tin liên lạc có ý nghĩa hết sức quan trọng và thiết thực. Sau các phương thức đa truy nhập thông tin di động truyền thống như : đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA),… thì đa truy nhập phân chia theo đan xen (IDMA) là một kỹ thuật đa truy nhập còn nhiều mới mẻ trong những năm gần đây nhưng đã có những hứa hẹn là một công nghệ cho tương lai, một công nghệ mà với những nghiên cứu hiện tại thì có nhiều ưu điểm nổi trội hơn so với các công nghệ đang phổ biến. Ý tưởng chính cho kỹ thuật đa truy nhập này là kỹ thuật đan xen, quá trình phát triển các phương pháp tạo đan xen khác nhau trong IDMA đã quyết định việc tạo ra các hệ thống IDMA khác nhau. Trên cơ sở kết luận nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới trong việc đưa ra các kỹ thuật đan xen như Li Ping đưa ra đan xen ngẫu nhiên, Hao Wu đưa ra đan xen lũy thừa, Pupeza đưa ra đan xen trực giao, đan xen giả ngẫu nhiên,…đồ án này cũng xin trình bày về một vấn đề cốt lõi đối với các hệ thống IDMA, đó chính là: Các phương pháp đan xen trong IDMA. Đồ án được trình bày trong 3 chương :  Chương I: Tổng quan về các kỹ thuật đa truy nhập : hệ thống lại các kỹ thuật đa truy nhập đã có, và khái niệm về kỹ thuật đa truy nhập theo đan xen.  Chương II: Kỹ thuật đa truy nhập theo đan xen IDMA. Chương này trình bày các nội dung cơ sở xây dựng các kỹ thuật đan xen. Nguyễn Hà Giang – D06VT1 6 Đồ án tốt nghiệp đại học Lời mở đầu  Chương III: Các phương pháp đan xen. Đây là nội dung chính của đồ án, trình bày các kỹ thuật đan xen đang được nghiên cứu trên thế giới như đan xen trực giao, đan xen giả ngẫu nhiên, đan xen dịch,… Em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới cô giáo Dương Thanh Tú, người đã cho em những định hướng và giúp đỡ cụ thể nhất trong việc hoàn thiện đồ án này. Rất mong có được những ý kiến đánh giá và hoàn thiện hơn từ các thầy cô và các bạn. Em xin trân trọng cảm ơn !! Hà Nội, ngày 4-12-2010 Người thực hiện Nguyễn Hà Giang Nguyễn Hà Giang – D06VT1 7 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về các kỹ thuật đa truy nhập CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP 1.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP CƠ BẢN 1.1.1 Các kỹ thuật đa truy nhập FDMA, TDMA, CDMA và SDMA 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 sử dụng có thể sử dụng đồng thời là một nhu cầu cấp thiết. Tùy thuộc vào việc sử dụng tài nguyên vô tuyến để phân bổ cho các người sử dụng mà công nghệ này được phân chia thành: − Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA. − Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA. − Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mă CDMA. − Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA. Hình 1.1: Phương pháp phân kênh FDMA, TDMA và CDMA 1.1.1.1 Kỹ thuật đa truy nhập theo tần số, FDMA FDMA (Frequency Division Multiple Access) là phương thức đa truy nhập mà trong đó mỗi kênh được cấp phát một tần số cố định. Độ rộng băng tần cấp phát cho hệ thống B/n MHz được chia thành n băng tần con, mỗi băng tần con được ấn định cho một kênh riêng có độ rộng băng tần là B/n MHz. Các máy vô tuyến đầu cuối phát liên tục một số sóng mang đồng thời trên các tần số khác nhau. Máy thu đường xuống hoặc đường lên chọn sóng mang cần thiết theo tần số phù hợp. Nguyễn Hà Giang – D06VT1 8 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về các kỹ thuật đa truy nhập Để đảm bảo thông tin song công tín hiệu phát thu của một máy thuê bao phải được phát ở hai tần số khác nhau hay ở một tần số nhưng khoảng thời gian phát thu khác nhau. • Phương pháp thứ nhất gọi là ghép song công theo tần số (FDMA/FDD, FDD-Frequency Division Duplex).Trong phương pháp này băng tần dành cho hệ thống chia thành hai nửa: một nửa thấp (Lower Half Band) và một nửa cao (Upper Half Band). Mỗi nửa băng tần được bố trí tần số cho các kênh. Mỗi cặp tần số được sử dụng cho máy phát và máy thu của cùng một kênh gọi là cặp tần số thu phát hay song công. • Phương pháp thứ hai gọi là ghép song công theo thời gian (FDMA/TDD, TDD-Time Division Duplex). Phương pháp này cả máy thu và máy phát có thể sử dụng chung tần số (nhưng phân chia theo thời gian), khi này băng tần chỉ là một và mỗi kênh có thể chọn một tần số bất kỳ trong băng tần. Để tăng hiệu suất sử dụng tần số có thể sử dụng FDMA kết hợp với ghép song công theo thời gian, khi đó một máy thu phát chỉ sử dụng một tần số và thời gian thu phát luân phiên. Ưu điểm: • Băng thông của mỗi kênh là tương đối hẹp nên hạn chế được fading lọc tần số. • Các tính toán cho hệ thống sử dụng FDMA khá đơn giản. • Việc đồng bộ là tương đối đơn giản. Nhược điểm: • Mỗi người sử dụng chỉ được cấp cho một khoảng tần số nhất định nên tốc độ bit tối đa trên một kênh là cố định và do đó, hệ thống FDMA không thích hợp với truyền dẫn số. • Cần phải có khoảng băng tần bảo vệ để giảm thiểu nhiễu xuyên kênh và để có thể sử dụng bộ lọc lấy khoảng tần số mong muốn. • Cần bộ lọc băng hẹp tốt. Nguyễn Hà Giang – D06VT1 9 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương I: Tổng quan về các kỹ thuật đa truy nhập 1.1.1.2 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian, TDMA TDMA (Time Division Multiple Access) là kỹ thuật truyền sóng kỹ thuật số, cho phép nhiều người dùng truy nhập vào cùng một kênh tần số mà không bị kẹt bằng cách định vị những rãnh thời gian duy nhất cho mỗi người dùng trong mỗi kênh. Điều này cho phép các trạm đầu cuối dùng chung môi trường truyền dẫn (thường là môi trường vô tuyến) trong khi chỉ sử dụng phần băng thông của nó. TDMA thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin di động 2G như GSM, D-AMPS (IS-136), PDC… hay các hệ thống thông tin vệ tinh. TDMA là một kiểu ghép kênh phân chia theo thời gian. 1. Nguyên lý TDMA: máy thu thu lần lượt các sóng mang cùng tần số theo thời gian và phân tách chúng bằng cách mở cổng lần lượt theo thời gian thậm chí ngay cả khi các sóng mang này chiếm cùng một băng tần số. Trong hệ thống thông tin di động có hai phương thức truy nhập trong TDMA: TDMA/FDD và TDMA/TDD • TDMA/FDD: sử dụng cặp tần số song công sử dụng cho phía thu và phía phát. Đường lên bao gồm các tín hiệu đa truy nhập theo thời gian (TDMA) được phát đi từ các máy đầu cuối đến trạm gốc, còn ở đường xuống là tín hiệu ghép kênh theo thời gian (TDM) được phát từ trạm gốc cho các máy đầu cuối. • TDMA/TDD: đường lên và đường xuống sử dụng chung một tần số, tuy nhiên để phân chia đường phát và đường thu các khe thời gian phát và thu được phát đi ở các khoảng thời gian khác nhau. Ưu điểm của kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số là thiết bị trạm gốc đơn giản, cho phép tiết kiệm tần số và thiết bị thu phát hơn FDMA. Tuy nhiên ở nhiều hệ thống nếu chỉ sử dụng một cặp tần số thì không đủ đảm bảo dung lượng của mạng. Vì thế TDMA thường được sử dụng kết hợp với FDMA cho các mạng đòi hỏi dung lượng cao.Nhược điểm của TDMA là đòi hỏi đồng bộ tốt và thiết bị phức tạ hơn FDMA khi cần truyền dẫn cao, ngoài ra đòi hỏi xử lý số phức tạp nên xảy ra hiện tượng hồi âm. Nguyễn Hà Giang – D06VT1 10 [...]... an xen IDMA Hỡnh 2.1: H thng IDMA qua kờnh AWGN 2.2 TNG QUAN GIA CC AN XEN 2.2.1 Mc ớch T s phõn tỏch ngi s dng t c bi cỏc an xen, tiờu chun thit k ca mt an xen l mi hai an xen bt kỡ ngoi mt b cỏc an xen cú xung t nhau ớt nht cú th Mc ớch ca phn ny l nh ngha s tng quan gia cỏc an xen trong IDMA, l thc o mc xung t gia cỏc an xen Khụng ging nh mó húa/gii mó turbo c in, trong ú nhim v ca cỏc b an xen. .. TRONG IDMA 2.4.1Cu trỳc mỏy phỏt Trong hỡnh l cu trỳc ca b phỏt ca h thng IDMA vi K ngi s dng hot ng ng thi Chui d liu u vo d k ca ngi s dng th k c gii mó da trờn mt b mó húa tc chm C Chui mó húa sau ú c an xen bng an xen mc chip k, to ra xk [ xk(1), ,xk(J)]T quy c gi nhng phn t trong xk l chip Cỏc ngi s dng khỏc nhau ch phõn bit c bng cỏc an xen ca chỳng, do ú m ta gi l a truy nhp theo an xen (IDMA) ... theo an xen IDMA nh ngha 2: Hai an xen i v j (m i j ) c gi l trc giao nu cho bt kỡ 2 t w v v no, chỳng ta cng cú: C (pi ,w, p j , v) = pi ( f (w)), p j ( f (v)) = 0 (2.2) Rt d xỏc minh mt b an xen trc giao nhau c s dng trong h thng IDMA, sau ú b gii mó trong hỡnh 2.2 gii mó ngi s dng j hon ton, tc l vj = vj Trong trng hp ny, tng quan zero (hay trc giao) ngha l khụng cú xung t gia cỏc an xen 2.2.3... dng gii mó d liu ngi s dng (MUD) Vi cỏc an xen ny, h thng IDMA thc thi tng t v thm chớ tt hn h thng CDMA iu kin IDMA cú th thc hin c l phớa phỏt v phớa thu ng nht an xen i vi cỏc an xen ngu nhiờn, ton b ma trn an xen phi c truyn ti phớa thu, nh vy cú th rt tn kộm Mc ớch ca chỳng tụi l dng nờn cỏc an xen khụng ngu nhiờn cho IDMA m hot ng hiu qu nh l an xen ngu nhiờn, v thoi món hai tiờu chun thit... cú th ch cn trao i mt s lng nh cỏc bit xỏc lp an xen, v sau ú hot ng Cỏc an xen khụng xung t b) Khỏi nim 2 Cỏc nh khoa hc ngi c li cho rng a truy nhp phõn chia theo an xen (IDMA) l trng hp c bit ca DS-CDMA khi b an xen v b tri ph b o v trớ cho nhau (khi ú thỡ cỏc lung d liu s b tỏch ra bi cỏc an xen khỏc nhau) Khi an xen v tri ph c luõn phiờn nhau, IDMA cú th c hiu nh DS-CDMA khụng tri ph c) Khỏi... TRUY NHP THEO AN XEN IDMA 2.1 H THNG THễNG TIN IDMA Chỳng ta s dng h thng IDMA khụng mó húa, hỡnh 2.1 õy, cỏc vector c xỏc nh v = (v[1], v[2], , v[n])T vi v[j] l thnh phn th j ca vector v khi j {1, 2, , n} Mt an xen, l mt song ỏnh m ỏnh x mi vector ti mt hoỏn v ca chớnh nú K max l s lng ln nht ngi s dng cho phộp kt ni thụng tin ng thi trong mt h thng a ngi s dng K l s ngi s dng trong h thng ( K ... lng h thng Trong ỏn ny s cp ti mt k thut a truy nhp mi, gi l a truy nhp theo phng phỏp an xen (IDMA) í tng chớnh ca IDMA l s dng cỏc an xen khỏc nhau phõn bit ngi dựng Ta bit rng ti phớa thu cỏc ngi s dng khụng ng b vỡ tr truyn lan kờnh (iu ny chỳng ta cú th c lng c), chỳng ta cú th ch cn s dng mt b an xen cho tt c cỏc ngi s dng vỡ vy m gi thuyt s phõn tỏn ca vic qun lý mng c ỏnh giỏ cao Trong trng... an xen khụng ch cn phi gii tng quan cỏc chui bit khỏc nhau, m tỏch c cỏc ngi s dng khỏc nhau S tng quan gia cỏc an xen cú th o c mc m cỏc tớn hiu t nhng ngi s dng khỏc nh hng ti quỏ trỡnh gii mó ca mt ngi s dng c th Nh vy, nhiu cng sinh khụng nh hng gỡ n Nguyn H Giang D06VT1 24 ỏn tt nghip i hc Chng II: K thut a truy nhp theo an xen IDMA tng quan gia cỏc an xen, v trong phn ny, ta s xột h thng IDMA. .. v k thut ny Do ú cng cú mt s khỏi nim khỏc nhau v IDMA a) Khỏi nim 1 Theo Li Ping, nh nghiờn cu ngi Trung Quc thỡ IDMA l k thut da vo cỏc an xen khỏc nhau tỏch bỏo hiu t nhng ngi s dng khỏc nhau trong 1 h thng truyn thụng tri ph a ngi s dng, IDMA tri ph linh hot giao din khụng gian mụ t mỏy thu chm phc tp v hiu qu ph cao Mt h thng IDMA s dng cỏc an xen phỏt sinh ngu nhiờn v c lp Mỏy thu trin khai 1... xen 2.2.3 Gii hn s an xen trc giao nh lớ 1*: Cho S l di tri ph Vi di khi bt k no, mt h cỏc an xen trc giao cú ti a S phn t, ngha l s lng cỏc an xen trc giao ti a l S 2.2.4 Gii hn tng quan gia cỏc an xen Chỳng ta ó ch ra rng khụng th no tỡm c mt tp hp nhiu hn S an xen trc giao Nu mun xõy dng mt h thng IDMA cho phộp nhiu hn S ngi s dng ng thi thỡ chỳng ta cn phi s dng cỏc an xen vi tng quan khụng . Pupeza đưa ra đan xen trực giao, đan xen giả ngẫu nhiên,…đồ án này cũng xin trình bày về một vấn đề cốt lõi đối với các hệ thống IDMA, đó chính là: Các phương pháp đan xen trong IDMA. Đồ án được. các công nghệ đang phổ biến. Ý tưởng chính cho kỹ thuật đa truy nhập này là kỹ thuật đan xen, quá trình phát triển các phương pháp tạo đan xen khác nhau trong IDMA đã quyết định việc tạo ra các hệ. theo đan xen IDMA. Chương này trình bày các nội dung cơ sở xây dựng các kỹ thuật đan xen. Nguyễn Hà Giang – D06VT1 6 Đồ án tốt nghiệp đại học Lời mở đầu  Chương III: Các phương pháp đan xen.