Điều khiển ông suất trong á hệ thống thông tin di động mc cdma và abs mc cdma

Nhĩm thứ hai là trải phổ các luồng dữ liệu đã được chuyển đối từ nối tiếp sang song song sử dụng một mã trải phổ cho trước và sau đĩ điều chế mỗi luồng dữ liệu lên các sĩng mang phụ khác

B Ộ GIÁO DỤ C VÀ ĐÀO T Ạ O TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ

TRẦN VĂN GIÁP

LUẬ N VĂN TH C SĨ Ạ NGÀNH ĐIỆ N TỬ ỄN THÔNG VI

Hà N i, 20 ộ 06

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131477101000000

Mục lục

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

MỞ ĐẦU

Chương I: T ng quan v MC-CDMA và xử lý tín hiệu số trong MC-ổ ề CDMA

I Gi i thi u MC-CDMA, các sơ đồ MC-CDMA, cấu trúc bộ phát và bộ ớ ệ

thu 1

1 K t h p tr i ph trong mi n t n s và điều chế đa sóng mang 1 ế ợ ả ổ ề ầ ố 2 K t h p tr i ph trong mi n th i gian và điều chế đa sóng mang 5 ế ợ ả ổ ề ờ 3 So sánh các hệ thống 9

II X lý tín hiệu trong h th ng MC-CDMA 10 ử ệ ố A Mô hình thời gian liên tục 10

1 Đồng bộ trong kênh đa người dùng trong MC-CDMA 10

2 Tách sóng đơn người sử dụng trong MC-CDMA 14

B Mô hình kênh MC-CDMA thời gian rời rạc 18

1 Điều chế bằng FFT 18

2 Đơn giản hóa kênh MC-CDMA sử dụng đại số ma trận 21

3 Nhiễu giao thoa đa người dùng (MUI) trong kênh MC-CDMA 24

4 Bộ thu MU dựa vào tách sóng giải tương quan 27

C Các kết quả mô phỏng 30

Chương II: Điều khiển công suất trong các hệ thống MC-CDMA I Giới thiệu 35

II Điều chế đa sóng mang và các hệ thống CDMA 36

III Các mô hình hệ thống MC-CDMA 38

IV Cơ chế điều khiển công suất trong các hệ thống MC-CDMA 44

V Các kết quả mô phỏng 50

VI Kết luận 53

2 Tổng công suất phát 57

III Truyền dữ liệu tin tức và tín hiệu chuẩn 58

IV SNR trong các hệ thống ABS MC-CDMA 61

V Phân tích BER 62

1 BER của các hệ thống N/N và 1/N 62

2 Giới hạn trên và giới hạn dưới của BER trong các hệ thống M/N 65

VI Các luật quyết định các hệ số lựa chọn băng tần 67

1 Các hệ số lựa chọn băng tần tối ưu 68

2 Luật dựa vào SNR đối với các hệ số lựa chọn băng tần 69

3 Luật dựa vào công suất đối với các hệ số lựa chọn băng tần 70

4 Độ chính xác của việc lựa chọn băng tần 70

5 Chất lượng các hệ thống ABS MC-CDMA 76

6 Cấp phát lại băng tần cho các người sử dụng dùng cùng chuỗi trải phổ 78

7 Phân tích BER 82

8 Các kết quả mô phỏng 84

9 Chu kỳ cập nhật lựa chọn băng tần trong các hệ thống ABS MC-CDMA 87

10 Điều khiển công suất trong các hệ thống ABS MC-CDMA 89

11 Kết luận 94

Chương IV: Xây d ng hệ điều khiển công suất trong hệ thống thông ự tin di động MC- CDMA bằng logic mờ đánh giá ưu nhược điểm và hướng phát triển của đề tài 95

I Sơ lược về hệ điều khiển mờ 95

1 Cấu trúc của hệ mờ 95

2 Nguyên lý điều khiển mờ và luật điều khiển mờ 98

3 Các bước để thiết kế bộ điều khiển mờ 99

4 Phương pháp điều khiển mờ 100

5 Các bộ điều khiển mờ động 102

II Xây dựng hệ điều khiền công suất trong hệ thống thông tin di đông

3 Quá trình xây d ing bộ điều khiển mờ 109 ự

4 Phân tích hoạt động của hệ thống điều khiển công suất dùng logic mờ, nhận xét các kết quả, đánh giá ưu nhược điểm của đề tài 134 5.Hướng phát triển của đề tài

Tài liệu tham khảo 137 Phụ lục

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MC-CDMA VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG

Các sơ đồ MC-CDMA được chia thành hai nhóm chính Nhóm thứ nhất

là trải phổ luồng dữ liệu ban đầu bằng một mã trải phổ cho trước và sau đó điều chế mỗi chip bằng các sóng mang phụ khác nhau (hay còn gọi là trải phổ trong miền tần số) Nhóm thứ hai là trải phổ các luồng dữ liệu đã được chuyển đối từ nối tiếp sang song song sử dụng một mã trải phổ cho trước và sau đó điều chế mỗi luồng dữ liệu lên các sóng mang phụ khác nhau ( hay còn gọi là trải phổ trong miền thời gian)

1 Kết hợp trải phổ trong miền tần số và điều chế đa sóng mang Sơ

đồ MC-CDMA:

Máy phát MC- CDMA trải phổ luồng dữ liệu ban đầu qua các sóng mang phụ khác nhau sử dụng một mã trải phổ cho trước trong miền tần số hay nói cách khác là một phần nhỏ của ký hiệu tương ứng với một chip của

mã trải phổ được phát trên một sóng mang phụ Ở kênh truyền vô tuyến hướng xuống chúng ta có

thể sử dụng các mã Hadamard Walsh như một bộ trực giao tối ưu, vì chúng ta không chú ý đến tính tự tương quan của các mã trải phổ

Hình 1.1a và 1.1b minh họa bộ phát MC-CDMA của người sử dụng thứ

j sử dụng sơ đồ CBPSK và phổ công suất của tín hiệu phát, với GMC là độ lợi

xử lý, NC là số sóng mang phụ, và ( )t 1j 2j jMC

C =   C C C   là mã trải phổ của người sử dụng thứ j Trong sơ đồ này chúng ta giả sử số sóng mang phụ bằng với độ lợi xử lý ( tức NC=GMC)

2 j

J

1 D

J 2

1 q

Tuy nhiên, chúng ta không nhất thiết phải chọn NC=GMC và thực sự nếu tốc độ ký hiệu ban đầu đủ lớn để trở thành đối tượng của fading lựa chọn tần

số thì trước tiên tín hiệu cần phải được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song trước khi trải phổ qua miền tần số Sở dĩ như vậy là vì nó quyết định fading không lựa chọn tần số qua mỗi sóng mang phụ trong việc trưyền đa sóng mang Hình 1.2 minh họa sự hiệu chỉnh để đảm bảo fading không lựa chọn tần số, với Ts là khoảng thời gian của ký hiệu ban đầu và trước tiên chuỗi dữ liệu ban đầu được chuyển đổi thành P chuỗi song song, khi đó mỗi chuỗi được sắp xếp vào các sóng mang phụ GMC ( NC=P x GMC)

1 cos(2 π f t + ( G MC − 1) / ) ) T t s

MC

j G C

ap J

1 J

∑

MC G

2 Kết hợp trải phổ trong miền thời gian và điều chế đa sóng mang:

Có 2 sơ đồ tương ứng với loại kết hợp này Trong cả hai sơ đồ này khi cho số sóng mang phụ là 1 thì chúng sẽ trở thành sơ đồ DS-CDMA thông thường

a) Sơ đồ DS-CDMA đa sóng mang:

thời gian để phổ của mỗi sóng mang phụ có thể thỏa mãn điều kiện trực giao với sự tách biệt tần số nhỏ nhất

Hình 1.3a và 1.3b minh họa máy phát DS-CDMA đa sóng mang của người sử dụng thứ j và phổ công suất của tín hiệu phát, với GMD là độ lợi xử

Hình 1.4a và 1.4b minh họa máy phát MT-CDMA của người sử dụng thứ j với sơ đồ CBPSK và phổ công suất của tín hiệu phát, với GMT là độ lợi

xử lý, NC là số sóng mang phụ và ( ) j 1 2 j j jMT

C =   C C C   là mã trải phổ của người sử dụng thứ j

7 j

Hình 1.4 : Sơ đồ MT-CDMA: a) Bộ phát; b) Phổ công suất của tín hiệu phát; c) Bộ thu

II Xử lý tín hiệu trong các hệ thống MC-CDMA:

Trong phần này chúng ta khảo sát các hệ thống MC-CDMA trong điều kiện kênh truyền AWGN Xét kênh truyền di động hướng lên và phát triển cả hai mô hình thời gian liên tục và thời gian rời rạc đối với các hệ thống MC-CDMA khi nhiều người sử dụng cùng chia sẻ kênh truyền Khảo sát chất lượng hệ thống MC-CDMA với tách sóng đơn người dùng và tách sóng đa người dùng

A Mô hình thời gian liên tục:

Trong phần này chúng ta mô tả mô hình thời gian liên tục của kênh truyền đa người dùng MU MC-CDMA trong môi trường AWGN và xuất phát

từ tách sóng đơn người dùng SU thông thường, kỹ thuật tách sóng cận tối ưu dựa vào các phần đã thực hiện đối với các kênh truyền CDMA

1) Đồng bộ kênh đa người dùng trong MC-CDMA:

Giả sử có M người sử dụng tích cực đang sử dụng kênh MC-CDMA ở cùng thời điểm tức thời t Mỗi người sử dụng m phát đi K ký hiệu dữ liệu m

k

s chỉ mã trải phổ độ dài J được sử dụng bỡi người sử dụng

m ở khoảng ký hiệu k Do đó trong truyền dẫn MC-CDMA, mỗi ký hiệu kênh

Trong MC-CDMA, băng thông sóng mang Bu được chia ra thành J sóng mang phụ với băng thông Bd:

Bd = 1/Td = Bu/J (1.2)

Mối quan hệ giữa băng thông sóng Bu với tốc độ chip 1/Tc là:

Bu = 1/Tc = J/Td = JBd (1.3)

Các sóng mang phụ được đánh số bỡi j = 1,…J Mỗi sóng mang phụ có một

số tần số trung tâm duy nhất fc + fc,j với khoảng cách fc,j được chọn như sau:

[ ]

: t ∈ 0, Td

Chúng ta định nghĩa:

, 1

r t

m k

e t

Hình 1.6: Truyền tín hiệu MC-CDMA thời gian liên tục của người sử dụng m

Hình 1.6 minh họa việc truyền tín hiệu MC-CDMA thời gian liên tục của người sử dụng m ở khoảng thời gian bit k

Chúng ta giả sử rằng ở khoảng thời gian bit k các sóng mang phụ của người sử dụng m bị ảnh hưởng bỡi J quá trình nhiễu trắng Gaussian không tương quan độc lập thống kê {nk j, ( ) : t j = 1, , J} Do đó dạng sóng m ( )

k

r t đến bộ thu bị ảnh hưởng của nhiễu Đặt năng lượng nhận được trong mỗi chip của dạng sóng được phát đi từ người sử dụng m ở khoảng thời gian k là m

( ) / 2

φ = và sai lệch σn2 = No/ 2 Phương trình (1.13) cho thấy sự hiện diện của MUI trong tín hiệu nhận được Hình 1.7 minh họa mô hình kênh MC-CDMA đa người sử dụng đồng thời của M người sử dụng

r t

m k

Hình 1.7 : kênh MC-CDMA đa người dung sử dụng đồng thời

2 Tách sóng đơn người sử dụng trong MC-CDMA:

Ở bộ thu chúng ta giả sử việc lọc trước - sau lý tưởng để tất cả các kênh sóng mang phụ được tách ra hoàn toàn Đối với bộ thu thông thường mỗi người sử dụng thực hiện việc chuyển đổi xuống, giải điều chế và trải phổ ở mỗi kênh và gửi đến mạch quyết định

=

∫

^ m k

d

m k

y

d

t T =

Hình 1.8: Mô hình tách sóng đơn người dùng đối với người sử dụng m

Tín hiệu ở mạch quyết định đối với người sử dụng m ở khoảng thời gian bit k là:

, 1

Bây giờ chúng ta chỉ xét số hạng thứ nhất ở (1.16) ở sóng mang j:

1 ( 1)

1 ( [ 1] ) cos(2 ) cos(2 )

( 1 )

co s( 2 ) ( ) 2

c j k j j

t k T o

N

f t s t d t N

Nếu ta đặt các giá trị tương ứng đối với số hạng tín hiệu và số hạng nhiễu đối với sóng mang phụ j vào phương trình (1.16) ta được;

sử dụng khác ở phương trình (1.22) sẽ bị khử và tách sóng SU thông thường cho chất lượng tối ưu trong kênh AWGN Nói cách khác, nếu một hoặc nhiều chuỗi trải phổ khác không trực giao với chuỗi trải phổ của người sử dụng thì

số hạng MUI sẽ trở nên quá mức, đặc biệt nếu các mức công suất của các tín hiệu của một hoặc nhiều người sử dụng khác đủ lớn hơn mức công suất của người sử dụng m Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng gần- xa trong thông tin đa người dùng CDMA Do đó cần có phương pháp điều chỉnh công suất được điều khiển bởi bộ thu thông qua một kênh thông tin riêng biệt mà tất cả những người sử dụng được theo dõi đồng thời Có một ý kiến khác là sử dụng phương pháp tách sóng đa người dùng để chống hiệu ứng gần-xa

B.Mô hình kênh MC-CDMA thời gian rời rạc:

1 Điều chế bằng FFT:

Tốc độ lấy mẫu tín hiệu thu được thực hiện bởi mỗi người sử dụng và bằng J/Td mẫu trên một giây tương ứng với tốc độ chip là 1/Tc chip trên một giây Do đó mô hình kênh MC-CDMA đường lên thời gian rời rạc có thể biểu diễn từ phương trình (1.13)

Trong phương trình (1.13) bằng cách thay c j, 1

d

j f T

−

= và ( 1)l T d

t J

s J

s s

δ

δ

δ δ

m

k J

ξ ξ

có mối liên hệ sau:

và biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT) cũng là cách thực hiện IDFT hiệu quả:

M IFFT

M k r

M k

n ωMk

,1 k e

1 k ω 1

k

n

1 k

Hình 1.9 : Điều chế được thực hiện bằng IFFT trong kênh MC-CDMA

Do đó, để không mất tính tổng quát đối với người sử dụng m ở khoảng thời gian bit k thì kiểu rời rạc tín hiệu ở bộ thu có thể được viết như sau:

2 Đơn giản hóa kênh MC-CDMA sử dụng đại số ma trận:

Phương trình (1.36) là một phương trình tuyến tính đối với M người sử dụng Có thể phân tích trải phổ và IFFT đối với M người sử dụng để tạo kênh

MU MC-CDMA trong điều kiện môi trường AWGN bao gồm tất cả những nguời sử dụng Ta sử dụng ký hiệu ma trận để tạo kênh Nếu ta đặt M mã trải phổ m

1 , ,

M k

∈

1 k k

M k

dd

M k

nn

Tín hiệu MC-CDMA nhận được đồng thời ở dạng đại số tuyến tính Để

so sánh cấu trúc mô hình hệ thống với mô hình của các kênh khác ta sẽ phát triển ký hiệu đối cho toàn bộ khoảng ký hiệu k = 1,2,…,K Đặt:

0

KJxKM K

KJ T

3 Nhiễu giao thoa đa người dùng (MUI) trong kênh MC-CDMA:

Ở bộ thu, đầu tiên chúng ta thực hiện phép tính FFT J điểm ở tín hiệu ngõ ra của kênh e Do đó tín hiệu giải điều chế có thể được viết như sau:

m m

k j j l j

Hình 1.11: Sơ đồ khối của một kênh MU MC- CDMA

Ngõ ra của bộ lọc tương ứng sau phép tính FFT có thể được viết như sau:

T T T

y A AWd A z= + = A AWd v+ (1.44)

1 : j = u

0 : j ≠ u

với v là biến ngẫu nhiên Gaussian phức với kỳ vọng zero và ma trận phương sai 2

v

σ Ma trận  A là đánh giá của bộ thu của A Đánh giá kênh truyền đối với một hệ thống sử dụng các chuỗi trải phổ ngẫu nhiên như thế là rất quan trọng Giả sử đánh giá kênh truyền hoàn hảo tức  A = A, ma trận tương quan R được định nghĩa như sau:

R

RR

kênh truyền thì khác với của kênh DS-CDMA Sơ đồ khối của kênh truyền MC-CDMA trong môi trường AWGN được minh họa ở hình 1.11

Từ phương trình (1.22) chúng ta đã biết đối với các chuỗi mã trải phổ trực giao số hạng MUI sẽ bị khử và chúng ta sẽ bỏ nó ở kênh SU Tuy nhiên, đối với các mã trải phổ ngẫu nhiên MUI trở nên quá mức khi M tăng Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ khảo sát kỹ thuật tách sóng MU thông thường mà được biết với tên tách sóng giải tương quan

4 Bộ thu MU dựa vào tách sóng giải tương quan:

Từ phương trình (1.50) ngõ ra kênh truyền đối với M người sử dụng ở khoảng thời gian bit k có thể được viết như sau:

1 k

M k

v v

k

Khi đó nhiễu là Gausian, yk được mô tả bởi hàm mật độ xác suất Gaussian M chiều với giá trị trung bình R W dk k k Đó là:

1 ,1 k

S

1

^ ,

k J

S

^ ,1 M k

S

^ , M

k J

S

1 ( ) t ζ

( )

j t ζ

1 ( ) t ζ

( )

j t ζ

0

d

T t

y

~ 1

d

~ M k

d

M k

y

^ M k

d

^ k

~ 1 k

d

~ M k

d

^ M k

d

^ k

d

( )M T k

S−

( )1 Tk

S−

1 k

y

M k

Hình 1.14: Bộ thu MU MC-CDMA đối với toàn bộ khoảng ký hiệu

Từ phương trình (1.58) và (1.59) chúng ta nhận thấy rằng bộ giải tương quan yêu cầu biết về kênh truyền để tạo Rk Nói cách khác, ước lượng của dữ liệu 

k

d có được bằng cách thực hiện chuyển đổi tuyến tính trên vectơ của các ngõ ra tương quan, độ phức tạp tính toán sẽ tuyến tính theo m cho đến khi ma trận tương quan nghịch được tìm thấy

C Các kết quả mô phỏng:

Chúng ta thấy rằng các mã ngẫu nhiên trong tách sóng SU là suy giảm chất lượng hệ thống khi số người sử dụng M tăng lên Nói cách khác tách sóng MU làm giảm MUI và do đó cải thiện toàn bộ chất lượng hệ thống qua kênh truyền AWGN Trong phần này chúng ta sẽ mô phỏng chất lượng của các hệ thống với cả hai mã ngẫu nhiên và mã trực giao qua kênh truyền AWGN sử dụng tách sóng SU và MU

Bảng: Thông số mô phỏng đối với các mã trực giao sử dụng tách sóng SU

Bảng: Thông số mô phỏng đối với các mã ngẫu nhiên sử dụng tách sóng SU

Trước tiên chúng ta mô phỏng hệ thống MC-CDMA với các mã trực giao Hadamard Các phần tử của ma trận Hadamard là +1/ J hoặc -1/ J

để các hàng của ma trận Hadamard trực giao lẫn nhau Do tính chất trực giao

mà MUI bị loại bỏ Hình 1.15 biểu diễn chất lượng của MC-CDMA sử dụng tách sóng SU

Hình 1.16: chất lượng của hệ thống MC-CDMA qua kênh truyền AWGN

sử dụng các mã ngẫu nhiên với M= 1,5,10,32 và J=32

Tiếp theo chúng ta mô phỏng kỹ thuật tách sóng giải tương quan MU

Mô phỏng hệ thống MC-CDMA M = 32, J = 32 qua kênh truyền AWGN sử dụng các mã trực giao Hadamard và các mã ngẫu nhiên

hai mã trực giao và mã ngẫu nhiên

(Các kết quả mô phỏng và lý thuyết trong chương này tham khảo từ tài liệu của ‘Mohammad Shahanshah Akhter, “Signal Processing for MC-CDMA”, Faculty of Information Technology, the University of South Australia, March 1998’ và của ‘Shinsuke Hara and Ramjee Prasad, “Overview of Multicarrier CDMA”, Dec, 1997’)

CHƯƠNG II ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG CÁC HỆ THỐNG

MC-CDMA

I Giới thiệu:

Các hệ thống thông tin di động cần có các dịch vụ không dây khác nhau như thoại, video, dữ liệu…để ngày càng thỏa mãn các nhu cầu của người sử dụng Do đó phải nghĩ ra một phương pháp làm tăng hiệu quả băng thông để cung cấp các dịch vụ thông tin đa phương tiện tốc độ cao trong các

hệ thống CDMA với các nguồn tài nguyên băng thông vô tuyến bị giới hạn Kết hợp kỹ thuật CDMA với điều chế đa sóng mang sẽ dễ dàng thực hiện việc truyền dữ liệu tốc độ cao mà không cần phải tăng độ phức tạp trong bộ phát

và bộ thu Tiêu chuẩn CDMA2000 chọn các hệ thống MC-CDMA cho RTT (Radio Tranmission technology) của IMT-2000/UMTS Sự chồng lấn phổ với một sóng mang IS-95 đang tồn tại thúc đẩy phương pháp đa sóng mang.Khi các hệ thống MC-CDMA là các hệ thống dựa trên nền CDMA thì tất cả các trạm di động chia sẻ băng tần số như nhau trong một cell, một sơ đồ điều khiển công suất cần chống lại hiệu ứng gần-xa và fading để cải thiện dung lượng hệ thống mà vẫn duy trì được QoS đáng tin cậy.QoS của một trạm di động phụ thuộc vào QoS của mỗi sóng mang, vì thế cần phải ấn định một mức công suất khác nhau đến mỗi sóng mang phụ cũng như mỗi trạm di động Nhiều sơ đồ điều khiển công suất được đề xuất để khắc phục hiện tượng gần-xa và fading trong các hệ thống CDMA đơn sóng mang, nhưng chỉ

có một số ít nghiên cứu sơ đồ điều khiển công suất trong các hệ thống CDMA Trong phần nghiên cứu này, công suất phát đi khác nhau được ấn định đến mỗi sóng mang phụ tùy thuộc vào SNR nhận được và lệnh điều

MC-khiển công suất được xác định theo sơ đồ điều MC-khiển công suất bước cố định

Ấn định một mức công suất khác nhau đến mỗi sóng mang phụ khác nhau là một cách hiệu quả để điều khiển công suất phát trong các hệ thống MC-CDMA, nhưng thay đổi từng bước cố định gây ra độ lệch công suất nhận được lớn dưới kênh fading Để chống lại fading tác động độc lập đối với mỗi sóng mang phụ một cách hiệu quả, nhất thiết phải quyết định lênh điều khiển công suất bằng sơ đồ điều khiển công suất dự đoán trước

Trong chương này minh họa việc ấn định mức công suất khác nhau đến mỗi sóng mang phụ với điều khiển công suất dự đoán trước sẽ thực hiện tốt hơn các sơ đồ điều khiển công suất khác Đối với việc ấn định công suất như nhau đến mỗi sóng mang phụ thì ta xét đến sơ đồ điều khiển công suất bước

cố định và điều khiển công suất đa mức Đối với việc ấn định công suất khác nhau đến mỗi sóng mang phụ thì ta xét đến sơ đồ điều khiển công suất bước

cố định dựa vào băng tần và sơ đồ điều khiển công suất đa mức đã được hiệu chỉnh (là sự kết hợp của điều khiển công suất đa mức và sơ đồ ấn định mức công suất khác nhau)

II Điều chế đa sóng mang và các hệ thống CDMA:

Điều chế đa sóng mang thu hút nhiều sự chú ý vì nó có thể hỗ trợ việc truyền dữ liệu tốc độ cao trong các mạng thông tin không dây Trong các hệ thống MC-CDMA luồng bit dữ liệu phát đi được chuyển đối từ nối tiếp sang song song và truyền lên các nhánh song song Mỗi bit trên mỗi nhánh được điều chế trải phổ trực tiếp DS-SS và được phát trên các sóng mang trực giao

và có phổ chồng lấp nhau Cấu trúc của bộ phát và bộ thu như sau: