tổng quan về đa truy cập phân chia theo mã và đa sóng mang

Tiểu luận Kỹ thuật trải phổ và CDMA ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG o0o Tiểu luận môn học KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CDMA Đề tài: “TỔNG QUAN VỀ ĐA TRUY CẬP PHÂN CHIA THEO MÃ VÀ ĐA SÓNG MANG” GVHD : TS - TRẦN THỊ HƯƠNG HVTH : NGUYỄN HUY ANH - LÊ PHƯỚC CHUNG LỚP : CAO HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- K26 NIÊN KHÓA : 2012 - 2014 HVTH: Nguyễn Huy Anh - Lê Phước Chung Trang 1 Tiểu luận Kỹ thuật trải phổ và CDMA TỔNG QUAN VỀ ĐA TRUY CẬP PHÂN CHIA THEO MÃ VÀ ĐA SÓNG MANG Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) là một kỹ thuật ghép kênh trong đó một số người dùng truy cập đồng thời và bất đồng bộ vào một kênh bằng cách điều chế và lan truyền các tín hiệu mang thông tin với chuỗi chữ ký hiệu được gán trước. Gần đây, kỹ thuật CDMA đã được coi là một kỹ thuật để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện trong liên lạc vô tuyến di động[1], bởi vì nó có khả năng riêng của mình để ứng phó với tính chất không đồng bộ của lưu lượng truy cập dữ liệu đa phương tiện, để cung cấp công suất cao hơn so với các kỹ thuật truy cập thông thường như truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và truy cập phân chia theo tần số (FDMA), và để chống lại sự chọn lọc tần số các kênh có hại. Kỹ thuật CDMA chuỗi trực tiếp (DS-) và nhảy tần (FH) được đưa ra nghiên cứu rộng rãi. Mặt khác, phương pháp điều chế đa sóng mang thường được gọi là ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) đã thu hút được nhiều sự chú ý trong lĩnh vực thông tin vô tuyến. Điều này chủ yếu là do nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao trong một môi trường điện thoại di động gây ra một kênh vô tuyến có mức độ nguy hại cao. Để chống lại các vấn đề đó, OFDM cũng là một giải pháp. Vào năm 1993, một kỷ nguyên của ứng dụng công nghệ CDMA, có ba loại phương pháp đa truy nhập mới dựa trên sự kết hợp của kỹ thuật phân chia theo mã và kỹ thuật OFDM đã được đề xuất, đó là "đa sóng mang Multicarrier (MC-) CDMA", "đa sóng mang DS-CDMA," và "multitone (MT-) CDMA." Các phương pháp này được phát triển bởi các nhà nghiên cứu khác nhau, cụ thể là, MC-CDMA bởi N. Yee, JP. Linnartz và G. Fettweis [2], K. Fazel và L. Papke [3], và A. Chouly, A. Brajal và S. Jourdan [4]; Multicarrier DS-CDMA bởi V. DaSilva and E. S. Sousa [5]; và MT-CDMA bởi L. Vandendorpe [6], những tín hiệu này có thể dễ dàng truyền đi và nhận bằng cách sử dụng thiết bị biến đổi Fourier nhanh (FFT) mà không làm tăng độ phức tạp bên phát và bên thu, và có hiệu suất phổ cao do khoảng cách giữa các sóng mang con có mật độ tối thiểu. Bài viết này sẽ xét ba kỹ thuật Multicarrier CDMA, và thảo luận về ưu và nhược điểm của chúng đối với bên phát và bên thu, hiệu quả quang phổ và tỷ lệ lỗi bit (BER) đường xuống trong một kênh fading Rayleigh chậm có chọn lọc tần số. Kỹ thuật Muticarrier CDMA và các cấu trúc bên phát Kỹ thuật OFDM mạnh đối với fading lựa chọn tần số, nó có nhược điểm lớn là khó khăn trong việc đồng bộ hóa sóng mang con và nhạy cảm với bù tần số và khuếch đại không tuyến tính, mà kết quả từ thực tế là nó bao gồm rất nhiều sóng mang con với năng lượng quang phổ chồng chập và thể hiện một tính chất thay đổi trong đường bao của nó. HVTH: Nguyễn Huy Anh - Lê Phước Chung Trang 2 Tiểu luận Kỹ thuật trải phổ và CDMA Do đó, các kỹ thuật Multicarrier CDMA không tránh khỏi có những hạn chế tương tự. Tuy nhiên, sự kết hợp của tín hiệu OFDM và kỹ thuật CDMA có một lợi thế lớn là nó có thể làm giảm tỷ lệ symbol trong mỗi sóng mang con nhằm mục đích một symbol dài hơn dễ dàng truyền bán đồng bộ hơn. Các kỹ thuật Multicarrier CDMA được phân loại chủ yếu thành hai nhóm. Một là lan truyền các dòng dữ liệu ban đầu bằng cách sử dụng mã trải phổ được cho trước, và sau đó điều chế một sóng mang con khác nhau với mỗi chip (theo một nghĩa nào đó, hoạt động lan truyền trong miền tần số) [2-4], và các lan truyền nối tiếp-to-song song (S/P) khác chuyển đổi dòng dữ liệu sử dụng một mã trải phổ được cho trước, và sau đó điều chế sóng mang con khác nhau với mỗi dòng dữ liệu (các hoạt động lan truyền trong miền thời gian) [5, 6], tương tự như một kỹ thuật DS-CDMA bình thường. Để tập trung về sự khác biệt giữa các chương trình, trước hết chúng ta giải thích một kỹ thuật DS-CDMA cơ bản. Kỹ thuật DS-CDMA Bên phát DS-CDMA lan truyền các dòng dữ liệu ban đầu bằng cách sử dụng mã trải phổ được cho trước trong miền thời gian. Khả năng khử sự nhiễu multi-user được xác định bởi đặc tính tương quan chéo của các mã lan truyền. Ngoài ra, một kênh fading lựa chọn tần số được đặc trưng bởi sự chồng lấn của một số tín hiệu khác nhau với độ trễ khác nhau trong miền thời gian [1]. Do đó, khả năng phân biệt một thành phần từ các thành phần khác trong các tín hiệu tổng hợp nhận được được xác định bởi đặc tính tự động tương quan của các mã lan truyền. HVTH: Nguyễn Huy Anh - Lê Phước Chung Trang 3 Tiểu luận Kỹ thuật trải phổ và CDMA Hình 1a và 1b biểu diễn DS-CDMA bên phát của user thứ j cho kỹ thuật khóa dịch pha nhị phân / phát hiện kết hợp (CBPSK) và phổ năng lượng của tín hiệu truyền, tương ứng, với G DS biểu thị độ lợi xử lý và C j (t) = [C j 1 C j 2 C j GDS ] mã trải phổ của user thứ j. Kết hợp lan truyền trong miền tần số và điều chế đa sóng mang – Kỹ thuật MC-CDMA Bên phát MC-CDMA lây truyền các dòng dữ liệu ban đầu trên các sóng mang con khác nhau bằng cách sử dụng mã trải phổ được cho trước trong miền tần số [2-4]. Nói cách khác, một phần nhỏ của symbol tương ứng với một chip của mã trải phổ được truyền qua một sóng mang con khác nhau. Trong một kênh thông tin vô tuyến di động đường xuống, chúng ta có thể sử dụng các mã Hadamard Walsh là một tập trực giao tối ưu, bởi vì chúng tôi không cần phải chú ý đến các đặc điểm tự động tương quan của các mã trải phổ. Hình 2 a và b biểu diễn bên phát MC-CDMA của user thứ j cho chương trình CBPSK và phổ năng lượng của tín hiệu truyền, tương ứng, trong đó G MC biểu thị độ lợi xử lí, N C là số lượng sóng mang con, C j (t) = [C j 1 C j 2 C j GMC ] mã trải phổ của user thứ j. Trong [2], một kỹ thuật MC-CDMA được thảo luận với giả định rằng số lượng các sóng mang con và độ lợi xử lý đều là như nhau. Vì vậy, trong hình này, ta giả định Nc = G MC . HVTH: Nguyễn Huy Anh - Lê Phước Chung Trang 4 Tiểu luận Kỹ thuật trải phổ và CDMA HVTH: Nguyễn Huy Anh - Lê Phước Chung Trang 5 Tiểu luận Kỹ thuật trải phổ và CDMA Tuy nhiên, ta không lựa chọn N C = G MC , và thực chất, nếu tỷ lệ symbol ban đầu là đủ cao để trở thành fading lựa chọn tần số, tín hiệu cần phải được chuyển đổi S/P đầu tiên trước khi lan truyền trên miền tần số. Điều này là bởi vì nó là rất quan trọng đối với truyền đa sóng mang để có fading không lựa chọn tần số trên mỗi sóng mang con [7]. Hình 3 cho thấy việc sửa đổi để đảm bảo fading không lựa chọn tần số, trong đó Ts biểu thị độ dài symbol ban đầu, và các chuỗi dữ liệu ban đầu chuyển đổi trước tiên thành chuỗi P song song, và sau đó mỗi chuỗi được ánh xạ lên G MC sóng mang con (N C = P x G MC ). Ngoài ra, lựa chọn đúng đắn số sóng mang con và khoảng bảo vệ rất quan trọng để tăng sự vững mạnh chống lại fading lựa chọn tần số. Cho đặc tính của một kênh fading đa đường nhanh có chọn lọc tần số, tồn tại giá trị tối ưu để giảm thiểu BER trong số sóng mang con và chiều dài của khoảng bảo vệ [8]. HVTH: Nguyễn Huy Anh - Lê Phước Chung Trang 6 Tiểu luận Kỹ thuật trải phổ và CDMA Kết hợp của lan truyền trong miền thời gian và điều chế đa sóng mang Có hai kỹ thuật tương ứng với phương pháp này. Trong cả hai kỹ thuật, khi thiết lập số lượng sóng mang con là một, chúng trở nên tương đương với một kỹ thuật DS-CDMA bình thường. Kỹ thuật DS-CDMA đa sóng mang Máy phát Multicarrier DS-CDMA lan truyền dòng dữ liệu đã chuyển đổi S/P sử dụng một mã trải phổ được cho trước trong miền thời gian để kết quả phổ của mỗi sóng mang con có thể đáp ứng các điều kiện trực giao với sự rời rạc tần số tối thiểu [5]. Kỹ thuật này ban đầu được đề xuất cho đường uplink của kênh truyền thông, bởi vì sự ra đời của tín hiệu OFDM trong kỹ thuật DS-CDMA là hiệu quả cho việc thiết lập một kênh bán đồng bộ. Hình 4a và b biểu diễn DS-CDMA đa sóng mang bên phát của user thứ j và phổ năng lượng của tín hiệu truyền, tương ứng, với G MD biểu thị độ lợi xử lý, N C là số lượng sóng mang con, C j (t) = [C j 1 C j 2 C j GMD ] mã trải phổ của user thứ j. Trong [9], một kỹ thuật đa sóng mang dựa vào DS-CDMA với khoảng cách các sóng mang con lớn hơn được đề xuất để mang lại cả sự cải thiện về đa dạng tần số và khử HVTH: Nguyễn Huy Anh - Lê Phước Chung Trang 7 Tiểu luận Kỹ thuật trải phổ và CDMA nhiễu băng hẹp. Thêm vào đó, một kỹ thuật đa sóng mang dựa vào DS-CDMA để truyền tải cùng một dữ liệu sử dụng nhiều sóng mang con, được đề xuất trong [10]. Kỹ thuật MT-CDMA HVTH: Nguyễn Huy Anh - Lê Phước Chung Trang 8 Tiểu luận Kỹ thuật trải phổ và CDMA Bên phát MT-CDMA lan truyền dòng dữ liệu đã chuyển đổi S/P sử dụng mã trải phổ được cho trước trong miền thời gian nhằm mục đích phổ của mỗi sóng mang con trước đó để hoạt động lan truyền thỏa mãn điều kiện trực giao với khoảng cách tần số nhỏ nhất [6]. Do đó, kết quả phổ của mỗi sóng mang con không còn đáp ứng các điều kiện trực giao. Kỹ thuật MT-CDMA sử dụng mã trải phổ tương ứng với số lượng sóng mang con, so với kỹ thuật DS-CDMA bình thường (đơn sóng mang), vì vậy, hệ thống có thể phục vụ nhiều người dùng hơn các kỹ thuật DS-CDMA. Hình 5a và b biểu thị bên phát MT-CDMA của user thứ j đối với kỹ thuật CBPSK và phổ năng lượng của tín hiệu truyền đi tương ứng, với G MT biểu thị độ lợi xử lý, N C là số sóng mang con, và C j (t) = [C j 1 C j 2 C j GMT ] là mã trải phổ của user thứ j. So sánh các tính năng hệ thống Bảng 1 biểu thị sự so sánh các tính năng hệ thống. Khi một xung hình chữ nhật được sử dụng trong kỹ thuật DS-CDMA, tương tự như các kỹ thuật khác, băng thông cần thiết của MC-CDMA và Multicarrier DS-CDMA hầu như rộng gần bằng một nửa của kỹ thuật DS-CDMA, và kỹ thuật MT-CDMA hầu như cùng một băng thông như kỹ thuật DS-CDMA. Tuy nhiên, khi bộ lọc Nyquist với một yếu tố rolloff nhỏ được sử dụng trong kỹ thuật DS-CDMA, băng thông cần thiết của MC-CDMA và kỹ thuật Multicarrier DS- CDMA có thể so sánh được với kỹ thuật DS-CDMA. CẤU TRÚC BÊN THU Kỹ thuật DS-CDMA Bên thu DS-CDMA người dùng đơn Rake chứa các bộ đa tương quan, mỗi bộ được đồng bộ hóa với một đường phân giải khác nhau trong các tín hiệu tổng hợp thu được (hình 1c). Khả năng tỷ lệ lỗi bit BER phụ thuộc vào có bao nhiêu finger bên thu Rake sử dụng. Thông thường, 1,2,4,4-finger bên thu Rake sử dụng tùy thuộc vào giới hạn phần cứng. Ngoài ra, khi các bộ lọc Nyquist được giới thiệu trong các máy phát và thu cho định hình xung băng tần cơ sở, máy thu Rake có thể kết hợp sai đường dẫn. Điều này là do nhiễu gây ra biến dạng trong một đặc tính tự động tương quan thường dẫn đến sai tương quan. Trong một hệ thống DS-CDMA dựa trên cấu trúc Rake, công suất hệ thống được giới hạn bởi nhiễu tự kích (SI) và nhiễu đa truy nhập (MAI), mà là kết quả của đặc tính tự động tương quan không hoàn hảo và đặc tính tương quan chéo không hoàn hảo của mã trải phổ tương ứng. Một máy thu đơn người dùng xử lý các tín hiệu thu được do người dùng khác kích hoạt như sự nhiễu trạm, trong khi một bộ phát hiện đa người dùng (MUD), người nhận cùng HVTH: Nguyễn Huy Anh - Lê Phước Chung Trang 9 Tiểu luận Kỹ thuật trải phổ và CDMA nhau phát hiện những tín hiệu để giảm thiểu các thuộc tính không trực giao của các tín hiệu nhận được. Kết quả là, hiệu suất được cải thiện nhiều. Tuy nhiên, có thể kết luận rằng đó là khó khăn cho máy thu DS-CDMA để tận dụng năng lượng tín hiệu nhận được rải rác trong miền thời gian. Kỹ thuật MC-CDMA Trong một máy thu MC-CDMA tín hiệu nhận thu được cộng kết hợp trong miền tần số, do đó, người nhận có thể luôn luôn sử dụng tất cả năng lượng tín hiệu nhận được rải rác trong miền tần số. Chúng tôi tin rằng đây là lợi thế chính của kỹ thuật MC-CDMA với các kỹ thuật khác. Tuy nhiên, thông qua một kênh fading lựa chọn tần số, tất cả các sóng mang con có các mức biên độ và dịch pha khác nhau (mặc dù chúng có mối tương quan cao giữa các sóng mang con), nó cho kết quả là sự biến dạng của tính trực giao giữa các người dùng. Hình 2c cho thấy máy thu MC-CDMA của người dùng thứ j’, sau khi chuyển đổi nối tiếp- song song, các sóng mang con m-thứ được nhân lên với độ lợi qmj¢ để kết hợp năng lượng tín hiệu thu được rải rác trong miền tần số. Biến quyết định được đưa ra bởi: với Ở đây, y m và n m là thành phần baseband phức hợp của các tín hiệu nhận được sau khi chuyển đổi xuống với sự đồng bộ tần số sóng mang con và nhiễu Gaussian cộng phức hợp tại các sóng mang con thứ m tương ứng, z m j và a j là những đường bao phức hợp của sóng mang con thứ m và symbol phát cho người dùng thứ j tương ứng, và J là số lượng người dùng tích cực. Ta có thể giả định z m j = zm (j=1,2….J) trong kênh đường xuống. Trực giao khôi phục kết hợp (ORC) Trong đường downlink, chọn độ lợi q m j’ = c m j’ z m * /|z m | 2 , máy thu có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu đa người dùng [4,7]: Tuy nhiên, các sóng mang con ở mức thấp có xu hướng được nhân tăng cao, và các thành phần nhiễu được khuếch đại tại sóng mang con yếu hơn. Ảnh hưởng của sự khuếch đại nhiễu này làm giảm hiệu suất BER, mặc dù không có lỗi nền trong phương pháp này. Kiểm soát cân bằng (CE-control equalization) HVTH: Nguyễn Huy Anh - Lê Phước Chung Trang 10 [...]... thể áp dụng cho cả kênh tải lên và tải xuống Kỹ thuật DS-CDMS đa sóng mang Hình 4c biểu thị bên thu DS-CDMA đa sóng mang Thông thường, nó bao gồm Nc máy thu ( không phải kiểu Rake) thống nhất, vì đó là điều quan trọng để có fading không lựa chọn tần số trên mỗi sóng mang con[5] Do đó, không có sửa lỗi (FEC) giữa các sóng mang con, kỹ thuật này có thể không đạt được sự đa dạng tần số Kỹ thuật MT-CDMA... đường có công suất trung bình như nhau và đường dẫn chậm trễ đồng nhất trong khoảng từ 0 đến TS Để thực hiện một so sánh công bằng, chúng tôi giả định các lợi ích xử lý GDS = 31 (Mã Gold), GMC = 32 (Mã Hadamard Walsh), GMD = 31 (Mã Gold), GMT = 63 (NC = 2) và 127 (NC = 4) (Mã Gold) Ngoài ra, chúng tôi giả định đồng bộ sóng mang con hoàn hảo và ước lượng trạng thái sóng mang con Đưa ra một kênh fading lựa... nghịch với đường bao sóng mang phụ để phục hồi tính trực giao giữa các người dùng Trong [4], phương pháp dựa trên kết hợp sai số trung bình bình phương tối thiểu (MMSE) tiêu chuẩn đã được đề xuất, mà thích ứng những ước lượng độ lợi tối ưu có tính đến mối tương quan giữa các sóng mang phụ Khả năng tối đa phát hiện đa user (ML MUD) Khi tất cả các người sử dụng biết và cho j = 1, 2,…, J và m = 1, 2,…, GMC... mặc dù nó đòi hỏi việc ước lượng thông tin trạng thái sóng mang con và năng lượng nhiễu, và thông tin về số lượng user hoạt động HVTH: Nguyễn Huy Anh - Lê Phước Chung Trang 17 Tiểu luận Kỹ thuật trải phổ và CDMA Kết luận Bài viết này đánh giá các kỹ thuật Multi-Carrier CDMA cơ bản như MC-CDMA, Multicarrier DS-CDMA và Multione CDMA, và thảo luận về những ưu nhược điểm của chúng với kỹ thuật DS-CDMA... tính này, nhiễu xuyên sóng mang con tăng tỷ lệ thuận với số lượng sóng mang con, ít ảnh hưởng đến quá trình phát hiện, như so với hiệu quả cải thiện BER do sử dụng mã trải phổ dài hơn Hình 10 cho thấy so sánh BER của máy thu Rake 2 finger dùng kỹ thuật DS-CDMA, kỹ thuật MC-CDMA với MMSEC, kỹ thuật Multicarrier DS-CDMA và máy thu Rake 2 finger dùng kỹ thuật MT-CDMA với 2 sóng mang con Từ kết quả cho... ước lượng tập hợp khác của dựa trên tiêu chuẩn khả năng xảy ra tối đa Phương pháp này cần phải biết mã lan truy n được gán cho tất cả các người dùng hoạt động, và yêu cầu ước lượng của zm Decorrelating và nhiễu cancelers MMSE (DIC và MMSEIC) Các phương pháp này hủy bỏ MAI bởi ước lượng thích nghi nó dựa trên các tiêu chí decorrelation và MMSE, tương ứng Các DIC cố gắng decorrelate mỗi đầu ra Canceler... phổ và CDMA Do đó, đưa ra một kênh chọn lọc tần số, hiệu suất tốt nhất của chương trình DS-CDMA (cho một người dùng duy nhất với một đặc trưng tự tương quan hoàn hảo của mã trải phổ) là tương tự như của chương trình MC-CDMA (cho một người dùng duy nhất) Nó cũng có nghĩa là chúng ta không thể giả định một đặc tính độc lập tại mỗi sóng mang con ngay cả khi chúng ta sử dụng một tần số lý tưởng và chèn vào,... ứng, nơi mà 1024 sóng mang con và 1 phần trăm khoảng bảo vệ được sử dụng để có tần số fading không lựa chọn trên mỗi sóng mang con [7], Ngoài ra, trong hình này, hiệu suất của chương trình MC-FDMA, trong đó năm 1024 sóng mang con được sử dụng là tốt nhất và một tập hợp khác của 32 sóng mang con được gán cho một người dùng khác nhau, được chỉ ra Hiệu suất BER của chương trình MC-FDMA [13] được cho bởi:... Multicarrier DS-CDMA, với 1024 sóng mang con và 1 phần trăm khoảng bảo vệ được giới thiệu là tốt Khi chúng ta không tính đến kỹ thuật FEC và kỹ thuật chèn, hiệu suất BER thấp hơn được giới hạn bởi cùng biểu thức cho kỹ thuật MC-FDMA, bởi vì nó không thể đạt được tần số và hiệu ứng đa dạng thời gian Hình 9 cho thấy BER của kỹ th MT-CDMA với máy thu Rake 2 finger, tương ứng với Nc = 2 và Nc = 4 Kỹ thuật MT-CDMA... quả các mã trải phổ lớn hơn trong việc giảm SI và MAI, so với các mã trải phổ của kỹ thuật DS-CDMA thông thường Kỹ thuật MT-CDMA có thể làm tốt hơn kỹ thuật DS-CDMA trong một kênh sử dụng kỹ thuật này HVTH: Nguyễn Huy Anh - Lê Phước Chung Trang 13 Tiểu luận Kỹ thuật trải phổ và CDMA Một bộ cân bằng phản hồi quyết định (DFE), một bộ cân bằng tuyến tính (LE), và một bộ triệt/cân bằng nhiễu đa truy nhập . trải phổ và CDMA TỔNG QUAN VỀ ĐA TRUY CẬP PHÂN CHIA THEO MÃ VÀ ĐA SÓNG MANG Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) là một kỹ thuật ghép kênh trong đó một số người dùng truy cập đồng thời và bất đồng. thuật trải phổ và CDMA ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG o0o Tiểu luận môn học KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CDMA Đề tài: “TỔNG QUAN VỀ ĐA TRUY CẬP PHÂN CHIA THEO MÃ VÀ ĐA SÓNG MANG GVHD. lưu lượng truy cập dữ liệu đa phương tiện, để cung cấp công suất cao hơn so với các kỹ thuật truy cập thông thường như truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và truy cập phân chia theo tần số