Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Ứng dụng SIC trong hệ thống Multicode - Multicarrier - CDMA

Trong số các kỹ thuật đa truy nhập thì CDMA đã chứng tỏ được sự thành công của nó trong các hệ thống thoại có kích thước lớn nhờ vào những ưu điểm như độ linh động cao, dễ dàng lập kế h

SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 8

Sự phát triển của các hệ thống từ 1G lên 3G

Trong kỷ nguyên số, nhu cầu giao lưu, trao đổi thông tin vượt ra khỏi biên giới quốc gia, vươn tầm quốc tế Sự phát triển vượt bậc của công nghệ điện tử, tin học và viễn thông đã mang đến vô vàn dịch vụ truyền thông tiên tiến, an toàn và chất lượng, đáp ứng tối đa nhu cầu của khách hàng.

Các hệ thống thông tin di động đã và đang trải qua quá trình phát triển đáng kinh ngạc từ khi hệ thống thông tin tế bào (Cellular Communications System) đầu tiên đƣợc giới thiệu vào những năm 1980s

Các hệ thống ở thế hệ thứ nhất dựa trên công nghệ tương tự với kỹ thuật đa truy cập FDMA Các hệ thống này đƣợc thiết kế cho dịch vụ thoại chuyển mạch mạch băng hẹp Do những giới hạn về tốc độ và dung lƣợng, các hệ thống FDMA không đáp ứng kịp nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng

Các hệ thống ở thế hệ thứ hai đã chuyển sang công nghệ số với hai kỹ thuật đa truy cập là TDMA và CDMA Các hệ thống này có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại và dữ liệu băng hẹp Tuy nhiên, nhƣ vậy vẫn là chƣa đủ khi yêu cầu về tốc độ cũng nhƣ sự đa dạng về dịch vụ ngày càng tăng lên, và các hệ thống thông tin di động đã chuyển sang một giai đoạn mới Các hệ thống hiện nay đang ở thế hệ thứ ba với hai chuẩn là IMT-2000 của ITU và UMTS của ETSI

Hệ thống mới sử dụng công nghệ WCDMA (Truy cập Đa kênh Phân chia Mã Băng thông Rộng) cung cấp đa dạng các dịch vụ bao gồm cả thoại, truyền dữ liệu tốc độ cao và đa phương tiện.

GVHD : PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 9 HVTH : Đinh Quốc Trụ

Hình 2.1 Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động từ 1G lên 3G

Hình 2.2 Những yêu cầu về tốc độ và độ di động đối với các hệ thống thông tin di động trong hiện tại và tương lai

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tƣ

Công nghệ mạng không dây thế hệ thứ tư (4G) tận dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao, cho phép tốc độ truyền dữ liệu lên tới 1 Gbps trong điều kiện lý tưởng Hệ thống 4G đặt ra những yêu cầu cụ thể như:

− Kiến trúc chung, cho phép kết hợp với các kỹ thuật hiện có

− Hiệu suất phổ tần cao

− Độ bao phủ tốt hơn so với các hệ thống 3G

− Độ thích nghi cao, hỗ trợ nhiều chuẩn và các kỹ thuật khác nhau

− Giá thành thấp, có thể triển khai ra thị trường nhanh chóng

− Khả năng mở rộng hệ thống, nền tảng cho sự phát triển của các kỹ thuật mới

Các kỹ thuật đa truy nhập

Trong FDMA chia băng thông tổng cộng thành N c kênh con băng hẹp (Hình 2.3) Mỗi người dùng sẽ sử dụng các kênh con khác nhau để truyền thông tin trong toàn bộ khoảng thời gian

Hình 2.3 Nguyên lý của FDMA (với Nc = 5 kênh con)

2.3.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Trong một hệ thống TDMA, tất cả người dùng đều sử dụng chung một băng tần, tuy nhiên họ được phân biệt bởi các khe thời gian khác nhau (Hình 2.4) Một người dùng có thể sử dụng một hoặc nhiều khe thời gian để truyền thông tin

Hình 2.4 Nguyên lý của TDMA (với 5 khe thời gian)

2.3.3 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

Trong các hệ thống CDMA tất cả người dùng có thể truyền thông tin cùng lúc trên cùng một sóng mang tuy nhiên sử dụng băng thông rộng hơn so với một hệ thống TDMA (Hình 2.5) Tín hiệu của những người dùng được phân biệt nhờ vào việc gán các mã trải rộng (spreading codes khác nhau Các mã trải rộng này có đặc tính tương quan chéo thấp Những ưu điểm của kỹ thuật trải phổ đó là: khả năng chống lại méo dạng đa đường, kế hoạch sử dụng tần số đơn giản, độ linh hoạt cao, tốc độ truyền thông có thể thay đổi đƣợc và khả năng chống lại xuyên nhiễu (interference)

Hình 2.5 Nguyên lý của CDMA (với 5 mã trải rộng)

Tổng kết chương 2: Ở chương này, tác giả sẽ giới thiệu quá trình phát triển của các hệ thống thông tin di động, từ thế hệ đầu tiên (1G) đến thế hệ thứ ba (3G) và những đặc điểm của hệ thống trong tương lai Phần trình bày sẽ không đi sâu vào các đặc tính kỹ thuật mà chỉ nêu bật những nét tiêu biểu của các hệ thống ở mỗi thế hệ

HỆ THỐNG CDMA

Giới thiệu kỹ thuật trải phổ

Kỹ thuật trải phổ ra đời từ nhu cầu bảo mật thông tin trong quân sự So với thông tin băng hẹp cổ điển, kỹ thuật trải phổ thể hiện tính ƣu việt trong các vấn đề như chống nhiễu và trộm thông tin Ở máy phát, dữ liệu của người sử dụng được nhân với một chuỗi mã giả ngẫu nhiên Ở máy thu, tín hiệu sẽ đƣợc nhân với chuỗi mã giả ngẫu nhiên giống nhƣ ở máy phát để khôi phục lại dữ liệu ban đầu

Một hệ thống thông tin trải phổ có hai đặc điểm:

- Băng thông của tín hiệu truyền lớn hơn nhiều lần so với băng thông của tín hiệu thông tin

- Trải phổ đƣợc thực hiện bằng một mã độc lập với thông tin

Chuỗi mã trải phổ Chuỗi mã trải phổ

Hình 3.1 Nguyên lý tạo tín hiệu trải phổ

Các kỹ thuật trải phổ được chia thành ba nhóm chính:

- Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS): Tín hiệu thông tin đƣợc nhân trực tiếp với chuỗi trải phổ Ở máy thu , tín hiệu thu đƣợc nhân với chuỗi trải phổ lần nữa để khôi phục lại tín hiê ̣u thông tin ban đầu

- Trải phổ nhảy tần (FH-SS): Tần số sóng mang thay đổi sau m ỗi khoảng thời gian T hop Trong khoảng thời gian T hop , tần số sóng mang không đổi nhƣng sau đó sẽ chuyển sang mô ̣t tần số khác Hê ̣ thống được go ̣i là nhảy tần châ ̣m hay nhanh phụ thuộc vào việc T hop lớ n hơn hay nhỏ hơn chu kỳ bit T b

- Trải phổ nhảy thời gian (TH-SS): Trục thời gian đƣợc chia thành các khung Mỗi khung lại đươ ̣c chia thành các khe thời gian Mô ̣t kênh tín hiê ̣u sẽ sử

GVHD : PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 14 HVTH : Đinh Quốc Trụ dụng một trong các khe thời gian của khung và sẽ thay đổi thứ tự khe qua từng khung.

Hệ thống DS-CDMA

CDMA là công nghệ đa truy cập dựa trên kỹ thuật trải phổ, cho phép nhiều người sử dụng truyền dữ liệu đồng thời trên một băng tần Trong hệ thống CDMA, mỗi user đƣợc cấp phát một chuỗi mã trải phổ dùng để mã hóa tín hiệu thông tin

Tại máy thu, tín hiệu thu sẽ đƣợc giải mã để khôi phục tín hiệu gốc và máy thu phải biết đƣợc chuỗi mã trải phổ để giải mã tín hiệu Chuỗi mã trải phổ của các user trực giao với nhau, nhờ đó các user không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện sử dụng chung dải tần số tại cùng thời điểm

Hệ thống DS-CDMA dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp, trong đó tín hiệu trải phổ đƣợc tạo ra bằng cách nhân tín hiệu thông tin với chuỗi mã trải phổ Ưu điểm của hê ̣ thống CDMA:

- Khả năng đa truy cập - Chống nhiễu đa đường

- Bảo mật: tín hiệu trải phổ sử dụng băng thông rộng nên có công suất rất thấp trên một đơn vị băng thông, và việc khôi phục chỉ đƣợc thực hiện khi biết đƣợc mã trải phổ Điều này gây khó khăn cho việc phát hiện tín hiệu trải phổ

- Khử nhiễu băng hẹp: Ở máy thu, tín hiệu sẽ đƣợc nhân với chuỗi mã trải phổ để khôi phục dữ liệu ban đầu Khi đó, nhiễu băng hẹp sẽ bị trải phổ sau khi nhân với chuỗi mã giả ngẫu nhiên Do đó, công suất của nhiễu trong băng thông tín hiệu mong muốn giảm đi một lƣợng bằng độ lợi xử lý

Hình 3.2 Các kỹ thuật CDMA

Sơ đồ máy thu Rake

Hình 3.3 Máy thu Rake với 3 nhánh

Nguyên lý hoạt động của máy thu Rake: tín hiệu tin tức sau khi trải phổ và điều chế được truyền qua kênh truyền vô tuyến Do bị tác động bởi hiện tượng fading đa đường, tín hiệu đến tại máy thu gồm n đường với độ suy hao khác nhau Tín hiệu tổng hợp sẽ được giải điều chế và đưa vào máy thu Rake Máy thu Rake gồm có nhiều nhánh (gọi là finger), mỗi nhánh dành cho một thành phần đa đường Ở mỗi nhánh, tín hiệu được giải trải phổ và đồng bộ thời gian với một trong những đường truyền đa đường Sau đó, các tín hiệu này được nhân với các trọng số tương ứng và kết hợp lại để cho ra tín hiệu gốc ban đầu.

3.4 Các chuỗi trải phổ thông dụng:

Trong hệ thống CDMA ,các chuỗi trải phổ giữ một vị trí quan trọng Viê ̣c lƣ̣a chọn chuỗi mã trải phổ sẽ quyết định chất lƣợng hệ thống Các tiêu chí để lựa chọn một tập mã được dựa trên các hàm tự tương quan và các hàm tương quan chéo của

GVHD : PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 16 HVTH : Đinh Quốc Trụ những mã này Tính tự tương quan tốt thì rất hữu ích trong các hệ thống thông tin di động cho việc phân chia các đường truyền dẫn khác nhau và như vậy tránh được xuyên nhiễu liên ký tự

Với các hệ thống CDMA, các tín hiệu mã khác nhau đƣợc sử dụng để phân biệt các kết nối khác nhau Sự xuyên nhiễu lẫn nhau giữa các kết nối thì tỉ lệ với tích vô hướng của các mã, vì vậy các ứng dụng này đòi hỏi tính trực giao giữa các mã

Tuy nhiên chỉ riêng một mình tính trực giao thôi thì không đủ trong những trường hợp các tín hiệu mã không được truyền đồng bộ hay ở những nơi có sự giãn thời gian trễ cao do truyền dẫn đa đường Trong trường hợp đó, hàm tương quan chéo giữa các mã phải có giá trị nhỏ

3.4.1 Chuỗi mã giả nhiễu (Pseudo-Noise Sequence)

Chuỗi PN là chuỗi tín hiệu nhị phân trong đó các giá trị 0 hay 1 xuất hiện một cách có vẻ nhƣ ngẫu nhiên theo thời gian, không tuân theo một qui luật lặp đi lặp lại

Tuy nhiên, trong thực tế, một chuỗi ngẫu nhiên hoàn toàn không bao giờ thực hiện đƣợc, mà PN cũng là một chuỗi tín hiệu nhị phân tuần hoàn nhƣng có chu kỳ lặp lại rất lớn nên nếu không được cho biết trước quy luật của nó, người quan sát sẽ rất khó nhận biết đƣợc quy luật, do đó đƣợc gọi là chuỗi giả ngẫu nhiên

+ Chuỗi m (chuỗi có chiều dài cực đại)

Loại cơ bản nhất của các chuỗi ngẫu nhiên là các chuỗi thanh ghi dịch cơ số 2 có chiều dài cực đại đƣợc gọi là các chuỗi m Chuỗi m có chu kỳ là 2 n -1, là chuỗi cơ bản để tạo ra các chuỗi PN khác nhƣ Gold, Kasami,

Từ sơ đồ tạo chuỗi PN , có bảng các hàm hối tiếp cho phép chu kỳ chuỗi có chiều dài cực đại

Các chuỗi cơ số hai được tạo ra bằng thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính và mạch cổng loại trừ (XOR) Một thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính có thể được xác định bởi đa thức tạo mã tuyến tính g(x) bậc n>0, còn được gọi là đa thức sinh.

GVHD : PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 17 HVTH : Đinh Quốc Trụ c i g 1 g 2 g 3 g n-1 x 0 x 1 x 2 x 3  x n-1 x n

Hình 3.4: Mạch thanh ghi dịchtạo chuỗi m g(x) = g n x n + g n-1 x n-1 + …+g 1 x +g 0 (3.1) Đối với các chuỗi cơ số hai (có giá trị {0,1}), g i bằng 0 hay 1 và g n =g 0 bằng 1

Với “x k ” thể hiện đơn vị trễ

Lưu ý rằng các cổng hoặc loại trừ (XOR) thực hiện phép cộng mod 2 Nếu g i

=1 khoá tương ứng của mạch đóng, ngược lại nếu g i 1, khoá này hở Để thực hiện điều chế BPSK tiếp theo, đầu ra của mạch thanh ghi dịch phải đƣợc biến đổi vào 1 nếu là 0 và vào -1 nếu là 1 Thanh ghi dịch là một mạch cơ số hai trạng thái hữu hạn m phần tử nhớ Vì thế số trạng thái khác 0 cực đại là 2 n -1 và bằng số chu kỳ cực đại của chuỗi ra c = ( c 0, c 1, c 2 ,…) Xét hình vẽ 3.4, giả sử s i (j) biểu thị giá trị của phần tử j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i Trạng thái của thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i là vectơ độ dài hữu hạn si={s i (1), s i (2), …si(n)} Đầu ra ở xung đồng hồ là c i-n = s i (n) Thay toán tử trễ x j = c i-j vào phương trình (3.1) được điều kiện hồi quy của chuỗi ra

Phương trình hồi quy xác định các kết nối hồi tiếp trong mạch thanh ghi dịch cơ số hai ở hình : c i = g 1 c i-1 +g 2 c i-2 + +g n-1 c i-n+1 +c i-n (mod 2) (3.2) với i  0

Thí dụ : Xét đa thức tạo mã g(x) = x 5 +x 4 +x 3 +x+1

Ta đƣợc hồi quy c i = c i-1 +c i-3 +c i-4 +c i-5 (mod 2) và n=5

Nếu các bit đƣợc nạp ban đầu vào thanh ghi dịch : s 0 111 thì chuỗi ra của thanh ghi dịch là chuỗi có chu kỳ cực đại bằng N=2 5 -11 c i-n s i (1) s i (2) s i (3) s i (n) 0 +1

Chuỗi m đó là c = 111110100010010101100001110011011 lặp lại

Các chuỗi trải phổ thông dụng

những mã này Tính tự tương quan tốt thì rất hữu ích trong các hệ thống thông tin di động cho việc phân chia các đường truyền dẫn khác nhau và như vậy tránh được xuyên nhiễu liên ký tự

Với các hệ thống CDMA, các tín hiệu mã khác nhau đƣợc sử dụng để phân biệt các kết nối khác nhau Sự xuyên nhiễu lẫn nhau giữa các kết nối thì tỉ lệ với tích vô hướng của các mã, vì vậy các ứng dụng này đòi hỏi tính trực giao giữa các mã

Tuy nhiên chỉ riêng một mình tính trực giao thôi thì không đủ trong những trường hợp các tín hiệu mã không được truyền đồng bộ hay ở những nơi có sự giãn thời gian trễ cao do truyền dẫn đa đường Trong trường hợp đó, hàm tương quan chéo giữa các mã phải có giá trị nhỏ

3.4.1 Chuỗi mã giả nhiễu (Pseudo-Noise Sequence)

Chuỗi PN là chuỗi tín hiệu nhị phân trong đó các giá trị 0 hay 1 xuất hiện một cách có vẻ nhƣ ngẫu nhiên theo thời gian, không tuân theo một qui luật lặp đi lặp lại

Tuy nhiên, trong thực tế, một chuỗi ngẫu nhiên hoàn toàn không bao giờ thực hiện đƣợc, mà PN cũng là một chuỗi tín hiệu nhị phân tuần hoàn nhƣng có chu kỳ lặp lại rất lớn nên nếu không được cho biết trước quy luật của nó, người quan sát sẽ rất khó nhận biết đƣợc quy luật, do đó đƣợc gọi là chuỗi giả ngẫu nhiên

+ Chuỗi m (chuỗi có chiều dài cực đại)

Loại cơ bản nhất của các chuỗi ngẫu nhiên là các chuỗi thanh ghi dịch cơ số 2 có chiều dài cực đại đƣợc gọi là các chuỗi m Chuỗi m có chu kỳ là 2 n -1, là chuỗi cơ bản để tạo ra các chuỗi PN khác nhƣ Gold, Kasami,

Từ sơ đồ tạo chuỗi PN , có bảng các hàm hối tiếp cho phép chu kỳ chuỗi có chiều dài cực đại

Nhƣ vậy các chuỗi cơ số hai m đƣợc tạo ra bằng cách sử dụng thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính và các mạch cổng hoặc loại trừ (XOR) Một chuỗi thanh ghi dịch tuyến tính còn có thể đƣợc xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính g(x) có bậc n>0 hay còn gọi là đa thức sinh :

GVHD : PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 17 HVTH : Đinh Quốc Trụ c i g 1 g 2 g 3 g n-1 x 0 x 1 x 2 x 3  x n-1 x n

Hình 3.4: Mạch thanh ghi dịchtạo chuỗi m g(x) = g n x n + g n-1 x n-1 + …+g 1 x +g 0 (3.1) Đối với các chuỗi cơ số hai (có giá trị {0,1}), g i bằng 0 hay 1 và g n =g 0 bằng 1

Với “x k ” thể hiện đơn vị trễ

Lưu ý rằng các cổng hoặc loại trừ (XOR) thực hiện phép cộng mod 2 Nếu g i

=1 khoá tương ứng của mạch đóng, ngược lại nếu g i 1, khoá này hở Để thực hiện điều chế BPSK tiếp theo, đầu ra của mạch thanh ghi dịch phải đƣợc biến đổi vào 1 nếu là 0 và vào -1 nếu là 1 Thanh ghi dịch là một mạch cơ số hai trạng thái hữu hạn m phần tử nhớ Vì thế số trạng thái khác 0 cực đại là 2 n -1 và bằng số chu kỳ cực đại của chuỗi ra c = ( c 0, c 1, c 2 ,…) Xét hình vẽ 3.4, giả sử s i (j) biểu thị giá trị của phần tử j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i Trạng thái của thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i là vectơ độ dài hữu hạn si={s i (1), s i (2), …si(n)} Đầu ra ở xung đồng hồ là c i-n = s i (n) Thay toán tử trễ x j = c i-j vào phương trình (3.1) được điều kiện hồi quy của chuỗi ra

Phương trình hồi quy xác định các kết nối hồi tiếp trong mạch thanh ghi dịch cơ số hai ở hình : c i = g 1 c i-1 +g 2 c i-2 + +g n-1 c i-n+1 +c i-n (mod 2) (3.2) với i  0

Thí dụ : Xét đa thức tạo mã g(x) = x 5 +x 4 +x 3 +x+1

Ta đƣợc hồi quy c i = c i-1 +c i-3 +c i-4 +c i-5 (mod 2) và n=5

Nếu các bit đƣợc nạp ban đầu vào thanh ghi dịch : s 0 111 thì chuỗi ra của thanh ghi dịch là chuỗi có chu kỳ cực đại bằng N=2 5 -11 c i-n s i (1) s i (2) s i (3) s i (n) 0 +1

Chuỗi m đó là c = 111110100010010101100001110011011 lặp lại

Chuỗi chiều dài cực đại có tính tự tương quan tốt tuy nhiên hàm tương quan chéo giữa hai chuỗi chiều dài cực đại thường có giá trị đỉnh lớn Đây là điều không mong muốn trong các hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã Một họ chuỗi khác có đặc tính tương quan chéo tốt hơn họ chuỗi chiều dài cực đại được đề xuất bởi

Chuỗi Gold đƣợc tạo bởi cặp chuỗi chiều dài cực đại thích hợp có cùng chu kỳ Hai chuỗi chiều dài cực đại có cùng chu kỳ { a k } và { b k } đƣợc gọi là thích hợp khi hàm tương quan chéo giữa chúng là hàm tuần hoàn có ba giá trị { -1, -t(m) , t(m)-2} vớ i

Tập chuỗi Gold đƣợc tạo bởi { a k } và { b k } có L + 2 chuỗi bao gồm { a k }, { b k } và L chuỗi đƣợc tạo bởi tổng modulo-2 giữa { a k } với L chuỗi dịch vòng của { b k }.Hàm tương quan chéo giữa hai chuỗi bất kỳ trong một tập chuỗi Gold cũng là hàm tuần hoàn có ba giá trị { -1, -t(m) , t(m)-2}

Từ chuỗi chiều dài cực đại { a k } chu kỳ L = 2 m −1 (với m chẵn) hình thành chuỗi

{ d k } bằng cách giảm mẫu chuỗi { a k } bởi 2 m / 2 +1, hay nói cách khác cứ 2 m / 2 +1 bit của chuỗi { a k } lấy ra một bit cho chuỗi { d k } Chuỗi { d k } sẽ có chu kỳ là 2 m / 2 − 1

Lấy L các bit liên tiếp của chuỗi { a k } và { d k } để hình thành nên một tập chuỗi mới bằng cách cộng modulo-2 các bit của { a k } với các bit của { d k } hoặc các bit của 2 m /2

− 2 chuỗi dịch vòng từ { d k } Nếu tính luôn chuỗi { a k } vào tập, tập chuỗi mới có

2 m/2 chuỗi nhị phân Tập chuỗi mới này đƣợc gọi là tập nhỏ các chuỗi Kasami Hình 3.5 minh họa cho sự tạo một tập nhỏ các chuỗi Kasami chiều dài 63

Hình 3.5 Sự tạo một tập nhỏ các chuỗi Kasami chiều dài 63

Hàm tương quan chéo giữa hai chuỗi trong tập nhỏ chuỗi Kasami có các giá trị thuộc tập { −1, − (2 m / 2 +1), 2 m / 2 −1} Tập nhỏ các chuỗi Kasami có đặc tính tương quan chéo tốt hơn tập chuỗi Gold Tuy nhiên một hạn chế đối với tập nhỏ các chuỗi Kasami là số lƣợng chuỗi (mã) trong tập là nhỏ, không thích hợp trong các hệ thống thông tin cho phép nhiều người dùng tích cực tại một thời điểm

Ma trận Hadamard đƣợc định nghĩa nhƣ sau:

Trong đó kích thước của ma trận là N = 2 i , với i là số tự nhiên Mỗi vector hàng của ma trâ ̣n là mô ̣t chuỗi trải rô ̣ng ( spreading sequence ) ci=[ c i,1 c i,2 … c i,N ] , 1≤ i ≤ N

Tập các hàng của ma trận H dạng trực giao, dẫn đến các chuỗi trực giao có tương quan chéo bằng không khi mã được đồng bộ Tuy nhiên, khi mã không đồng bộ, giá trị tương quan chéo phụ thuộc vào cặp mã được sử dụng, một số cặp có tương quan chéo bằng không trong khi những cặp khác lại có giá trị tương quan chéo lớn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hê ̣ thống DS-CDMA

Trong hệ thống DS-CDMA, mỗi user là một nguồn giao thoa đối với các user khác Càng có nhiều người truy cập cùng lúc thì giao thoa đối với user mong muốn càng tăng Đối với những user ở gần trạm gốc, công suất của những user này tại máy thu trạm gốc sẽ lớn hơn những user khác có cùng công suất phát nhƣng ở những vị trí xa hơn, do đó sẽ gây giao thoa lớn hơn cho những user ở xa Hiện tƣợng này gọi là hiện tƣợng gần – xa Hiện tƣợng gần – xa làm chất lƣợng tín hiệu của những user ở xa bị suy giảm Do đó cần phải điều khiển công suất phát của mỗi user sao cho công suất của các user tại máy thu trạm gốc là tương đương nhau

Hệ thống DS-CDMA bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa truy cập (MAI) do nhiều user phát đồng thời trên cùng một băng tần Nguyên nhân là do sự không hoàn toàn trực giao của các chuỗi mã trải phổ Tương quan chéo giữa các chuỗi mã càng cao thì MAI càng cao, chất lƣợng tín hiệu thu càng bị suy giảm

Hình 3.6 Mật độ phổ công suất của user 1 trước và sau khi giải trải phổ

Hình 3.6 mô tả mật độ phổ công suất của tín hiệu băng gốc trước và sau khi giải trải phổ cho user 1 Sau khi nén phổ, công suất của user 1 đƣợc nâng lên trở lại trong khoảng tần số tín hiệu thông tin [-R b , R b ], trong khi đó các tín hiệu khác vẫn có mật độ phổ công suất thấp Những thành phần nhiễu tạo bởi các user không mong muốn nằm trong băng thông [-R b , R b ] sẽ gây ra nhiễu cho tín hiệu mong

GVHD : PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 21 HVTH : Đinh Quốc Trụ muốn Khi số user tăng lên thì tổng công suất nhiễu trong băng thông [-R b , R b ] cũng tăng dần lên và có thể tăng bằng với công suất của tín hiệu mong muốn Do đó, trong hệ thống DS-CDMA, dung lƣợng hệ thống bị giới hạn nhằm duy trì chất lƣợng tín hiệu thu của user mong muốn không bị suy giảm quá mức

Theo tài liệu [13], ta có biểu thức sau:

Trong đó E b /N 0 là tỷ số năng lƣợng tín hiệu trên nhiễu, M là số user, W/R là tỷ số giữa băng thông tín hiệu truyền trên tốc độ chuỗi bit ban đầu Từ công thức (3.7), ta rút ra các nhận xét sau:

- Số user tích cực đồng thời trong hệ thống DS-CDMA phải nhỏ hơn một giá trị nhất định

- Tỷ số W/R càng lớn thì chất lƣợng hệ thống càng tốt và khả năng tăng dung lƣợng hệ thống càng cao

3.5.3 Mô hình hóa ảnh hưởng MAI đối với tín hiê ̣u thu đươ ̣c

Ta sẽ bắt đầu bằng việc mô tả toán học một kênh truyền DS-CDMA đồng bộ

Trong một kênh truyền đồng bộ tất cả các bit của những người dùng được đồng bộ về mặt thời gian Để đơn giản, ta giả định tất cả các pha sóng mang đều bằng zero, tín hiệu đến bộ thu c hỉ qua một đường và sự điều chế dữ liệu là BPSK Tín hiệu dải nền thu được có thể được biểu diễn dưới dạng:

(3.8) trong đó K , A k (t) , g k (t) , d k (t) tương ứng là số người dùng tích cực, biên độ, dạng sóng mã và sự điều chế của người dùng thứ k , n(t) là nhiễu trắng Gaussian có mật độ phổ hai bên là N 0 /2 W/Hz Công suất của tín hiệu thứ k thì bằng bình phương

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang, HVTH: Đinh Quốc Trụ Biên độ của tín hiệu DSSS được điều chế bằng các xung chữ nhật dài Tc (gọi là các khoảng chip), chúng lấy các giá trị giả ngẫu nhiên ± 1, tương ứng chuỗi mã nào đó Tốc độ bit là fb = 1/Tb.

Hình 3.7 Bô ̣ dò tìm tách sóng dữ liê ̣u thông thường cho DS-CDMA

Trong kỹ thuật dò tìm tách sóng dữ liệu truyền thống, quá trình giải điều chế được thực hiện thông qua việc tái tạo dạng sóng của mỗi mã và lọc tương quan với tín hiệu thu được ở mỗi nhánh dò riêng biệt trong dãy anten.

Sự dò tìm tương quan thì tương đương với sự lọc tương hợp, vì vậy kỹ thuật dò tìm thông thường còn được gọi là kỹ thuật dò tìm lọc tương hợp Ngỏ ra của các bộ tương quan (hay bộ lọc tương hợp) được lấy mẫu với thời gian bit, tạo ra các giá trị ƣớc lƣợng “mềm” của dữ liệu truyền Sự quyết định dữ liệu “cứng” ±1 đƣợc thực hiện bằng cách lấy dấu giá trị ƣớc lƣợng mềm

Từ Hình 3.7 ta có thể thấy rằng bộ dò tìm thông thường chỉ thực hiện sự dò tìm đơn user, mỗi nhánh chỉ dò tìm tách sóng cho một user mà không quan tâm đến sự tồn tại của những user khác Vì vậy, không có sự chia sẻ thông tin đa người dùng hoặc xử lý thông tin chung

Sự thành công của kỹ thuật dò tìm tách sóng này phụ thuộc vào đặc tính tương quan giữa các mã Giá trị tương quan được định nghĩa là

(3.9) Ở đây, nếu i= k thì ρ i,k =1 và nếu i ≠ k thì 0 ≤ ρ i,k < 1 Ngỏ ra bộ tương quan của user thứ k cho một khoảng bit cụ thể là

= A k d k + MAI k + z k (3.10) Đại lƣợng MAI sẽ phụ thuộc vào các yếu tố sau :

- Dạng mã xác định trải phổ: MAI của user thứ k phụ thuộc vào tương quan chéo của dạng mã trải phổ của nó và các user khác Chính vì thế những dạng mã xác định nào được thiết kế để có tương quan chéo thấp, để ảnh hưởng đối với user thứ k bởi các user khác đƣợc hạn chế

- Số lƣợng user trong hệ thống: Khi mà số lƣợng của các user giao thoa tăng, đại lƣợng MAI tăng theo

Công nghệ điều khiển công suất đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thu, giúp cân bằng sự chênh lệch tín hiệu giữa các người dùng Trong quá trình thu tín hiệu, những người dùng yếu thế có thể bị ảnh hưởng tiêu cực bởi những người dùng mạnh, dẫn đến hiện tượng lấn áp tín hiệu và ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn Do đó, cần có các biện pháp điều khiển công suất để đảm bảo sự công bằng và ổn định trong hệ thống thu.

Vị trí địa lý của bộ phát so với bộ thu ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu Các bộ phát gần bộ thu hơn sẽ có suy hao biên độ ít hơn so với các bộ phát xa hơn.

3.5.4 Các phương pháp triệt MAI :

Những nổ lực nghiên cứu để hạn chế ảnh hưởng của MAI trong bộ tách sóng kinh điển sẽ được giới thiệu dưới đây:

- Thiết kế dạng sóng trải phổ - Anten thích nghi

Bộ tách sóng đa truy cập được sử dụng để giảm nhiễu MAI bằng cách xử lý tín hiệu từ bộ tách sóng thông thường Bộ tách sóng tuyến tính và phi tuyến là các loại bộ tách sóng phổ biến được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất và giảm nhiễu Các bộ tách sóng tối ưu và cận tối ưu này được thiết kế để loại bỏ một phần hoặc hoàn toàn nhiễu MAI, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và tối đa hóa hiệu suất hệ thống truyền thông đa truy cập.

HỆ THỐNG OFDM & MULTICARRIER CDMA

Nguyên ly ́ chung đa truy nhâ ̣p phân chia theo tần số trƣ̣c giao

Ghép kênh theo tần số trực giao [11]( OFDM :Orthogonal Frequency

Division Multiplexing ) là một phương pháp điều chế cho phép giảm méo tuyến tính do kênh truyền dẫn vô tuyến phân tán gây ra

Nguyên lý của OFDM là phân chia tổng băng thông cần truyền vào mô ̣t số sóng mang con để có thể truyền đồng thời các sóng mang này Bằng cách này luồng số có tốc đô ̣ cao có thể được chia thành nhiều luồng tốc đô ̣ thấp hơn Vì thế có thể giảm ảnh hưởng của trễ đa đường và chuyển đổi kênh pha đinh chọn lọc thành kênh pha đinh phẳng Nhƣ vâ ̣y OFDM là mô ̣t giải pháp cho tính ch ọn lọc của các kênh pha đinh Việc chia tổng băng thông thành nhiều băng con với các sóng mang con dẫn đến giảm độ rộng băng con trong miền tần số và vì thế tăng độ dài ký hiệu Số sóng mang con càng lớn thì độ dài ký hiệu càng lớn Điều này có nghĩa là độ dài ký hiệu lớn hơn so với thời gian trải rộng trễ của kênh pha đinh phân tán theo thời gian, hay độ rộng băng tần tín hiệu nhỏ hơn độ rộng băng tần nhất quán của kênh Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access) đƣợc xây dựng trên cơ sở nguyên lý ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplex) Trong OFDMA mỗi người sử dụng được cấp phát một số sóng mang con (kênh tần số) trong tổng số sóng mang con khả dụng của hệ thống Về mặt này ta thấy OFDMA giống nhƣ FDMA, tuy nhiên nhờ sử dụng các sóng mang con trực giao với nhau nên mật độ phổ công suất của các kênh sóng mang con này có thể chồng lấn lên nhau mà không gây nhiễu cho nhau Chính vì lý do này ta không cần có các đoạn băng bảo vệ giữa các kênh (hay nói chính xác hơn chỉ cần các đoạn băng bảo vệ khá hẹp) và nhờ đó tăng đƣợc dung lƣợng hệ thống OFDMA so với FDMA (hình 4.1)

Hình 4.1 So sánh OFDMA và FDMA: (a) Kỹ thuật FDMA thông thường,

(b) Kỹ thuật OFDMA Ở dạng tổng quát ta có thể trình bày tín hiệu OFDM băng tần gốc trong dạng một tập N sóng mang con đƣợc điều chế và đƣợc truyền song song nhƣ sau:

(4.2 ) Thỏa mãn điều kiện trực giao sau :

T đƣợc gọi là thời gian của một ký hiệu OFDM

X i,k là ký hiệu điều chế thông thường được truyền trên sóng mang con trong khoảng thời gian ký hiệu OFDM thứ k;

N là số sóng mang con (đƣợc chọn bằng lũy thừa của 2) f i là tần số sóng mang con

Hình 4.2 cho thấy thí dụ về sử dụng bốn các sóng mang con cho một ký hiệu

Từ hình 4.2 ta thấy trong miền thời gian, để đảm bảo điều kiện trực giao, các sóng mang con có số chu kỳ trong một ký hiệu OFDM (T) là một số nguyên Trong miền tần số mỗi sóng mang con của một ký hiệu OFDM có mật độ phổ công suất dạng sinx/x với x= π (f - f i )T = π f − i

T T Giá trị cực đại các búp chính của mật độ phổ công suất của một sóng mang xảy ra tại các tần số f=i/T Tại đây mật độ phổ công suất của các sóng mang khác đều bằng không

Nhờ tính trực giao (4.3), tại phía thu ta có thể giải điều chế đề tìm lại ký hiệu X i,k theo quan hệ sau:

Nếu ta ký hiệu F k (t) là ký hiệu OFDM trong thời điểm truyền ký hiệu thứ k, thì ta có thể viết lại công thức (4.1) nhƣ sau:

Để tạo ra các tín hiệu OFDM, xử lý số là điều cần thiết do khó khăn trong việc chế tạo các bộ tạo sóng khóa pha và máy thu tương tự đáp ứng nhu cầu Trong xử lý số, tín hiệu OFDM gốc theo (4.1) và (4.6) được lấy mẫu với tần số lấy mẫu lớn hơn tần số 1/T ít nhất N lần.

Khi này ta có thể biểu diễn ký hiệu OFDM thứ k, F k (t), nhƣ sau:

=IDFT(X i,k ) (4.7) trong đó IDFT (inverse discrete fourrier transform) là biến đổi fourrier rời rạc ngƣợc Biến đổi Fourrier nhanh đảo (IFFT: inverse fast fourrier transform) thực hiện chức năng giống như IDFT nhưng hiệu suất hơn về mặt tính toán nên thường đƣợc sử dụng trong các sơ đồ thực tiễn Thời gian của ký hiệu OFDM sau IFFT đƣợc ký hiệu là T FFT

Sơ đồ hê ̣ thống OFDM

4.2.1 Xử lý tín hiệu số

Tại phía phát trước hết luồng bit được chia thành các khối với Nlog 2 M bit, trong đó M là mức điều chế Khối các bit này sau đó đƣợc biến đổi thành N ký hiệu điều chế thông thường (mỗi ký hiệu các ký hiệu tương ứng với log 2 M bit, chẳng hạn của ký hiệu điều chế 16 QAM tương ứng với 4 bit) song song tương ứng với N vectơ xác định vị trí của điểm ký hiệu điều chế thông trường trên chùm tín hiệu điều chế thông thường (hình 4.4 cho 16-QAM) Các vectơ này thể hiện N tần phổ và được ký hiệu bằng {X i,k } trong đó i∈{ -N/2, 0, 1, …., N-1} là chỉ số vectơ và k là chỉ số về thứ tự theo thời gian của tập N ký hiệu song song Sau đó các thể hiện tần phổ này đƣợc bộ biến đổi Fourrier nhanh rời rạc đảo (IFFT: inverse fast fourrier transform) biến đổi vào miền thời gian Chùm N ký hiệu này đƣợc đƣa lên bộ IFFT Đầu ra IFFT cho ta tập N sóng mang con trực giao mang N ký hiệu trong băng gốc (ở miền thời gian) Tập sóng mang con trực giao này tạo nên một ký hiệu OFDM hiệu dụng

Thông thường N nhận giá trị bằng 2 lũy thừa của một số nguyên để có thể áp dụng IFFT hiệu quả cao Thời gian của một ký hiệu hiệu dụng đƣợc ký hiệu là T FFT

Hình 4.3 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM

Hình 4.4 Chùm tín hiệu 16-QAM

Hình 4.5 Nguyên lý tầng IFFT Nguyên lý hoạt động của tầng IFFT

Trong miền tần số, trước khi đưa lên IFFT, mỗi mẫu rời rạc của IFFT tương ứng với một sóng mang con Hầu hết các sóng mang con đƣợc điều chế bởi số liệu lưu lượng Các sóng mang con bên ngoài không bị điều chế và biên độ được đặt bằng không Các sóng mang con không điều chế này đƣợc dùng để tạo ra băng tần bảo vệ trước tần số Nyquist và để đảm bảo độ dốc của bộ lọc tương tự

Sau IFFT, tín hiệu OFDM băng gốc đƣợc đƣa lên bộ chèn khoảng bảo vệ và tạo cửa sổ Tại đây tín hiệu OFDM đƣợc chèn đoạn tiền tố chu trình đóng vai trò khoảng bảo vệ và chèn đoạn mở cổng tiền và hậu tố để tạo dạng phổ (xem hình 4.6 )

Thời gian của đoạn bảo vệ đƣợc ký hiệu là T GD đƣợc chọn lớn hơn thời gian trễ trội cực đại của kênh phađinh Vì thế phần hiệu dụng của tín hiệu thu (đoạn T FFT ) có thể đƣợc coi là tích chập của ký hiệu OFDM với đáp ứng xung kim của kênh Đoạn bảo vệ đƣợc đƣa vào để duy trì tính trực giao của các sóng mang con và tính độc lập của các ký hiệu OFDM nối tiếp nhau khi tín hiệu OFDM đƣợc truyền trên kênh vô tuyến phađinh nhiều đường Việc duy trì tính trực giao của các sóng mang con cho phép tránh đƣợc ICI (inter-carrier interference: nhiễu giữa các sóng mang)

GVHD : PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 32 HVTH : Đinh Quốc Trụ và việc duy trì tính độc lập giữa các ký hiệu cho phép tránh đƣợc ISI (inter-symbol interference: nhiễu giữa các ký hiệu) Khoảng bảo vệ là một tiền tố có chu trình, nó được copy từ phần cuối cùng của ký hiệu OFDM được truyền trước đó (xem hình 4.7)

Hình 4.6 Dạng ký hiệu sau khi chèn và lập cửa sổ tại phía phát, đáp ứng xung kim của kênh và ký hiệu OFDM hiệu dụng đƣợc lấy ra tại phía thu

Hình 4.7 Chèn khoảng bảo vệ

Xung chữ nhật có độ rộng phổ rất lớn do các búp bên của biến đổi Fourier có dạng Sinc Tạo cửa sổ là một kỹ thuật để giảm các búp bên này và nhờ vậy giảm công suất phát ngoài băng

Trong hệ thống OFDM, cửa sổ được sử dụng phải không được ảnh hưởng lên tín hiệu trong thời gian hiệu dụng của nó Vì thế các phần mở rộng theo chu kỳ có dạng xung nhƣ ở hình 4.8 Tạo cửa số cho xung phát sử dụng hàm cosin tăng có thể coi là tích chập của xung chữ nhật có độ dài T với nửa sóng sin nhƣ ở hình 4.8

Trong miền tần số tích chập này tương đương với nhân phổ Sinc của xung chữ nhật với phổ của nửa sóng sin Từ hình 4.8 ta thấy việc nhân này cho phép giảm các búp bên của phổ xung phát Trên hình 4.8(a), các giá trị phổ bằng xảy ra tại các vị trí i.Δf=i/T FFT , i= {±1, ±2, …}, nghĩa là tại các vị trí đặt các sóng mang con lân cận Việc mở rộng xung đến độ dài T= T FFT + T GD +T WIN giảm khoảng cách giữa các giá trị phổ bằng không xuống còn 1/T (hình 4.8(b)) Hàm tạo cửa sổ (hình 4.8(c)) nhận các giá trị không tại { ±3/2, ±5/2, ±7/2….}/T win Tích của phổ trên hình 4.8(b) và phổ trên hình 4.8(c) cho ta kết quả của tạo cửa sổ (hình 4.8(d)) Nhận xét hình 4.8(d) ta thấy nhờ tạo cửa sổ các búp bên giảm đáng kể

Hình 4.8 (a) Dạng xung và phổ của ký hiệu OFDM hiệu dụng (đƣợc thực hiện bởi IFFT; (b) xung độ dài T và phổ của nó; (c) xung nửa sin đƣợc sử dụng để tạo dạng xung và phổ của nó; (d) xung phát w(t) và phổ của nó

Các độ dài xung thường được đo bằng số mẫu, trong dó NFFT, N GD và N win xác định số mẫu trong phần hiệu dụng, khoảng bảo vệ và khỏang tạo cửa sổ

4.2.2 Xử lý tín hiệu tương tự (phần điều chế vô tuyến cho tín hiệu OFDM

Hình 4.9 Sơ đồ điều chế vô tuyến cho tín hiệu OFDM băng gốc

Do sử dụng bộ lọc thông thấp trong quá trình chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự (DAC) và ngược lại (ADC), không phải tất cả các sóng mang con đều được sử dụng Những sóng mang con gần tần số Nyquist (fs/2) sẽ bị suy giảm bởi bộ lọc, khiến chúng không thể truyền dữ liệu (Hình 4.10, fs = 1/Ts là tần số lấy mẫu) Ngoài ra, sóng mang con DC có thể bị méo đáng kể do dịch một chiều (DC) của ADC và DAC, do đó cũng cần tránh sử dụng cho truyền dữ liệu.

Hình 4.10 Hàm truyền đạt của máy phát/thu và ảnh hưởng của nó lên thiết kế hệ thống OFDM

Hình 4.11 Điều chế số kết hợp biến đổi nâng tầng Để có thể sử dụng sóng mang con DC, ta có thể sử dụng sơ đồ điều chế số trước khi đưa lên bộ chuyển đổi số vào tương tự (DAC: digital analog converter) nhƣ trên hình 4.11.

Multicarrier CDMA ( MC-CDMA)

Cấu trúc tín hiệu của MC-CDMA Hệ thống MC-CDMA đƣợc xem nhƣ là sự kết hợp nối tiếp của CDMA và OFDM Sự kết hợp này có hai ƣu điểm chính, thứ nhất nó kế thừa khả năng làm chậm tốc độ ký tự trên mỗi sóng mang phụ đủ để có đƣợc một sự nhận tín hiệu gần đồng bộ (quasi-synchronous) Ƣu điểm thứ hai đó là nó có thể kết hợp một cách hiệu quả năng lƣợng tín hiệu bị phân tán trong miền tần số Đặc biệt trong những trường hợp truyền dẫn tốc độ cao khi một bộ thu DS-CDMA có thể thấy 20 đường trong đáp ứng xung tức thời, một bộ kết hợp RAKE 20 đường là điều không thể thực hiện cho bộ thu DS-CDMA, trong khi đó một bộ thu MC-CDMA là có thể thực hiện đƣợc mặc dù nó sẽ tiêu tốn năng lƣợng tín hiệu nhận trong những khoảng bảo vệ

Hình 4.12 Sự ta ̣o tín hiê ̣u MC-CDMA cho mô ̣t người dùng Bộ phát MC-CDMA trải luồng dữ liệu ban đầu lên các sóng mang phụ khác nhau bằng cách sử dụng một mã trải rộng trong miền tần số Nói một cách khác, phần ký tự tương ứng với một chip của mã trải rộng sẽ được truyền trên một sóng mang phụ Hình 4.12 cho ta khái niệm về sự tạo tín hiệu MC-CDMA cho một người dùng Tương tự như trong hệ thống CDMA, một người dùng có thể chiếm toàn bộ băng thông cho sự truyền dẫn của một ký tự dữ liệu Sự phân biệt các tín hiệu của những người dùng khác nhau được thực hiện trong miền mã

Mỗi ký tự dữ liệu được sao chép lên các luồng phụ trước khi nhân nó với chip của mã trải rộng, điều này cho thấy một hệ thống MC-CDMA thực hiện sự trải rộng theo hướng tần số và như vậy làm tăng thêm tính linh động khi so sánh với một hệ thống CDMA Sự ánh xạ các chip theo hướng tần số cho phép sự nhận dạng tín hiệu có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp đơn giản

Hình 4.13 Sự tạo tín hiệu trải phổ đa sóng mang dùng OFDM

Sự tạo tín hiệu trải phổ đa sóng mang sử dụng OFDM cho một người dùng đƣợc minh họa ở Hình 4.13 Không mất tính tổng quát, sự tạo tín hiệu MC-CDMA được miêu tả cho một ký tự đối với mỗi người dùng, vì vậy chỉ số ký tự dữ liệu

GVHD : PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 37 HVTH : Đinh Quốc Trụ không cần ghi rõ Trong bộ phát, ký tự dữ liệu giá trị phức d k của người dùng thứ k đƣợc nhân với mã trải phổ

(4.8) có chiều dài L= P G = N c Chuỗi giá trị phức thu đƣợc sau bộ trải phổ:

Trong tuyến xuống, các chuỗi giá trị phức s k sau các bộ trải phổ của K người dùng tích cực sẽ được cộng lại với nhau trước khi thực hiện OFDM hình thành nên chuỗi s với

(4.10) s = Cd (4.11) trong đó d = (d 1 , d 2 , , d k ) T (4.12) là vector chứa các ký tự dữ liệu của K người dùng và C là ma trận trải phổ được cho bởi

Chuỗi C chứa các phần tử c1, c2, , ck được chuyển đổi từ khối nối tiếp sang song thành chuỗi x thông qua khối OFDM Sau khi đi qua khối chuyển đổi số sang tương tự (D/A), chuỗi x được đưa vào khối OFDM để xử lý, tạo ra tín hiệu đầu ra có dạng như mong muốn.

(4.14) Tín hiệu x(t) đƣợc đƣa lên tần số sóng mang và phát ra ngoài kênh truyền

Với khoảng thời gian bảo vệ đƣợc giả định là đủ dài, tại bộ thu vector nhận đƣợc

GVHD : PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 38 HVTH : Đinh Quốc Trụ sau khối OFDM ngƣợc đƣợc cho bởi r = Hs + n = (R 1 , R 2 , , R L ) T (4.15) trong đó H là ma trận kênh truyền kích thước L× L và n là vector nhiễu có chiều dài L Vector r đƣợc đƣa vào bộ dò tìm (detector) dữ liệu để ƣớc lƣợng dữ liệu đã truyền (Hình 3-14)

Hình 4.14 Sƣ̣ nhâ ̣n tín hiê ̣u trãi phổ đa sóng mang

Trong tuyến lên, chuỗi giá trị phức s k của người dùng k qua khối S/P được đưa vào khối OFDM, ngỏ ra khối OFDM là chuỗi x k sau khi qua khối D/A sẽ cho ra tín hiệu x k (t) Tín hiệu x k (t) đƣợc đƣa lên tần số sóng mang và phát ra ngoài kênh truyền

Các tín hiệu của những người dùng khác nhau sẽ chịu tác động khác nhau của kênh truyền Tín hiệu nhận được tại bộ thu là sự tổng hợp các tín hiệu của những người dùng tích cực, sau khối OFDM ngƣợc vector nhận đƣợc cho bởi

(4.16) trong đó H k chứa các hệ số của các kênh phụ ứng với người dùng k Tuyến lên được giả định là đồng bộ để đạt đƣợc hiệu suất phổ tần cao của OFDM Vector r đƣợc đƣa vào bộ dò tìm dữ liệu (data detector) để ƣớc lƣợng dữ liệu đã truyền (Hình 4.14)

Qua chương 4, tác giả đã trình bày trình bày về Hê ̣ thống OFDM và hê ̣ thống đa sóng mang CDMA OFDM là một hệ thống đa sóng mang trong đó luồng số liệu cần truyền được chia nhỏ và được truyền trên các sóng mang con trực giao với nhau So với hệ thống FDMA, OFDM cho phép nén phổ xuống 50% Các vi mạch xử lý tín hiệu như IFFT và FFT cho phép đơn giản hóa quá trình tạo các sóng mang con trong các hệ thống truyền dẫn OFDM

Chương này cũng trình bày các phần tử cơ bản của máy thu và máy phát OFDM trong hệ thống truyền dẫn OFDM Hai phần thử đặc thù của máy phát và máy thu là bộ biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT) và bộ biến đổi Fourier (FFT)

Phần cuối của chương đã xét nguyên lý của MC-CDMA Các sơ đồ đơn giản của máy phát và máy thu trong một hệ thống MC-CDMA Đặc thù của MC-CDMA là các chip của mã trải phổ sau khi trải phổ cho số liệu được truyền trên các sóng mang con khác nhau Như vậy số các sóng mang con của OFDM cũng sẽ bằng số chip trong một chu kỳ chuỗi mã trải phổ

Chương tiếp theo sẽ khảo sát mô hình sử dụng nhiều mã cho một người dùng trong hê ̣ thống đa truy nhập đơn sóng mang (Multicode CDMA) cũng như trong hệ thống đa truy nhập đa sóng mang ( Multicode Multicarrier CDMA ).Mục đích của viê ̣c sử dụng nhiều mã nhằm tạo cho hê ̣ thống có khả năng cung cấp nhiều l oại tốc độ khác nhau đáp ứng nhu cầu nhiều loại di ̣ch vụ khác nhau

PHẦN 2 HỆ THỐNG MULTICODE MULTICARRIER CDMA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP DÒ TÌM TÁCH SÓNG

MULTICODE CDMA VÀ MULTICODE MULTICARRIER CDMA

Các hệ thống Multicode Multicarrier CDMA

Tại bộ thu, tín hiệu thu được giải điều chế và thực hiện tích chập với chuỗi đặc trưng của người dùng Sau đó, tín hiệu tiếp tục đi qua một bộ giải mã bao gồm băng các bộ lọc tương thích với chuỗi thông tin V m (-n) (1 ≤ m≤ M) Đơn vị quyết định sẽ xác định chuỗi được gửi đi bằng cách dò tìm cực đại, từ đó giải mã ký tự dữ liệu M-ary tương ứng.

5.2 Các hệ thống Multicode Multicarrier CDMA

5.2.1 Hệ thống PMC-MC-CDMA

Hệ thống PMC-MC-CDMA (Parallel Multicode Multicarrier CDMA) đƣợc xem nhƣ là sự kết hợp của hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền song song và hệ thống MC-CDMA [12] Khi một người dùng cần truyền một luồng dữ liệu có tốc độ lớn hơn tốc độ cơ bản M lần thì hệ thống sẽ chuyển luồng dữ liệu này thành M luồng dữ liệu con, mỗi luồng dữ liệu con bây giờ được xem như là của từng người dùng riêng biệt Mỗi luồng dữ liệu con sẽ đƣợc đƣa qua bộ mã hóa kênh truyền, bộ trộn và đƣợc nhân với mã trải rộng có chiều dài L Mỗi luồng dữ liệu con sau đó sẽ đƣợc điều chế đa sóng mang và phát ra ngoài kênh truyền

Hình 5.4 miêu tả sự tạo tín hiệu rời rạc cho hệ thống PMC-MC-CDMA ứng với người dùng k Luồng dữ liệu ký tự d k của người dùng k có tốc độ gấp M k lần tốc độ cơ bản, tốc độ của luồng dữ liệu ký tự d k này là M k /T s với T s là khoảng thời gian của một ký tự tốc độ cơ bản

Hình 5.4 Sƣ̣ ta ̣o tín hiê ̣u rời ra ̣c PMC-MC-CDMA

Để đơn giản hóa quá trình phân tích, hệ thống CDMA không xét đến các bộ mã hóa kênh và bộ trộn, tạo thành sơ đồ rút gọn như trong Hình 5.5 Trong mỗi khoảng thời gian T, hệ thống sẽ truyền M ký tự dữ liệu của M người dùng Quá trình tạo tín hiệu PMC-MC-CDMA của M ký tự dữ liệu của người dùng tích cực k được biểu diễn dưới dạng vector cột.

Hình 5.5 Sơ đồ rút go ̣n cho sƣ̣ ta ̣o tín hiê ̣u rời ra ̣c PMC-MC-CDMA

Bộ trải phổ sẽ nhân vector ký tự dữ liệu d k với ma trận mã trải rộng của người dùng k

𝐂 𝑘 = 𝑐 𝑘,1 , 𝑐 𝑘,2 , … 𝑐 𝑘,𝑀 𝑘 (5.5) Trong đó c k,m (m=1,2,… ,M k ) là vector cột có chiều dài L =N c biểu diễn mã trãi rô ̣ng trong tâ ̣p mã trãi rô ̣ng của người dùng thứ k ngõ ra bộ trãi phổ có dạng

Hệ thống đa truy nhập chia theo mã trực giao mã phân chia nhiều tàu (PMC-MC-CDMA) gồm K người dùng tích cực có thể tương đương với hệ thống đa truy nhập chia theo mã (MC-CDMA) có K' = ∑K k=1 MK người dùng tích cực Điều này có nghĩa là tín hiệu tuyến xuống của cả hai hệ thống đều có dạng S(k, 1), S(k, 2), , S(k, L)^T.

Cũng giống nhƣ trong hệ thống MC-CDMA các chuỗi tại ngỏ ra các bộ trải phổ của

K người dùng tích cực sẽ được cộng lại trước khi thực hiện OFDM như Hình 5.6 hình thành nên chuỗi s có dạng

𝐝 = 𝑑 1,1 𝑑 1,2 , … 𝑑 1,𝑀 1 , 𝑑 2,1 , … , 𝑑 𝑘,𝑀 𝑘 𝑇 (5.9) là các ký tự dữ liệu của k người dùng tích cực được truyền trong khoảng thời gian T s và C là ma trận trãi rộng đƣợc cho bởi

Hình 5.6 Sự tạo tín hiệu rời rạc tuyến xuống PMC-MC-CDMA

Ngỏ ra khối OFDM sau đó đƣợc đƣa qua khối D/A, chuyển lên tần số sóng mang và phát ra ngoài kênh truyền

Khi khoảng thời gian bảo vệ đủ dài, tín hiệu PMC-MC-CDMA xem nhƣ chỉ chịu sự tác động của kênh truyền fading phẳng trên từng sóng mang phụ, vector nhận đƣợc sau khối OFDM ngƣợc tại bộ thu đƣợc cho bởi

𝐫 = 𝐇𝐬 + 𝐧 = 𝑅 1 , 𝑅 2 , … , 𝑅 𝐿 𝑇 (5.11) Với H là ma trận kênh truyền kích thước L×L và n là vector nhiễu có chiều dài L r = HCd + n

= A down d + n (5.12) ma trâ ̣n hê ̣ thống A down cho tuyến xuống được đi ̣nh nghĩa

GVHD : PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 48 HVTH : Đinh Quốc Trụ b.Tín hiệu tuyến lên Ở tuyến lên, tín hiệu rời rạc PMC-MC-CDMA cho người dùng k được tạo ra nhƣ Hình 5.5, chuỗi x k tại ngỏ ra khối OFDM sẽ đƣợc đƣa qua khối D/A để chuyển từ tín hiệu số sang tín hiệu tương tự, tín hiệu tương tự này được đưa lên tần số sóng mang và phát ra ngoài kênh truyền

Trên tuyến lên, kênh truyền có tác động khác nhau đối với tín hiệu của các người dùng khác nhau Khi thời gian bảo vệ đủ dài, kênh truyền được coi như kênh fading phẳng trên từng sóng mang phụ Đối với tuyến lên đồng bộ, bộ thu vector nhận được sau khối OFDM ngược là:

(5.14) với H k là ma trận đường chéo kích thước L×L chứa các hệ số kênh truyền của các kênh phụ ứng với người dùng k

Vector r cho tuyến lên đồng bộ có thể được viết dưới dạng tương đương như sau: r =A up d + n (5.17)

5.2.2 Hệ thống MMC-MC-CDMA

Hệ thống MMC-MC-CDMA (M-ary Multicode MC-CDMA) là sự kết hợp nối tiếp của hệ thống Multi-code CDMA kiểu truyền M-ary và hệ thống MC-

CDMA [12] Trong hệ thống này mỗi người dùng có một mã c k (chiều dài L) đặc trưng cho người dùng và một tập mã 𝑉 𝑚 (𝑛) 1 ≤ 𝑚 ≤ 𝑀 chung cho tất cả người dùng (chiều dài của mỗi mã trong tập mã chung là N) Trong bài này mã V m (n) đôi khi còn đƣợc ký hiệu là v m

Hình 5.7 miêu tả sự tạo tín hiệu MMC-MC-CDMA rời rạc cho người dùng k sử dụng sự điều chế BPSK Khi người dùng k có tốc độ dữ liệu gấp log 2 (M k ) lần tốc độ dữ liệu cơ bản (1/T s ) thì trong mỗi khoảng thời gian T s khối chọn lọc sẽ “ánh xạ” một ký tự M-ary tương ứng với log 2 (M k ) bit thông tin vào một trong số M k mã của tập mã chung, tập M k mã này được gọi là tập mã thông tin cho người dùng k Chiều dài N của chuỗi mã trong tập mã chung là cố định với các giá trị khác nhau của M k , vì vậy sự thay đổi tốc độ ký tự dữ liệu không làm thay đổi chiều dài N của chuỗi mã hay tốc độ của luồng bit đi vào bộ trải phổ (N/T s ) nhưng nó làm thay đổi kích thước M k của tập mã thông tin

Hình 5.7 Sƣ̣ ta ̣o tín hiê ̣u rời ra ̣c MMC-MC-CDMA Không mất tính tổng quát ta sẽ khảo sát trong một khoảng thời gian T s cho người

GVHD : PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 50 HVTH : Đinh Quốc Trụ dùng tích cực k , giả sử ký tự M-ary d k tương ứng với log 2 𝑀 𝑘 bit thông tin trong khoảng thời gian này đƣợc ánh xạ vào mã 𝑉 𝑑 𝑘 𝑛 , N bit của mã 𝑉 𝑑 𝑘 𝑛 sau đó sẽ lần lƣợt đi qua bộ trải phổ Với mỗi bit 𝑉 𝑑 𝑘 𝑛 ( bit thƣ́ n của mã 𝑉 𝑑 𝑘 ; n=1,2,…,N) đi vào bộ trải phổ thì tại ngỏ ra bộ trải phổ ta đƣợc một chuỗi có chiều dài L

(5.9) Chuỗi L giá trị phức nối tiếp s k n , qua bộ chuyển đổi S/P để chuyển thành L giá trị song song đi vào khối OFDM (Ngỏ ra khối OFDM sẽ đƣợc đƣa qua khối D/A, chuyển lên tần số sóng mang cao tần và phát ra ngoài kênh truyền

5.2.2.2 Sự nhận tín hiệu MMC-MC-CDMA

Sự nhận tín hiệu rời rạc MMC-MC-CDMA đƣợc miêu tả trên Hình 5.8 là quá trình ngược lại với sự tạo tín hiệu rời rạc MMC-MC-CDMA được miêu tả trước đây

Hình 5.8 Sƣ̣ nhâ ̣n tín hiê ̣u rời ra ̣c MMC-MC-CDMA Trước hết ta xét sự thu trong một khoảng thời gian T s /N tương ứng với khoảng thời gian thu cho bit 𝑣 𝑑 𝑘 ,𝑛 của mã 𝑉 𝑑 𝑘 (𝑛) đối với người dùng k, giả sử khoảng bảo vệ đủ dài và sự điều khiển công suất là hoàn hảo khi đó L giá tri ̣ phức thu đƣợc sau khối OFDM ngƣợc tại bộ thu có dạng:

CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG VÀ ỨNG DỤNG SIC

Ứng dụng SIC trong MTC-MC- CDMA

Trong bô ̣ dò tìm tách sóng Multicode Multicarrier CDMA tương tự như MC- CDMA

6.2.1 Hệ thống PMC-MC-CDMA

- Tính độ tin cậy (dùng EGC, ZF hoặc MMSE) cho tất cả các user còn lại

- Chọn một user có độ tin cậy cao nhất đƣợc khôi phục và trừ khỏi thành phần tín hiệu của user mong muốn

- Ra quyết định cuối cùng cho user mong muốn

- Quá trình triệt can nhiễu nhƣ vậy cứ tiếp tục đối với tất cả các user đến khi chỉ còn user yếu nhất

Do mô ̣t hê ̣ thống PMC-MC-CDMA với k người dùng tích cực được xem là tương đương hê ̣ thống MC-CDMA với

Người dùng tích cực nên từ (6.19) ta có

Thường người ta kết hợp tách sóng SIC với ZF hoă ̣c MMSE , ta được ZF -SIC, MMSE-SIC

6.2.1.1 Sƣ̣ dò tìm tách sóng ZF-SIC

Sau khối OFDM ngươ ̣c ta ̣i bô ̣ thu ta có : r =Ad + n

Trong đó A là ma trận hệ thống kích thước L×Kˊ, theo đề xuất [1] :ZF-SIC, ta được

6.2.1.2 Sƣ̣ dò tìm tách sóng MMSE-SIC theo đề xuất [1] :ZF-SIC, ta đươ ̣c

6.2.2 Hê ̣ thống MMC-MC-CDMA 6.2.2.1 Sự dò tìm đơn user

Hình 6.5 Bộ dò tìm tách sóng đơn user trong hệ thống MMC-MC-CDMA

Hình 6.5 là cấu trúc của bộ dò tìm đơn user trong hệ thống MMC-MC-CDMA tương ứng với người dùng tích cực k Ngỏ ra bộ cân bằng là một vector có chiều dài L :

𝐮 𝑘,𝑛 = 𝐆 𝑘,𝑛 𝐫 𝑛 (6.24) trong đó G k là ma trận đường chéo kích thước L× L chứa các hệ số cân bằng kênh truyền G k có dạng

𝐆 𝑘 = 𝑑𝑖𝑎𝘨 𝘨 𝑘,𝑛,1 , 𝘨 𝑘,𝑛,2 , … , 𝘨 𝑘,𝑛,𝐿 (6.25) Cũng nhƣ trong hệ thống MC-CDMA tùy thuộc vào G k mà ta có các bộ dò tìm đơn user khác nhau như EGC, MRC, ZF, MMSE tương ứng sử dụng các bộ cân bằng

𝑕 𝑘,𝑛 ,𝑙 2 +𝜍 2 (6.29) Đối với tuyến xuống cả bốn loại bộ cân bằng đều có thể đƣợc sử dụng còn đối với

GVHD : PGS.TS Phạm Hồng Liên Trang 63 HVTH : Đinh Quốc Trụ tuyến lên thông thường chỉ sử dụng bộ cân bằng MRC hoặc EGC

Ngỏ ra bộ cân bằng, chuỗi L giá trị phức u k,n , sẽ được tính tương quan với liên hợp phức của mã đặc trưng cho người dùng 𝐜 𝑘 ∗ Giá trị thu được sau bộ giải trải phổ là giá trị quyết định mềm cho bit 𝑣 𝑑 𝑘 ,𝑛 và đƣợc ký hiệu là 𝑣 𝑑 𝑘 ,𝑛 Giá trị quyết đi ̣nh mềm 𝑣 𝑑 𝑘 ,𝑛 được xác đi ̣nh bằng phương trình:

6.2.2.2 Sự dò tìm tách sóng đa user SIC

Vector r n ở phương trình (5.10) có thể được viết lại dưới dạng thu gọn như sau:

Cũng nhƣ trong hệ thống MC-CDMA hai kỹ thuật dò tìm đa user tuyến tính có thể đƣợc vận dụng để xác định giá trị mềm cho vector v d , n

• Kỹ thuật dò tìm tách sóng ZF-SIC theo [1]:

• Kỹ thuật dò tìm tách sóng MMSE-SIC theo [1]

Cứ trong một khoảng thời gian T s /N ở ngỏ ra bộ dò tìm tương ứng với người dùng k sẽ là một giá trị mềm Khối tái tạo chuỗi mã sẽ tuần tự thu N giá trị mềm 𝐯 𝑑 𝑘 ,𝑛 (1≤n≤ N ) trong khoảng thời gian T s từ bộ dò tìm để tạo thành một chuỗi 𝐯 𝑑 𝑘 Khi tập mã thông tin của người dùng k chỉ chứa các mã có giá trị thực thì các phần tử của v d k cũng chỉ mang giá trị thực

𝐯 𝒅 𝒌 = 𝑅𝑒 𝑣 𝑑 𝑘 ,1 , 𝑣 𝑑 𝑘 ,2 , … , 𝑣 𝑑 𝑘 ,𝑁 𝑇 (6.35) Để xác định xem chuỗi mã nào trong số M k mã thông tin của người dung k được truyền thì chuỗi v d k k sẽ được tính tương quan với M k mã này, mã thông tin nào cho kết quả lớn nhất sẽ là mã thông tin đƣợc giả định truyền

Ký tự dữ liệu M-ary 𝐝 𝑘 sẽ đƣợc ánh xạ ngƣợc từ mã thông tin đƣợc giả định truyền

PHẦN 3 MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

MÔ PHỎNG

Mô phỏng hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã

7.1.1 Mô phỏng kênh truyền Rayleigh

Mô hình kênh truyền Rayleigh được sử dụng trong luận văn này dựa trên mô hình được đề xuất trong [10] Độ lợi kênh truyền và hàm mật độ phân bố xác suất điển hình được minh họa trong Hình 7.1 và Hình 7.2 với các thông số: vận tốc người dùng v = 60 km/h, tần số sóng mang f c = 900 MHz và khoảng thời gian giữa các mẫu T s = 0,1 ms.

Hình 7.1 Độ lợi kênh truyền Rayleigh tiêu biểu

Hình 7.2 Hàm mật độ phân bổ xác suất Rayleigh theo mô phỏng và theo xác suất

7.1.2 Khảo sát BER của DS-CDMA trong môi trường nhiễu Gaussian Ứng dụng SIC trong DS-CDMA

BER sic 0.0912 0.0522 0.0251 0.0130 0.0078 0.0068 0.0055 pic 0.0910 0.0478 0.0187 0.0070 0.0022 0.0009 0.0002 mmse 0.0909 0.0509 0.0239 0.0114 0.0069 0.0053 0.0047 sic_new 0.0920 0.0450 0.0197 0.0096 0.0030 0.0006 0.0001

Bảng 7.1: Bảng kết quả mô phỏng hình 7.3

Phan bo theo mo phongPhan bo theo ly thuyet

Hình 7.3 BER theo E b /N o cho DS-CDMA tương ứng các phương pháp dò tìm tách sóng khác nhau

Trong Hình 7.3, so sánh dò tìm tách sóng các phương pháp khác nhau đường đồ thị

“sic” có tỉ lệ lỗi bit được tính trung bình trên tất cả người dùng tích cực còn đường đồ thị “sic-new” có tỉ lệ lỗi bit được tính cho người dùng tích cực cuối cùng Kỹ thuật dò tìm dữ liệu cho cả hai đường đồ thị này đều là kỹ thuật dò tìm loại bỏ xuyên nhiễu liên tiếp (SIC)

Bảng 7.2: Bảng kết quả mô phỏng hình 7.4

B it E rr o r R a te sic pic mmse sic-new

Hình 7.4 BER theo Eb/No cho DS-CDMA tương ứng dò tìm tách sóng SIC với số user khác nhau

- Từ hình 7.4 cho thấy chất lượng hệ thống CDMA giảm khi số người dùng tăng lên

- Ưu điểm của tách sóng phi tuyến so với bộ tách sóng tuyến tính Xu hướng lựa chọn , hoặc kết hợp các kiểu dò tìm tách sóng để tận dụng tối đa ƣu điểm của chúng.

Mô phỏng ứng dụng SIC trong hệ thống MC-CDMA

7.2.1 Hệ thống MC-CDMA tuyến xuống đồng bộ

Trong tuyến xuống , dữ liệu của người dùng tích cực bị tác động như nhau bởi kênh truyền Như đề cập trước đây sự tác động của kênh truyền trên từng sóng mang trong hệ thống MC-CDMA là fading phẳng, vì vậy ta có thể sử dụng các bộ cân bằng đơn giản cho từng sóng mang Nếu xét toàn bộ băng thông của hệ thống thì sự tác động của kênh truyền vẫn mang tính chọn lọc tần số

Khảo sát tỉ lệ lỗi bit theo tỉ số E b /N o cho hệ thống MC-CDMA tương ứng các bộ dò tìm tách sóng đơn user khác nhau

Thông số Giá Trị / đặc trƣng

Mã trải rộng Walsh-Hadamard

Chiều dài mã trải rộng 32

Tải hệ thống Đầy tải

Mã hóa kênh truyền Không Ƣớc lƣợng kênh truyền và đồng bộ chính xác

Kênh truyền vô tuyến Kênh truyền fading Rayleigh không tương quan

Bảng 7.3: Các thông số mô phỏng hệ thống MC-CDMA cho hình 7.5

Hình 7.5 BER theo E b /N o cho hệ thống MC-CDMA tuyến xuống với các phương pháp dò tìm tách sóng đơn user khác nhau

B it E rr o r R a te sud-mrc sud-egc sud-zf sud-mmse

BER mrc 0.2018 0.1741 0.1598 0.1525 0.1499 0.1503 egc 0.1467 0.0836 0.0491 0.0351 0.0295 0.0279 zf 0.2632 0.1656 0.0768 0.0254 0.0074 0.0030 mmse 0.1444 0.0668 0.0181 0.0019 0.0001 0.0000

Bảng 7.4: Kết quả mô phỏng hình 7.5

- Các kết quả cho thấy với hệ thống tải đầy sự cân bằng MMSEcho kết quả tốt hơn các kỹ thuật dò tìm tách sóng đơn user khác

- Sự cân bẳng ZF khôi phục tính trực giao giữa tín hiệu người dung và tránh nhiễu MAI Tuy nhiên, nó lại làm tăng nhiễu nền

- EGC không làm tăng nhiễu nền nhƣng không triệt tiêu nhiễu MAI do mất tính trực giao giữa các tín hiệu người dùng

- MRC cho kết quả xấu nhất do làm tăng thêm nhiễu MAI

Hình 7.6 khảo sát tỉ lệ lỗi bit theo số người dùng tích cực cho hệ thống MC-CDMA ứng với những bộ dò tìm tách sóng đơn user khác nhau có các thông số mô phỏng

Mã hóa kênh truyền Không Ƣớc lƣợng kênh truyền và đồng bộ chính xác

Kênh truyền vô tuyến Kênh truyền fading Rayleigh không tương quan, E b /N o dB Bảng 7.5: Thông số mô phỏng hệ thống MC-CDMA cho hình 7.6 với số user khác nhau

Hình 7.6 BER theo số user cho hệ thống MC-CDMA tuyến xuống với các phương pháp dò tìm tách sóng đơn user khác nhau

- Các kết quả cho thấy với hệ thống nhiều người sử dụng, bộ dò tìm tách sóng

MMSE cho kết quả tốt hơn các kỹ thuật dò tìm tách sóng đơn user khác

Tuy nhiên nó có độ phức tạp cao hơn các bộ dò tìm tách sóng khác

BER mrc egc zf mmse

- Chất lƣợng hệ thống ít thay đổi với bộ dò tìm tách sóng ZF

- Đối với hệ thống EGC, chất lượng giảm nhanh khi số người dung tăng lên

- Nếu chỉ có một người thì bộ dò tìm tách sóng MRC cho kết quả tốt nhất, chất lượng sẽ giảm nhanh khi số người dùng tích cực tăng lên

Hình 7.7 ứng dụng SIC cho hệ thống MC-CDMA tuyến xuống với số lần loại trừ xuyên nhiễu là 1 để khảo sát BER với các thông số nhƣ bảng 7.3

B E R egc -sic 0.1623 0.0872 0.0374 0.0135 0.0069 0.0042 0.0030 0.0027 zf -sic 0.2658 0.1909 0.1132 0.0591 0.0265 0.0102 0.0044 0.0022 mmse -sic 0.1496 0.0744 0.0226 0.0033 0.0002 0.0000 0.0000 0.0000

Hình 7.7 Ứng dụng SIC trong các bộ dò tìm tách sóng để khảo sát BER theo E b /N o cho hệ thông MC-CDMA

B it E rr o r R a te egc-sic zf-sic mmse-sic

- Cũng giống nhƣ trên, bộ dò tìm tách sóng MMSE cho kết quả tốt hơn các kỹ thuật dò tìm tách sóng đơn user khác

Hình 7.8 So sánh ứng dụng SIC cho hệ thống MC-CDMA tuyến xuống với hệ thống khi không sử dụng SIC

BER egc 0.14746 0.08314 0.05039 0.03608 0.02953 0.02838 egc-sic 0.16240 0.07310 0.01950 0.00605 0.00397 0.00347 mmse 0.14276 0.06720 0.01807 0.00208 0.00010 0.00000 mmse-sic 0.15110 0.05290 0.00660 0.00022 0.00000 0.00000

Hình 7.8 So sánh ứng dụng SIC trong hệ thống MC-CDMA

B it E rr o r R a te egc egc-sic mmse mmse-sic

- Ƣu điểm của SIC là làm giảm nhiễu MAI nhƣng không làm tăng nhiễu nền từ đó làm giảm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống

- Dữ liệu ƣớc lƣợng từng chặng có tỉ lệ lỗi nhất định nên nhễu MAI không loại trừ hoàn toàn

- Cũng giống nhƣ trên, bộ dò tìm tách sóng MMSE-SIC cho kết quả tốt hơn các kỹ thuật dò tìm tách sóng đơn user khác

7.2.2 Hệ thống tuyến lên đồng bộ Đối với tuyến lên sự tác động của kênh truyền lên tín hiệu của người dùng khác nhau là khác nhau Trong phần mô phỏng này mỗi người dùng sẽ có một kênh truyền Rayleigh không tương quan, các thông số mô phỏng theo bảng 7.9

Chiều dài mã trãi rộng 32

Tải hệ thống Thay đổi

Mã hóa kênh truyền Không Ƣớc lƣợng kênh truyền và đồng bộ chính xác

Kênh truyền vô tuyến Mỗi người dùng sẽ có một kênh truyền Rayleigh không tương quan nhau

Bảng 7.9: Các thông số mô phỏng hệ thống MC-CDMA tuyến lên

Do sự trực giao giữa các mã trãi rộng tại antenna bộ thu bị mất đi nên trong số các bộ dò tìm tách sóng đơn user thì bộ dò tìm tách sóng MRC là thích hợp nhất trong tuyến lên BER theo E b /N o của một hệ thống MC-CDMA với các tải khác nhau dùng bộ dò tìm tách sóng MRC trong tuyến lên đồng bộ hình 7.9

Hình 7.9 BER theo E b /N o cho hệ thống MC-CDMA tuyến lên đồng bộ dùng bộ dò tìm tách sóng MRC

- Từ hình 7.9 cho thấy chất lượng hệ thống MC-CDMA giảm khi số người dùng tăng lên

Do mất tính trực giao giữa các tín hiệu người dùng trong tuyến lên, nên chỉ một lượng người dùng tích cực vừa phải có thể đáp ứng được với bộ dò tìm tách sóng đơn user Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống, khiến khả năng phục vụ nhiều người dùng cùng lúc bị hạn chế.

Hình 7.10 minh họa BER theo E b /N o của một hệ thống MC-CDMA tuyến lên đồng bộ dùng bộ dò tìm tách sóng đa user MMSE với các tải khác nhau

Hình 7.10 BER theo E b /N o cho hệ thống MC-CDMA tuyến lên đồng bộ dùng bộ dò tìm tách sóng MMSE

- Từ hình 7.10 cho thấy chất lƣợng hệ thống MC-CDMA dùng bộ dò tìm tách sóng MMSE được cải thiện tốt hơn khi số người dùng tăng lên so với bộ dò tìm tách sóng MRC

Mô phỏng ứng dụng SIC trong hệ thống Multicode Multicarrier CDMA

7.3.1 Hệ thống PMC-MC-CDMA 7.3.1.1 Tuyến xuống đồng bộ

Hình 7.11 khảo sát BERtheo E b /N o cho hệ thống PMC_MC_CDMA tuyến xuống đồng bộ sử dụng bộ dò tìm tách sóng đơn user với các lƣợc đồ mã khác nhau.với tập mã người dùng là tập mã gold trực giao và tập mã chung Walsh-Hadamard Các thông số theo bảng 7.11

Mã trải rộng Tạo bởi Gold trực giao và Hadamard

Chiều dài mã trãi rộng 128 Số user tích cực/Số user tối đa 16/32

Số mã cho mỗi user 4

Kiểu điều chế BPSK Ƣớc lƣợng kênh truyền và đồng bộ chính xác

Kênh truyền vô tuyến Kênh truyền Rayleigh không tương quan Bảng 7.12: Các thông số mô phỏng cho hình 7.11

Bảng 7.13: Kết quả mô phỏng cho hình 7.11

BER ogoldhad-egc 0.17369 0.12427 0.09630 0.08547 0.08088 ogoldkronhad-egc 0.13453 0.06517 0.02956 0.01769 0.01358 ogoldhad-mmse 0.16939 0.11895 0.08823 0.06822 0.05784 ogoldkronhad-egc 0.12773 0.05761 0.01786 0.00581 0.00413

Hình 7.11 BER theo E b /N o cho hệ thống PMC-MC-CDMA tuyến xuống sử dụng các lƣợc đồ tạo mã khác nhau

- Từ hình 7.11 các mã của người dùng không trực giao tỉ lệ lỗi bit tăng

- Sử dụng mã trực giao thì chất lƣợng cải thiện đáng kể

Hình 7.12 khảo sát BER theo E b /N o cho hệ thống PMC-MC-CDMA tuyến xuống đồng bộ sử dụng bộ dò tìm tách sóng đơn user khác nhau Mã trãi rộng đƣợc đề xuất là mã goldkrondhad Là tích kronecker của mã Gold trực giao ( chiều dài L G = 32 ) và Walsh-Hadamard ( chiều dài L H = 4)

BER ogoldhad-egc ogoldkronhad-egc ogoldhad-mmse ogoldkronhad-mmse

BER mrc 0.2101 0.1950 0.1841 0.1749 0.1705 0.1686 0.1662 0.1644 0.1636 egc 0.1509 0.1211 0.0952 0.0743 0.0630 0.0541 0.0480 0.0456 0.0436 zf 0.2929 0.2470 0.2009 0.1563 0.1038 0.0679 0.0440 0.0251 0.0169 mmse 0.1519 0.1113 0.0776 0.0488 0.0299 0.0160 0.0089 0.0063 0.0054

Số user tích cực/Số user tối đa 32/32

Kênh truyền vô tuyến Kênh truyền fading Rayleigh không tương quan

Bảng 7.15: Thông số mô phỏng cho hình 7.12

Hình 7.12 BER theo E b /N o cho hệ thống PMC-MC-CDMA tuyến xuống với các phương pháp dò tìm tách sóng khác nhau

- Từ hình 7.12 trong bộ dò tìm tách sóng đơn user PMC-MC-CDMA và trong hệ thống MC-CDMA có dạng giống nhau

- Bộ dò tìm tách sóng MMSE cho kết quả tốt hơn trong số các bộ dò tìm tách sóng còn lại

BER mrc egc zf mmse

B E R mrc -sic 0.0150 0.0149 0.0153 0.0152 0.0151 0.0149 0.0150 0.0148 egc -sic 0.0098 0.0087 0.0076 0.0063 0.0052 0.0043 0.0038 0.0037 zf -sic 0.0105 0.0097 0.0087 0.0077 0.0057 0.0039 0.0022 0.0013 mmse -sic 0.0099 0.0079 0.0057 0.0032 0.0014 0.0004 0.0001 0.0000

Hình 7.13 Ứng dụng SIC trong các bộ dò tìm tách sóng để khảo sát BER theo E b /N o cho hệ thống PMC-MC-CDMA

BER mrc-sic egc-sic zf-sic mmse-sic

B E R zf 0.2924 0.2467 0.1973 0.1539 0.1055 0.0658 0.0385 0.0253 zf -sic 0.0102 0.0098 0.0088 0.0075 0.0052 0.0038 0.0022 0.0012 mmse 0.1506 0.1113 0.0779 0.0500 0.0290 0.0165 0.0090 0.0064 mmse -sic 0.0099 0.0080 0.0059 0.0033 0.0014 0.0004 0.0001 0.0000

Hình 7.14 So sánh ứng dụng SIC trong hệ thống PMC-MC-CDMA

- Ƣu điểm của SIC là làm giảm nhiễu MAI nhƣng không làm tăng nhiễu nền từ đó làm giảm tỉ lệ lỗi bit của hệ thống

BER zf zf-sic mmse mmse-sic

- Khi ứng dụng SIC vào bộ dò tìm tách sóng thì chất lƣợng đƣợc cải thiện đáng kể

Hình 7.15 là các đường biểu diễn BER theo tỉ số E b /N o cho hệ thống PMC-MC- CDMA tuyến xuống đồng bộ dùng bộ dò tìm ZF, với số người là 32 và số mã cho mỗi người dùng lần lượt là 1,2,3 và 4

Hình 7.15 BER theo E b /N o với tốc độ khác nhau của người dùng trong PMC-MC- CDMA tuyến xuống dùng bộ dò tìm tách sóng ZF

- Hình 7.17 cho thấy khi tốc độ dữ liệu của người dùng tăng lên thì tỉ lệ lỗi bit cũng tăng lên,điều này có thể giải thích do khi tăng tốc độ dữ liệu của một người dùng thì số ký tự dữ liệu được truyền đồng thời của người dùng đó trong hệ thống PMC-MC-CDMA cũng tăng lên , nếu xem một người dùng riêng biệt thì khi tăng tốc độ dữ liệu sẽ đồng nghĩa với việc tăng số người dùng ảo, sự ảnh hưởng qua lại của các tín hiệu người dùng ảo (MAI) làm cho chất lƣợng hệ thống suy giảm

Hình 7.16: so sánh ứng dụng trong các bộ tách sóng khác nhau các thông số theo bảng 7.18

Bảng 7.19: thông số mô phỏng cho hình 7.16

Hình 7.16 So sánh ứng dụng trong các bộ tách sóng khác nhau

0.1242 0.0789 0.0382 0.0150 0.0038 0.0006 0.0000 0.0000 Bảng 7.20: Kết quả mô phỏng cho hình 7.16

BER sud-zf-sic sud-mmse-sic mud-zf-sic mud-mmse-sic

Hình 7.16 cho thấy sud-mmse-sic cho kết quả tốt nhất.tuy nhiên nó cũng phức tạp nhất

Hình 7.17 mô tả tốc độ khác nhau của người dùng trong PMC-MC-CDMA tuyến lên dùng bộ dò tìm MRC

Chiều dài mã trãi rộng 128

Kênh truyền vô tuyến Kênh truyền Rayleigh không tương quan Bảng 7.21 : các thông số mô phỏng PMC-MC-CDMA tuyến lên đồng bộ

Hình 7.17 BER theo E b /N o với các tốc độ khác nhau của người dùng trong PMC-

MC-CDMA tuyến lên sử dụng MRC

- Hình 7.17 cho thấy khi tốc độ dữ liệu của người dùng tăng lên thì tỉ lệ lỗi bit cũng tăng lên

Hình 7.18 so sánh các phương pháp dò tìm tách sóng tuyến lên PMC-MC-CDMA

BER mrc zf-sic mmse-sic

BER mrc 0.1498 0.1275 0.0996 0.0880 0.0739 0.0697 0.0586 zf-sic 0.2269 0.1881 0.1359 0.0794 0.0359 0.0130 0.0029 mmse- sic 0.1184 0.0751 0.0544 0.0252 0.0096 0.0026 0.0005

Bảng 7.23 Kết quả mô phỏng hình 7.18

- Hình 7.18 cho thấy mmse-sic cho kết quả tốt nhất

7.3.2 Hệ thống MMC-MC-CDMA

Hình 7.19 & Hình 7.20 khảo sát BER theo SNR cho hệ thống MMC-MC-CDMA tuyến lên dùng Phương pháp dò tìm tách sóng MRC và EGC cho các tốc độ khác nhau của người dùng bằng việc thay đổi kích thước của tập mã thông tin (M=1,2,3 và 4)

Mã thông tin Walsh-Hadamard (N)

Mã người dùng Walsh-Hadamard (L)

Số user tích cực/Số user tối đa 16/16 Số mã thông tin cho mỗi user (M) 1,2,3,4

Kênh truyền vô tuyến Kênh truyền Fading Rayleigh không tương quan Bảng 7.24 các thông số mô phỏng hình 7.19 và 7.20

Bảng 7.25 kết quả mô phỏng hình 7.19

Hình 7.19 BER theo SNR cho MMC-MC-CDMA sử dụng MRC với giá trị M khác nhau

BPSK cho MMC-MC-CDMA dung MRC

Hình 7.20 BER theo SNR cho MMC-MC-CDMA sử dụng EGC với giá trị M khác nhau

- Hình 7.19 và 7.20 cho thấy khi tốc độ dữ liệu của người dùng tăng lên thì tỉ lệ lỗi bit cũng tăng lên

- Tốc độ của người dùng tăng lên thông qua sự tăng về kích thước của tập mã thông tin so sánh MRC và EGC trong MMC-MC-CDMA với số user tích cực là 10, các thông số nhƣ bảng 7.22

BPSK cho MMC-MC-CDMA dung EGC

Hình 7.21 So sánh EGC và MRC cho hệ thống MMC-MC-CDMA

- Hình 7.21 cho thấy phương pháp dò tìm tách sóng MRC cho kết quả tốt hơn phương pháp EGC

BER mmc-mc-cdma-egc mmc-mc-cdma-mrc

Hình 7.22 So sánh các phương pháp dò tìm tách sóng trong hệ thống MMC-

B E R mmc- egc 0.3450 0.3063 0.2308 0.1645 0.1093 0.0395 0.0155 0.0043 mmc- mrc 0.3395 0.2603 0.1900 0.1125 0.0530 0.0196 0.0051 0.0011 mmc- zf-sic 0.3714 0.3607 0.3432 0.2558 0.1722 0.1041 0.0388 0.008 mmc- mmse- sic

BER mmc-egc mmc-mrc mmc-zf-sic mmc-mmse-sic

- Hình 7.22 cho thấy khi ứng dụng SIC vào các bộ dò tìm tách sóng thì phương pháp MMSE-SIC cho kết quả tốt nhất

7.3.3 So sánh hệ thống PMC-MC-CDMA và MMC-MC-CDMA

MMC-MC-CDMA PMC-MC-CDMA

Mã người dùng Walsh-Hadamard

Mã thông tin (tập mã chung) Walsh-Hadamard

Số mã cho mỗi user (M) 4

Kênh truyền vô tuyến Kênh truyền Fading Rayleigh không tương quan

Bảng 7.29 Các thông số mô phỏng

B E R mmc-egc 0.3508 0.1855 0.0409 0.0024 0.0002 0.0000 mmc-mrc 0.2110 0.1690 0.1045 0.0527 0.0223 0.0053 pmc-egc 0.2867 0.2107 0.1430 0.0858 0.0344 0.0111 pmc-mrc 0.3348 0.2538 0.1960 0.1108 0.0505 0.0196

Hình 7.23 So sánh chất lƣợng MMC-MC-CDMA và PMC-MC-CDMA dùng pp tách sóng khác nhau

- Hình 7.23 cho thấy chất lƣợng MMC-MC-CDMA tốt hơn PMC-MC- CDMA , điều này có thể đƣợc giải thích nhƣ sau Trong PMC-MC-CDMA sử dụng nhiều mã trãi rộng đồng thời cho mỗi người dùng làm xuyên nhiễu trên mỗi người dùng tăng lên từ đó làm giảm chất lượng hệ thống trong khi đó MMC-MC-CDMA chọn một chuỗi mã duy nhất để truyền thông tin trong mỗi khoảng thời gian một ký tự M-aray

BER mmc-egc mmc-mrc pmc-egc pmc-mrc

Hình 7.24 So sánh chất lƣợng MMC-MC-CDMA và PMC-MC-CDMA dùng mmse-sic

- Hình 7.24 cho thấy chất lƣợng MMC-MC-CDMA tốt hơn PMC-MC- CDMA khi giá trị SNR tăng và có độ phức tạp nhiều hơn

BER pmc-mmse-sic mmc-mmse-sic

Tiêu đề	Ứng dụng SIC trong hệ thống Multicode-Multicarrier-CDMA
Tác giả	Đinh Quốc Trụ
Người hướng dẫn	PGS.TS Phạm Hồng Liên
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện tử
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2013
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	115
Dung lượng	2,5 MB