đồ án chuyên ngành '''' tìm hiểu các phương pháp điều khiển công suất mc-cdma bước cố định, đa mức ''''

Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM, một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến cũng như hữu tuyến.. Khi đó,

ĐỀ TÀI

Tìm hiểu các phương pháp điều khiển công

suất MC-CDMA : bước cố định, đa mức

Sinh viên thực hiện : Trần Công Khánh

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 4

Ý NGHĨA KHOA HỌC THỰC TIỂN 5

PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5

BẢNG TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC HÌNH 9

LỜI MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ CDMA VÀ KỸ THUẬT OFDM 12

1.2.2 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản 15

1.2.4 Hiệu ứng gần xa 19

1.2.5 Điều khiển công suất 19

1.3 KỸ THUẬT OFDM 20

1.3.1 Hệ thống OFDM 20

1.3.2 Kỹ thuật xữ lý tín hiệu OFDM 22

1.3.3 Đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM 22

1.3.4 Đặc điểm của kỹ thuật OFDM 24

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG MC-CDMA 26

2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 26

2.2 HỆ THỐNG MC-CDMA 26

2.2.1 Khái niệm MC-CDMA 26

2.2.2 Sơ đồ khối 27

2.3 MÁY PHÁT MC-CDMA 27

2.5 KÊNH TRUYỀN 31

2.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRIỆT NHIỄU 32

2.6.1 Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp 32

2.6.2 Phương pháp triệt nhiễu song song 32

2.7 VẤN ĐỀ DỊCH CỦA TẦN SỐ SÓNG MANG TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA 32

2.8 ƯU ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT MC-CDMA 36

2.9 NHƯỢC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT MC-CDMA 36

2.10 KẾT LUẬN CHƯƠNG 36

CHƯƠNG III : ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA 37

3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 37

3.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA 37

3.3 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA 38

3.4 HỒI TIẾP DƯƠNG TRONG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT ĐƯỜNG LÊN 42

3.5 CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA 43

3.5.1 Điều khiển công suất dựa vào người sử dụng: 43

3.5.2 Điều khiển công suất dựa vào băng tần: 44

3.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA 46

3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 47

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG 48

4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 48

4.2 CÁC THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 48

4.3 MÔ PHỎNG 49

4.3.1 Mô phỏng phương pháp điều khiển công suất fixed step 49

4.3.2 Mô phỏng phương pháp điều khiển công suất đa mức (multilevel)

50

4.4 SO SÁNH HAI PHƯƠNG PHÁP DỰA VÀO CÔNG SUẤT PHÁT, SNR, BER 52

4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 54

PHỤ LỤC 55

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN 65

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN 66

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Trong xã hội hiện đại ngày nay, trao đổi thông tin trở thành 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 Nhu cầu này ngày càng lớn nên số lượng khách hàng sử dụng thông tin di động ngày càng tăng, các mạng thông tin di động vì thế được mở rộng ngày càng nhanh Chính vì vậy, cần phải có các biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động hiện có Hệ thống CDMA ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ được nhiều user hơn so với các hệ thống ra đời trước đó Hơn nữa, so với hai phương pháp đa truy nhập truyền thống là phân chia theo tần

số FDMA và phân chia theo thời gian TDMA thì phương pháp truy nhập phân chia theo mã CDMA có những đặc điểm nổi trội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau…Và trong tương lai, nhu cầu về các dịch vụ số liệu sẽ ngày càng tăng, mạng thông tin di động không chỉ đáp ứng nhu cầu vừa đi vừa nói chuyện mà còn phải cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ đa dạng khác như truyền dữ liệu, hình ảnh và video… Chính vì vậy, vấn đề dung lượng và tốc độ cần phải được quan tâm đồng thời

Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM, một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến cũng như hữu tuyến Ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thông, hệ thống ít phức tạp hơn

Ý NGHĨA KHOA HỌC THỰC TIỂN

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, ý tưởng về kỹ thuật MC-CDMA đã ra đời, dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM MC-CDMA kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM: tốc độ truyền cao, tính bền vững với Fading chọn lọc tần số, sử dụng băng thông hiệu quả, tính bảo mật cao và giảm

độ phức tạp của hệ thống Chính vì vậy MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động trong tương lai

PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Tìm hiểu các phương pháp điều khiển công suất: bước cố định, đa mức

BẢNG TỪ VIẾT TẮT

ABS Adaptive Band Selection

ADC Analog to Digital Converter

AWGN Additive White Gaussian Noise

BER Bit Error Ratio

BPSK Binary Phase Shift Keying

CCI Co-Channel Interference

CDF Cumulative Distribution Function

CDMA Code Division Multiple Access

DAC Digital to Analog Converter

DFT Discrete Fourier Transform

FDM Frequency Division Multiplexing

FDMA Frequency Division Multiple Access

FEC Forward Error Correction

FFT Fast Fourier Transform

ICI Inter-Channel Interference

ICI Inter Carrier Interface

IMT-2000 International Mobile Telecommunication 2000

IS-95 Interim Standard 1995

ISI Inter Symbol Interference

IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

IFFT Inverse Fast Fourier Transform

MAI Multi Access Interference

MC-CDMA Multi-Carrier Code Division Multiple Access

MC DS-CDMA Multi-Carrier Direct Spread CDMA

MT-CDMA Multitone Code-Division Multiple-Access

MSC Mobile Switching Center

MRC Maximal Ratio Combining

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

PAPR Peak-to-Average Power Ratio

PRBS Pseudo Random Binary Sequence

PSTN Public Switched Telephone Network

P/S Parallel to Serial

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature Binary Phase Shift Keying

SNR Signal-to-Noise Ratio

S/P Serial to Parallel

TDMA Time Division Multiple Access

VDSL Very high bit rate Digital Subscriber Line

VCO Voltage-Controlled Oscillator

DANH MỤC HÌNH

Bảng 4.1: Bảng thông số mô phỏng

Hình 1.1 :Sơ đồ mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên

Hình 1.2 :Đồ thị hàm tự tương quan của chuỗi PRBS

Hình 1.3 :Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS

Hình 1.4: Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ

Hình 1.5: Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ

Hình 1.6: Phổ của tín hiệu FH – SS

Hình 1.7: Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH – SS

Hình 1.8 :Hiệu ứng gần - xa

Hình 1.9 :Sơ đồ khối hệ thống OFDM

Hình 1.10 :Đáp ứng tần số của kênh truyền đa đường

Hình 1.11 :Các tín hiệu đa đường

Hình 1.12 :So sánh việc sử dụng băng tần của FDM và OFDM

Hình 2.1 :Sơ đồ khối của hệ thống MC-CDMA

Hình 2.2 :Sơ đồ máy phát MC – CDMA ứng với user thứ k

Hình 2.3 :Phổ công suất của tín hiệu MC-CDMA

Hình 2.4 :Sơ đồ máy phát MC – CDMA sửa đổi ứng với user thứ k

Hình 2.5 :Sơ đồ máy thu MC – CDMA cho user thứ k

Hình 2.6 :Sơ đồ triệt nhiễu song song nhiều tầng

Hình 3.1 :Mô hình hệ thống với các users tích cực

Hình 3.2 :Điều khiển công suất dựa vào người sử dụng

Hình 3.3 :Điều khiển công suất dựa vào băng tần

Hình 4.1 :Giao diện mô phỏng chương trình

Hình 4.2 :Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất theo bước cố định(fixed-step) Hình 4.3 :Chương trình mô phỏng điều khiển công suất theo bước cố định Hình 4.4 :Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất đa mức (multi-level)

Hình 4.5 :Chương trình điều khiển công suất đa mức ( Multilevel)

Hình 4.6 : So sánh mức công suất phát của cả 2 phương pháp

Hình 4.7 : So sánh SNR thu được của 2 phương pháp

Hình 4.8 : Giá trị BER thu được ở 2 phương pháp

LỜI MỞ ĐẦU

Trong thời gian làm đề tài này, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức còn hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn và nguồn tài liệu chủ yếu là các bài báo tiếng Anh trên mạng nên đồ án còn nhiều sai sót Em rất mong nhận được sự phê bình, các ý kiến đóng góp chân thành của các thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của cô NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH cùng các thầy cô và bạn bè trong khoa để em hoàn thành đề tài này

Đà Nẵng, Ngày 20 tháng 11 năm 2011

Sinh viên thực hiện

Trần Công Khánh

CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ CDMA VÀ KỸ THUẬT OFDM

1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

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 có thể sử dụng đồng thời là một nhu cầu cấp thiết Các kỹ thuật đa truy nhập ra đời từ đó Kỹ thuật FDMA ra đời đầu tiên sau đó đến kỹ thuật TDMA và ngày nay, kỹ thuật CDMA đã ra đời, dựa trên nguyên lý trải phổ

và được sử dụng rộng rãi cho thông tin vô tuyến trên toàn thế giới CDMA

đã chứng tỏ được khả năng vượt trội so với các kỹ thuật analog hoặc digital khác Vì thế, trong chương này sẽ giới thiệu về nguyên lý CDMA, ba kỹ thuật trải phổ trong CDMA, chuỗi mã trải phổ PN và chuỗi mã trải phổ Walsh-Hardamard Chúng được sử dụng phổ biến trong hệ thống DS-CDMA và hệ thống MC-CDMA Chương này đề tài cũng nguyên cứu các

vấn đề liên quan tới hệ thống DS-CDMA

1.2 TỔNG QUAN VỀ CDMA

Lý thuyết về công nghệ CDMA được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960 Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mại hóa từ phương pháp thu GPS và Ommi-TRACS, phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống thông tin di động tổ ong của Qualcomm – Mỹ vào năm 1990

CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi Những người

sử dụng nói trên được phân biệt lẫn nhau nhờ dùng một mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai Kênh vô tuyến được dùng lại ở mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên Một kênh CDMA rộng 1.23 MHz với hai dải biên phòng vệ 0,27 MHz, tổng cộng 1,77 MHz CDMA dùng mã trải phổ có tốc đọ cắt (chip rate) 1,2288 MHz Dòng dữ liệu gốc được mã hóa và điều chế ở tốc độ cắt Tốc độ này chính là tốc độ mã đầu ra (mã trải phổ giả ngẫu nhiên, PN

Pseudonoise: giả tạp âm) của máy phát PN Một cắt là phần dữ liệu mã hóa qua cổng XOR

Để nén phổ lại tín hiệu gốc thì máy thu phải dùng mã trải phổ PN chính xác như khi tín hiệu được xử lý ở máy phát, Nếu mã PN ở máy thu khác hoặc không đồng bộ với mã PN tương ứng ở máy phát thì tin tức không thể thu nhận được

Trong CDMA sự trải phổ tín hiệu đã phân bố năng lượng tín hiệu vào một dải tần rất rộng hơn phổ của tín hiệu gốc Ở phía thu, phổ của tín hiệu lại được nén về lại phổ của tín hiệu gốc

1.2.1 Mã trải phổ

Có sáu chuỗi trải phổ cơ bản sau: Chuỗi giả ngẫu nhiên PN

(Pseudo-random Noise), chuỗi Gold, chuỗi Gold trực giao (Orthogonal Gold), chuỗi

Kasami, chuỗi Hadamarh Walsh và chuỗi GOLAY bù

Do trong phạm vi đề tài này chỉ nghiên cứu chuỗi giả ngẫu nhiên PN

và chuỗi Hadamarh Walsh

1.2.1.1 Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên:

Hình 1.1 Sơ đồ mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên là chuỗi tín hiệu nhị phân tuần hoàn nhưng có chu kỳ lặp lại rất lớn, do đó nếu không được biết trước quy luật của nó, người quan sát khó nhận biết được quy luật Ta gọi đó là chuỗi

giả ngẫu nhiên (PRBS: Pseudo Random Binary Sequence)[1],[2] Chuỗi

PRBS được tạo ra từ mạch chuỗi gồm ND-FlipFlop ghép liên tiếp nhau như hình 1.1

Hình 1.2 Đồ thị hàm tự tương quan của chuỗi PRBS Tùy theo vị trí đóng mở của các khoá mà ta có các tín hiệu hồi tiếp về khác nhau Có tối đa 2N – 1 trạng thái của ND-FF, loại bỏ trạng thái 00…0

vì nếu xuất hiện trạng thái này thì tín hiệu hồi tiếp về sẽ bằng không và các trạng thái sau đó đều bằng không Vì vậy, chiều dài cực đại của chuỗi là L = 2N – 1

Tính chất của chuỗi PRBS

+ Số bit 0 và số bit 1 trong một chu kỳ chuỗi gần bằng nhau

+ Tương quan chéo giữa mã PRBS và phiên bản bị dịch theo thời gian của nó rất nhỏ

Trong một chu kỳ:

Giá trị tương quan chéo của chuỗi là “ –1/L”

Giá trị tự tương quan của chuỗi là “1”

1.2.1.2 Chuỗi Hadamarh Walsh

Các hàm Walsh được tạo ra từ các ma trận vuông đặc biệt N×N gọi là các ma trận Hadamard Các ma trận này chứa một hàng toàn số 0 và các hàng còn lại có số số 1 và số số 0 bằng nhau Hàm Walsh được cấu trúc cho

độ dài khối N=2j

trong đó j là một số nguyên dương Các tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định như theo ma trận Hadamard như sau:

H1 [ 0 ], ,

10

002

0110

1100

1010

00004

H

N N

N N N

H H

H H

H2 (1.1)

Trong đó H N là đảo cơ số hai của HN

Trong thông tin di động CDMA, mỗi thuê bao sử dụng một phần tử trong tập các hàm trực giao để trải phổ Khi đó, hiệu suất sử dụng băng tần trong hệ thống sẽ lớn hơn so với khi trải phổ bằng các mã được tạo ra bởi các thanh ghi dịch

1.2.2 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản

- Trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS)

Quá trình đạt được bằng cách nhân nguồn tín hiệu vào với tín hiệu

mã giả ngẫu nhiên một cách trực tiếp tín hiệu trải phổ đưa ra có độ rộng phổ xấp xỉ tốc độ của mã giả ngẫu nhiên

- Trải phổ nhảy tần

Quá trính trải phổ đạt được bằng cách nhảy tần số sóng mang trên một tập lớn các tần số.Sự nhảy tần của tần số sóng mang được quyết định của các mã nhảy tần có dạng giả ngẫu nhiên được điều khiển bởi các từ mã trải phổ PN

1.2.2.1 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp

(DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum)

Bộ điều chế băng rộng d(t)

Bộ tạo mã

PN c(t)

Bộ tạo sóng mang

Máy phát

Bộ giải điều chế dữ liệu

Bộ tạo sóng mang

Bộ tạo mã

PN cr(t)

dr(t) Máy thu

Hình 1.3: Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS

Tín hiệu truyền đi được biểu diễn dưới dạng lưỡng cực, sau đó nhân trực tiếp với chuỗi giả ngẫu nhiên Ở máy thu, tín hiệu thu được nhân với chuỗi trải phổ lần nữa để tạo lại tín hiệu tin tức

Tín hiệu cần truyền đi là d(t), có dạng NRZ với d(t) = ±1, tốc độ bit fb Thực hiện nhân d(t) với chuỗi giả ngẫu nhiên c(t) có tốc độ bit fc với fc >>

tcosw)

()

(2)

(1.3) Trong đó: PS là công suất phát [W]

wo là tần số sóng mang [rad/s]

Nếu so sánh (2.3) với biểu thức của BPSK:

tcosw)

(2)

Ta nhận thấy: Với cùng công suất phát PS, chuỗi số d(t).c(t) có tốc độ chip fc chiếm dải phổ tần rộng hơn rất nhiều so với tín hiệu VBPSK có tốc độ bit fb, vì vậy, mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ trải phổ VDS-SS thấp hơn nhiều so với mật độ phổ công suất của tín hiệu không trải phổ VBPSK Nếu fc đủ lớn, mật độ phổ này sẽ rất thấp và xen lẫn với mức nhiễu nền khiến cho các máy thu thông thường rất khó khăn trong việc tách và lấy ra tín hiệu tin tức

Tại máy thu, tín hiệu VDS-SS được nhân với tín hiệu giả ngẫu nhiên cr(t) được tái

tạo ở máy thu, giải điều chế BPSK để thu lại tín hiệu tin tức ban đầu

Hình 1.5: Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ

1.2.2.2 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số

(FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum)

Hình 1.6: Phổ của tín hiệu FH – SS

Kỹ thuật FH – SS phát triển dựa trên điều chế BFSK Trong đó, tần số sóng mang được thay đổi liên tục theo một quy luật giả ngẫu nhiên (dựa trên chuỗi mã ngẫu nhiên sử dụng), nhờ vậy mà phổ của tín hiệu FH – SS được trải rộng trên trục tần số Thật vậy, ứng với một tần số sóng mang, dải tần số của tín hiệu BFSK là B, vậy với tín hiệu FH – SS dùng L (L = 2N-1, với N là chiều dài chuỗi mã) trạng thái nhảy tần, phổ tần của tín hiệu FH – SS sẽ trải rộng đến BFH = B x L như hình 1.6

Tín hiệu FH – SS được tạo bởi mạch tổng hợp tần số điều khiển bởi N+1 bit, trong đó bao gồm N bits của từ mã giả ngẫu nhiên và 1 bit số d(t) của tín hiệu thông tin cần truyền

1.2.3 Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA

Trong thiết kế hệ thống CDMA người ta mong muốn tăng lên tột độ số lượng các khách hàng gọi cùng lúc trong giải thông nhất định Khi công suất phát của mỗi máy di động được điều khiển bằng cách nó có thể tiếp nhận trạm gốc với tỷ lệ tín hiệu/nhiễu nhỏ nhất, dung lượng hệ thống được tăng lên rất cao Nếu công suất máy phát di động được nhận ở trạm gốc thấp quá thì không thể hi vọng chất lượng thoại tốt vì tỷ lệ lỗi bít quá cao Và nếu công suất nhận được ở trạm gốc cao thì có thể thu được chất lượng thoại cao hơn ở máy di động Tuy nhiên kết quả của sự tăng nhiểu trên các máy di

Hình 1.7: Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH – SS

Trộn, biến đổi tần lên d(t)

Bộ tạo mã

PN c(t)

Tổng hợp tần

Tổng hợp tần số

Bộ tạo mã

PN cr(t)

dr(t) Máy thu

Đồng

bộ

Giải điều chế

dữ liệu

động sử dụng các kênh chung dẫn đến chất lượng thoại bị giảm xuống trong khi toàn bộ các thuê bao không bị giảm xuống

1.2.4 Hiệu ứng gần xa

Hình 1.8 Hiệu ứng gần - xa Khi user B ở xa trạm gốc hơn so với user A, công suất từ B đến trạm gốc sẽ bị suy hao nhiều hơn và do đó, công suất của tín hiệu mong muốn là

B sẽ nhỏ hơn công suất nhiễu (công suất của A) Mức công suất mà trạm gốc nhận được từ mỗi user phụ thuộc vào khoảng cách từ user đó đến trạm gốc

Do mỗi user là một nguồn gây nhiễu cho các users khác và khi công suất của một user càng lớn, nó càng gây nhiễu cho các users khác Vì vậy, cần phải có một phương pháp để đảm bảo cho tất cả các users đều gửi cùng một mức công suất đến máy thu sao cho không có quan hệ bất lợi, không công bằng nào giữa các users Kỹ thuật điều khiển công suất được áp dụng cho các hệ thống CDMA để giải quyết vấn đề này

1.2.5 Điều khiển công suất

Hiệu ứng Gần – Xa như đề cập ở trên khiến ta phải sử dụng kỹ thuật điều khiển công suất đối với đường lên

Còn đối với đường xuống, tình huống lại hoàn toàn khác Các tín hiệu được truyền từ một trạm gốc là trực giao Do đó, về mặt lý thuyết, các tín hiệu trực giao này sẽ không gây nhiễu cho nhau Tuy nhiên điều này là không thể xảy ra do ảnh hưởng của môi trường, các tín hiệu bị phản xạ, nhiễu xạ … làm

cho các tín hiệu được truyền từ trạm gốc không còn là trực giao và chúng gây nhiễu cho nhau Vì vậy, điều khiển công suất cũng cần được áp dụng ở đường xuống Các tín hiệu phải được truyền với công suất nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được chất lượng của tín hiệu Như vậy, điều khiển công suất chống lại những thay đổi thất thường của nhiễu và làm giảm nhẹ sự ảnh hưởng của hiệu ứng Gần – Xa

Trong CDMA, điều khiển công suất được thực hiện cho cả đường lên lẫn đường xuống Về cơ bản, điều khiển công suất đường xuống có mục đích nhằm tối thiểu nhiễu đến các cell khác và bù nhiễu do các cell khác gây

ra cũng như nhằm đạt được mức SNR yêu cầu Tuy nhiên, điều khiển công suất cho đường xuống không thực sự cần thiết như điều khiển công suất cho đường lên Hệ thống CDMA sử dụng công suất đường xuống nhằm cải thiện tính năng hệ thống bằng cách kiểm soát nhiễu từ các cell khác

Điều khiển công suất đường lên tác động lên các kênh truy nhập và lưu lượng Nó được sử dụng để thiết lập đường truyền khi khởi tạo cuộc gọi và phản ứng lên có sự thay đổi tổn hao đường truyền lớn Mục đích chính của điều khiển công suất đường lên nhằm khắc phục hiệu ứng Gần – Xa bằng cách duy trì mức công suất truyền dẫn của các máy di động trong cell như nhau tại máy thu trạm gốc với cùng một QoS Do vậy việc điều khiển công suất đường lên là thực hiện tinh chỉnh công suất truyền dẫn của máy di động

1.3 KỸ THUẬT OFDM

OFDM là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao.OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp,mỗi kênh có một sóng mang.Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ kí tự.Vì vậy,phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống.Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ

1.3.1 Hệ thống OFDM

1.3.1.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM

vô tuyến bị ảnh hưởng bởi nhiễu fading và nhiễu trắng (additive white Gaussian noise - AWGN)

Tín hiệu dẫn đường là mẫu tín hiệu được biết trước ở cả hai phía phát

và phía thu, và được phát cùng với nguồn tín hiệu có ích với nhiều mục đích khác nhau như việc khôi phục kênh truyền và đồng bộ hệ thống

Máy thu thực hiện các chức năng ngược lại như đã thực hiện ở máy phát Tuy nhiên để khôi phục được tín hiệu phát thì hàm truyền của kênh vô tuyến cũng phải được khôi phục Việc thực hiện khôi phục hàm truyền kênh

Điều chế ở

băng tần cơ

sở

Chèn mẫu tin dẫn đường

IFF

T

Chèn chuổi bảo

vệ

Biến đổi số/tương

tự Kênh vô tuyến

Biến đổi tương tự/số

Tách chuổi bảo vệ

Cân bằng kênh

Khôi phục kênh truyền

Tách mẫu tin dẫn đường

vô tuyến được thực hiện thông qua mẫu tin dẫn đường nhận được ở phía thu Tín hiệu nhận được sau khi giải điều chế OFDM được chia làm hai luồng tín hiệu Luồng tín hiệu thứ nhất là tín hiệu có ích được đưa đến bộ cân bằng kênh Luồng tín hiệu thứ hai là mẫu tin dẫn đường được đưa vào bộ khôi phục kênh truyền kênh truyền sau khi được khôi phục cũng sẻ được đưa vào bộ cân bằng kênh để khôi phục lại tín hiệu ban đầu

1.3.2 Kỹ thuật xữ lý tín hiệu OFDM

1.3.2.1 Mã hóa sửa sai trước FEC

Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai trước FEC (Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin,

cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép mà không phải nâng cao giá trị của tỷ số E b / N0 (hoặc SNR), điều này càng thể hiện rõ ở kênh truyền

bị tác động của AWGN Mã hóa FEC được chia thành 2 loại mã chính:

+ Mã khối (Block coding)

+ Mã chập (Convolutional coding)

1.3.2.2 Sử dụng IFFT/FFT trong OFDM

OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ

FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn

1.3.3 Đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM

1.3.3.1 Sự suy hao

Suy hao là sự suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm khác Nó là kết quả của chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và

hiệu ứng đa đường Để giải quyết vấn đề này, phía phát thường được đưa lên càng cao càng tốt để tối thiểu số lượng vật cản Các vùng tạo bóng thường rất rộng, tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm Vì thế, nó còn

được gọi là fading chậm

Hình 1.10 Đáp ứng tần số của kênh truyền đa đường

1.3.3.2 Fading Rayleigh

Fading Rayleigh là loại Fading (Fading phẳng) sinh ra do hiện tượng

đa đường (Multipath Signal) và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh Loại fading này còn

được gọi là fading nhanh vì sự suy giảm công suất tín hiệu rõ rệt trên

khoảng cách ngắn (tại các nửa bước sóng) từ 10-30dB

Trong môi trường đa đường tín hiệu thu được suy giảm theo khoảng cách do sụ thay đổi pha của các thành phần đa đường (thay đổi pha là do các thành phần tín hiệu đến máy thu vào các thời điểm khác nhau đến trễ lan truyền Trễ lan truyền sẽ gây ra sự xoay pha của tín hiệu)

Hình 1.11 Các tín hiệu đa đường

Fading Rayleigh gây ra do sự giao thoa (tăng hoặc giảm) bởi sự kết hợp của các sóng thu được Khi bộ thu di chuyển trong không gian pha giữa các thành phần đa đường khác nhau thay đổi gây ra giao thoa cũng thay đổi,

từ đó dẫn đến sự suy hao công suất tín hiệu thu được Phân bố Rayleigh thường được sử dụng để mô tả trạng thái thay đổi theo thời gian của công suất tín hiệu nhận được

1.3.3.3 Fading lựa chọn tần số

Trong truyền dẫn vô tuyến đáp ứng phổ của kênh là không bằng phẳng,

nó bị dốc và suy giảm do phản xạ dẫn đến tình trạng có một vài tần số bị triệt tiêu tại đầu thu Phản xạ từ các vật gần như mặt đất, công trình xây dựng, cây cối có thể dẫn đến các tín hiệu đa đường có công suất tương tự như tín hiệu nhìn thẳng Điều này sẽ tạo ra các điểm “0”(nulls) trong công suất tín hiệu nhận được do giao thoa

1.3.3.4 Dịch Doppler

Khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số của tín hiệu tại bộ thu không giống với tần số tín hiệu tại bộ phát Cụ thể là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được

sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Doppler

1.3.4 Đặc điểm của kỹ thuật OFDM

1.3.4.1 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM

+ Khả năng chống nhiễu ISI, ICI nhờ kỹ thuật giảm tốc độ tín hiệu bằng bộ S/P, sử dụng tiền tố lặp, các sóng mang phụ trực giao với nhau

+ Hiệu suất sử dụng phổ cao hơn so với FDM do phổ của các sóng mang phụ có thể chồng phủ lên nhau mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu sau khi tách sóng

Hình 1.12 So sánh việc sử dụng băng tần của FDM và OFDM + Các kênh con có thể coi là các kênh Fading phẳng nên có thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin, giảm độ phức tạp của máy thu

+ Điều chế tín hiệu đơn giản, hiệu quả nhờ sử dụng thuật toán FFT và các bộ ADC, DAC đơn giản

1.3.4.2 Nhược điểm của kỹ thuật OFDM

+ Hệ thống OFDM tạo ra tín hiệu trên nhiều sóng mang, dải động của tín hiệu lớn nên tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn, hạn chế hoạt động của bộ khuếch đại công suất

+ Dễ bị ảnh hưởng của dịch tần và pha hơn so với hệ thống một sóng mang Vì vậy phải thực hiện tốt đồng bộ tần số trong hệ thống

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Mô hình CDMA được trình bày ngắn gọn trong chương này giúp ta nắm bắt được những lý thuyết cơ bản về hệ thống CDMA Qua đó ta thấy được hệ thống CDMA có rất nhiều ưu điểm nhưng để có thể ứng dụng cho việc truyền

dữ liệu đi được kiểm soát cũng như được bảo mật thì công việc trải phổ là rất quan trọng Và MC-CDMA là sự kết hợp giữa CDMA và OFDM

CHƯƠNG II: HỆ THỐNG MC-CDMA 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Thực tế cho thấy việc kết hợp giữa CDMA và OFDM cho phép chúng

ta sử dụng băng thông rất hiệu quả và vẫn đạt được những ưu điểm của hệ thống CDMA Sự kết hợp giữa CDMA và OFDM cho ra đời nhiều mô hình

đa truy cập mới Một trong những mô hình này là MC-CDMA Trong chương này chúng ta sẽ đi vào phân tích những đặc điểm cơ bản của hệ thống đa truy nhập MC-CDMA, các phương pháp triệt nhiễu, vấn đề dịch tần số, ưu điểm và nhược điểm của hệ thống MC-CDMA

2.2 HỆ THỐNG MC-CDMA

2.2.1 Khái niệm MC-CDMA

Năm 1993, ý tưởng về sự kết hợp giữa CDMA và OFDM dẫn đến việc

ra đời của ba mô hình đa truy cập mới:

MC-CDMA (MultiCarrier CDMA) là một hệ thống đa truy nhập mới dựa trên việc kết hợp giữa CDMA và OFDM Khác với CDMA trải phổ trong miền thời gian thì MC-CDMA trải phổ trong miền tần số Công nghệ này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM để phát tín hiệu trên tập sóng mang phụ trực giao

Máy phát MC – CDMA trải luồng dữ liệu gốc của user thứ k trong miền tần số nhờ một chuỗi mã cho trước Mỗi phần của một kí hiệu tương ứng với một chip của mã trải phổ dk( t ) dk( 1 ) dk( 2 ) dk( GMC) được truyền thông qua một sóng mang phụ khác

Hình 2.2 và 2.3 cho ta thấy máy phát MC-CDMA ứng với user thứ k

và phổ công suất của tín hiệu được truyền với G MC là độ lợi xử lý và

NC là số sóng mang phụ Trong trường hợp này G MC= N C

Trải phổ

P/S

Giải trải phổ

S/P FF

T

Kênh truyền IFFT

S/P

Hình 2.2 Sơ đồ máy phát MC – CDMA ứng với user thứ k

Hình 2.3 Phổ công suất của tín hiệu MC-CDMA

Hình 2.4 Sơ đồ máy phát MC – CDMA sửa đổi ứng với user thứ k

Tuy nhiên, không nhất thiết phải chọn GMC = NC, và trên thực tế,

f

Chèn khoảng

dự phòng

IFFT

Đổi tần

khi tốc độ truyền của luồng dữ liệu gốc đủ cao để trở thành đối tượng của Fading chọn lọc tần số thì luồng dữ liệu này cần được chuyển từ nối tiếp sang song song trước khi được trải phổ trong miền tần số Hình 2.4 chỉ ra

sơ đồ máy phát MC – CDMA đã sửa đổi nhằm đảm bảo Fading phẳng

Ở sơ đồ này, chuỗi dữ liệu ngõ vào có tốc độ bit là 1/Ts, được điều chế BPSK, tạo ra các ký tự phức ak . Luồng thông tin này ak được chuyển thành

P chuỗi dữ liệu song song (ak 1, i , ak 2, i , , ak , P i )

Mỗi ngõ ra của bộ biến đổi nối tiếp - song song được nhân với mã trải phổ của người dùng thứ k (dk 1 , dk 2 , dk G MC ) có chiều dài GMC để tạo

ra tất cả NC=PxGMC(tương ứng với tổng số sóng mang phụ) ký tự mới Mỗi

ký tự mới này có dạng tương tự như một ký tự trong hệ thống OFDM Ví dụ xét nhánh song song thứ 1, mỗi ký tự OFDM bây giờ là Si, k= ak 1, i dk k

Khoảng dự phòng được chèn vào giữa các ký tự để tránh ISI do Fading

đa đường và cuối cùng tín hiệu được phát trên kênh truyền sau khi đổi lên tần số cao

Tín hiệu phát băng gốc dạng phức như sau:

' '

2 '

k i

P

p

G

m p k

f là khoảng cách tần số nhỏ nhất giữa hai sóng mang phụ.(2.3)

Trong đó: dk 1 , dk 2 , dk G MC là mã trải phổ với chiều dàiK MC

là hệ số mở băng thông kết hợp với chèn khoảng dự phòng (0 1):

/PT s (2.4)

2.4 MÁY THU MC-CDMA

Tín hiệu nhận được sẽ được biến đổi FFT và đưa chúng trở lại tần số ban đầu, sau đó sẽ được giải trải phổ va giải mã chip trong miền tần số

Bộ thu là bộ OFDM thêm vào một công việc kết hợp để tách dữ liệu được phát đối với mỗi người sử dụng mong muốn

Giả sử hệ thống MC-CDMA có K người dùng đang truy cập, tín hiệu nhận được có dạng:

k m p k i

P

p G

m K

k

k p m

' '

2 ,

t và là thời gian và độ trễ, n(t) là nhiễu Gauss có giá trị trung bình bằng 0

và mật độ phổ công suất hai phía N0/2

Bộ thu MC-CDMA yêu cầu việc tách sóng được thực hiện đồng bộ để thao tác giải trải phổ thành công Sau khi đổi tần xuống và khử khoảng dự phòng , các sóng mang phụ thứ m (m = 1, 2 , GMC) tương ứng với dữ liệu thu là

ak. P i , đầu tiên được tách đồng bộ với FFT, ta thu được giá trị trên mỗi nhánh

là yp m Tiếp theo nhân yp m với độ lợi Gk(m) để kết hợp năng lượng tín hiệu rời rạc trong miền tần số, ta thu được giá trị trên mỗi nhánh Tín hiệu từ các nhánh được tổng hợp lai với nhau

D t iT G m y m

MC G

m k s

k

1

(2.7)

k s

m j s K

k

k

z m

y

1

(2.8)

Trong đó: y(m) là thành phần dải nền của tín hiệu nhận được sau khi đã

chuyển đổi xuống

s

iT

n là nhiễu Gauss phức của sóng mang phụ thứ i tại thời điểm t iT s

Hình 2.5 Sơ đồ máy thu MC – CDMA cho user thứ k

2.5 KÊNH TRUYỀN

Kênh truyền Fading Rayleigh chọn tần số biến đổi chậm là kênh truyền

điển hình trong hệ thống MC-CDMA băng rộng Kênh truyền của hệ thống

có băng thông rộng đƣợc chia thành N kênh băng hẹp mà mỗi kênh nhƣ

vậy chỉ chịu tác động của Fading phẳng (Fading không có tính chọn lọc tần

số), nghĩa là chỉ có một hệ số độ lợi trên mỗi kênh phụ Vì mỗi kênh truyền

phụ có độ lợi khác nhau nên khi xét đến kênh truyền của hệ thống thì nó là

kênh truyền có tính chọn lọc tần số

LPF Cos 2 f1t

Cos 2 f2t

Gk 1

Gk 2

LPF LPF

dự phòng

FFT

Đổi Tần

2.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP TRIỆT NHIỄU

2.6.1 Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp

Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp được thực hiện như sau: Giải điều chế cho một người dùng, tái tạo lại phần nhiễu đa truy cập của người dùng đó và loại trừ khỏi dạng sóng thu được Sau đó dạng sóng đã triệt bớt nhiễu này sẽ được dùng tách sóng cho người dùng kế tiếp Lặp lại quá trình xử lý trên cho đến khi tách sóng cho tất cả các người dùng

2.6.2 Phương pháp triệt nhiễu song song

Ngược với bộ triệt nhiễu nối tiếp là lần lượt giải điều chế cho các người dùng, sử dụng các bộ quyết định thử nghiệm từ tầng trước đó (các ngõ ra của

bộ tách sóng bất kỳ) để ước lượng và loại trừ tất cả nhiễu đa truy cập ( MAI ) cho mỗi người dùng Quá trình xử lý có thể lặp lại nhiều lần tạo nên bộ triệt nhiễu song song nhiều tầng, với hi vọng tăng độ tin cậy của các quyết định thử nghiệm khi ước lượng nhiễu đa truy cập

Hình 2.6 Sơ đồ triệt nhiễu song song nhiều tầng

2.7 VẤN ĐỀ DỊCH CỦA TẦN SỐ SÓNG MANG TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA

Hiệu quả của hệ thống MC-CDMA bị suy giảm nghiêm trọng theo dịch tần số Có hai nguyên nhân chính gây ra dịch tần số: Trải Doppler do thiết bị

di động ở tốc độ cao Sai lệch giữa bộ tạo dao động cho các sóng mang ở phía máy phát và ở phía máy thu Các dịch tần số do sự đồng bộ không chính xác giữa bộ tạo dao động ở phía máy phát và máy thu như nhau đối với tất cả các sóng mang phụ Trái lại, các dịch tần số do hiệu ứng Doppler lại khác nhau đối với từng song mang phụ bởi vì nó là hàm theo tấn số Vì sai lệch này là rất nhỏ so với khoảng cách giữa các sóng mang phụ là khoảng 30 Khz nên chúng ta xem xét dịch tần số do trải Doppler là một hiện tượng có đặc

Bộ tách sóng

Bộ triệt nhiễu song song thứ nhất

Bộ triệt nhiễu song song thứ m-

1