Nghiên cứu về mã trải phổ và ứng dụng của nó trong kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tôi xin cam đoan thông tin trích dẫn luận văn rõ nguồn gốc Ngày 10 tháng năm 2015 Học viên Đặng Quyết Tiến LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập làm luận văn tốt nghiệp em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ thầy cô giáo bạn bè đồng nghiệp Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn đồ án PGS TS Lê Quốc Vượng thầy cô khoa Điện-Điện tử, Viện Đào tạo sau Đại học Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam Vì thời gian có hạn kiến thức hạn chế, nên luận văn em không tránh khỏi thiếu sót Em mong nhận góp ý chân thành thầy cô bạn bè Em xin chân thành cảm ơn ! Ngày 10 tháng năm 2015 Học viên Đặng Quyết Tiến BẢNG TRA CỨU CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Tạp âm Gao xơ trắng cộng tính Điều chế số dịch pha nhị phân Ða truy nhập phân chia theo mã AWGN Additive White Gaussian Noise BPSK Binary Phase Shift Keying CDMA Code Division Multiple Access CNR Carrier to Noise Ratio Tỉ số sóng mang tap âm DS Direct Sequence Dãy trực tiếp FFH Frequency Division Multiple Access Fast Frequency Hopping Ða truy nhập phân chia theo tần số Nhảy tần nhanh FH Frequency Hopping Nhảy tần FSK Frequency Shift Keying Điều chế số dịch tần GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu PG Processing Gain Ðộ tăng ích xử lý PN Pseudo-Noise Giả tạp âm PSD Power Spectral Density Mật phổ công suất QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế số dịch pha cầu phương SFH Slow Frequency Hopping Nhảy tần chậm SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu tạp âm SS Spread Spectrum Trải phổ SSMA Spread Spectrum Multiple Access Ða truy nhập trải phổ TDMA Time Division Multiple Access TH Time Hopping FDMA Ða truy nhập phân chia theo thời gian Nhảy thời gian MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 11 I GIỚI THIỆU 11 II CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ 12 III HÀM TỰ TƯƠNG QUAN MẬT ĐỘ PHỔ CÔNG SUẤT 16 1.3 Hàm tự tương quan mật phổ công suất (PSD) 16 1.3.1 Các tín hiệu tất định 16 1.3.2 Các tín hiệu ngẫu nhiên 18 1.3.3 Các tín hiệu nhị phân băng gốc 20 1.3.4 Các tín hiệu băng thông 22 CHƯƠNG 2: CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ I CÁC HỆ THỐNG TRẢI PHỔ DÃY TRỰC TIẾP DS/SS 25 25 2.1.1 Tín hiệu giả tạp 25 2.1.2 Các hệ thống DS/SS-BPSK 28 Máy phát 28 Máy thu 28 Mật phổ công suất 32 Độ lợi xử lý (Processing Gain – PG) 34 2.1.3 Các hệ thống DS/SS-QPSK 34 2.1.4 Hiệu suất hệ thống DS/SS 39 2.1.5 Các hệ thống nhảy tần FH/SS 39 2.1.6 Các hệ thống trải phổ nhảy thời gian hệ thống lai ghép 39 CHƯƠNG MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 3.1 Mô tương quan loại mã trải rộng 40 41 3.2 Mô hệ thống MC MC CDMA 44 3.2.1 Mô hệ thống MC CDMA 44 3.2.2 Mô hệ thống MTC MC CDMA 48 3.2.2.1 Hệ thống MC CDMA (Multicode CDMA 49 3.2.2.2 Hệ thống MTC MC CDMA 53 PHẦN KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 DANH MỤC BẢNG BIỂU Trang Bảng 3.1 Các thông số mô 43 Bảng 3.2 Các thông số mô 48 DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 sơ đồ khối chức hệ thống thông tin trải phổ điển hình 14 Hình 1.2 thể nhị phân ngẫu nhiên 21 Hình 1.3 Hàm tự tương quan PSD tín hiệu nhị phân ngẫu nhiên X(t) 23 Hình 1.4 Hàm tự tương quan PSD tín hiệu nhị phân điều chế Y(t) 24 Hình 2.1 Một ví dụ tín hiệu PN c(t), tạo nên từ dãy PN có chi kỳ N=15 26 Hình 2.2 Hàm tự tương quan dãy PN nhận từ dãy m 28 Hình 2.3 Sơ đồ khối máy phát DS/SS-BPSK 30 Hình 2.4 Sơ đồ khối máy thu DS/SS – BPSK 30 Hình 2.5 PSD tin tức, tín hiệu PN tín hiệu DS/SS-BPSK 33 Hình 2.6 Dạng sóng hệ thống DS/SS-QPSK 36 Hình 2.7 Sơ đồ khối máy thu hệ thống DS/SS-QPSK 36 Hình 2.8 Các ví dụ c1 (t), c2 (t) nhận từ c(t) 38 Hình 3.1 Giao diện mô hệ thống MC CDMA 40 Hình 3.2 Giao diện mô hệ thống MTC MC CDMA 40 Hình 3.3 Đặc tính tương quan chuỗi Mseq L = − = 127 41 Hình 3.4 Đặc tính tương quan chuỗi Gold L = − = 127 41 Hình 3.5 Đặc tính tương quan chuỗi Kasami L = − 42 Hình 3.6 Đặc tính tương quan chuỗi Hadamard L=128 43 Hình 3.7 BER hệ thống MC CDMA, mã WH: tách sóng đơn USER (MRC), 32 sóng mang 45 Hình 3.8 BER hệ thống MC CDMA với MRC, EGC, MMSEC; 64 sóng mang phụ; 32 user; WH code 46 Hình 3.9 Mô BER theo USER; SNR=10dB; 64 sóng mang; WH code 47 Hình 3.10 Mô BER; WH code, tách sóng đa user; PINV; 32 sóng mang 48 Hình 3.11 MC CDMA môi trường AWGN 49 Hình 3.12 MC CDMA môi trường fading Rayleigh 50 Hình 3.13 MC CDMA môi trường fading Rayleigh với kích thước tập mã multi-code khác 51 Hình 3.14 Hệ thống MC–MC-CDMA; So sánh BER theo số user; có điều khiển tốc độ thích nghi 52 Hình 3.15 MTC-MC-CDMA môi trường AWGN 53 Hình 3.16 MTC-MC-CDMA môi trường fading Rayleigh 54 Hình 3.17 MTC-MC-CDMA môi trường fading Rayleigh với kích thước tập mã multi-code khác 55 Hình 3.18 MTC-MC-CDMA điều khiển tốc độ thích nghi 56 Hình 3.19 So sánh BER theo số user ; có điều khiển tốc độ thích 57 Hình 3.20 MTC-MC-CDMA điều khiển tốc độ thích nghi môi trường fading rayleigh với kích thước tập mã multi-code khác 57 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, thông tin liên lạc đóng vai trò quan trọng lĩnh vực đời sống xã hội từ kinh tế, trị, quân sự, văn hóa, giáo dục Thông tin liên kết ngành, nước giới, nông thôn thành thị, đất liền với biên giới hải đảo với miền tổ quốc Cùng với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật giới, công nghệ viễn thông nói chung ngành thông tin vô tuyến nước ta nói riêng có bước phát triển vượt bậc Công nghệ thay đổi, sách báo công khai qua trang mạng Internet trải phổ phong phú, ứng dụng trải phổ mở rộng từ lĩnh vực quân sang lĩnh vực thương mại Ví dụ hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng đa truy nhập trải phổ (CDMA) ngày phổ biến giới, hệ thống di động hệ (3G) cao trọn trải phổ làm phương pháp đa truy nhập Được hướng dẫn dạy nhiệt tình thầy giáo PGS Lê Quốc Vượng thầy giáo Bộ môn Kỹ thuật điện tử- Khoa Điện tử Viễn thông Tôi chọn đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu mã trải phổ ứng dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)” Với mục đích nhằm vận dụng kiến thức học xây dựng mô hình tổng quan ứng dụng kỹ thuật công nghệ CDMA Mục đích nhiệm vụ nghiên cứu Mục đích nghiên cứu: Đưa giải pháp kỹ thuật mô hình mạng trải phổ đa truy nhập phân chia theo mã công nghệ CDMA Đồng thời đưa cở sở lý thuyết tảng chuẩn viễn thông giới Trong nội dung luận văn tốt nghiệp“Nghiên cứu mã trải phổ ứng dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)” em xin giới thiệu tổng quát công nghệ CDMA ứng dụng hệ thống thông tin trải phổ Luận văn gồm nội dung sau: * Chương 1: Tổng Quan * Chương 2: Các hệ thống thông tin trải phổ * Chương 3: Một số kết mô Mục đích luận văn nêu nguyên lý chung, cấu trúc ưu nhược điểm công nghệ CDMA Đồng thời nêu ứng dụng thông tin vô tuyến hướng phát triển tương lai Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Đối tượng nghiên cứu Các hệ thống thông tin trải phổ Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết hệ thống thông tin trải phổ, mô hình toán học cho hệ thống Nghiên cứu lý thuyết hệ thống thông tin trải phổ kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã, xây dựng mô hình toán học Xây dựng số kết mô hệ thống Phương pháp nghiên cứu đề tài Nghiên cứu sở lý thuyết, kết hợp với kết mô phần mềm Matlab để kiểm chứng Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đề tài thực thành công hoàn thiện thêm kiến thức hệ thống công nghệ đa truy nhâp CDMA Nghiên cứu mô hình toán học toàn hệ thống đa truy nhập CDMA, cung cấp sở để nghiên cứu mã trải phổ thực tế Xây dựng thành công mô hình mô cho toàn hệ thống góp phần kiểm nghiệm lại cần thiết tính ưu việt mã cho công nghệ CDMA, tạo sở để nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN I GIỚI THIỆU Phổ tần vô tuyến từ lâu coi tài nguyên công cộng quý báu quốc gia tự nhiên Việc bảo vệ tăng cường tài nguyên hạn chế trở thành hoạt động quan trọng phổ tần vô tuyến tài nguyên hữu hạn, song dùng lại Nó dùng lại theo nghĩa người ngừng dùng tần số 10 MC-CDMA BERvsSNR 10 -1 Average bit error rate 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 SNR(dB) 10 12 Hình 3.10 Mô BER;WH code, tách sóng đa user; PINV; 32 sóng mang 3.2.2 Mô hệ thống MTC MC CDMA Bảng 3.2 Các thông số mô Thông số Chiều dài chuỗi multi-code Kích thước tập chuỗi multi-code M Số lượng sóng mang phụ Giá trị 256 2, 4, 8, 16, 32, 128, 256 16 Mã trải phổ ký hiệu m-sequence * Các bước thực mô : Bước 1: Tạo tập chuỗi mã multi-code; mã trải phổ; chuỗi bit liệu Bước 2: Tạo kí hiệu M-ary ánh xạ thành chuỗi mã tương ứng Bước 3:Tiến hành trải phổ tín hiệu miền tần số Bước 4:Giả lập kênh truyền để truyền tín hiệu Bước 5: Giải trải phổ lọc phối hợp sử dụng lọc Match filter, chọn chuỗi có tương quan lớn Bước 6: So sánh với ký hiệu gốc tính BER Bước 7: Thực điều khiển tốc độ thích nghi (optional) 47 3.2.2.1 Hệ thống MC CDMA (Multicode CDMA) Multicode CDMA over AWGN Channel - 10 users, M = 16 10 Walsh-Hadamard Gold Kasami m-sequence -1 BER 10 -2 10 -3 10 -4 10 10 15 SNR (dB) 20 25 30 Hình 3.11 MC CDMA môi trường AWGN Multicode CDMA over Rayleigh fading Channel - 10 users, M = 16 10 BER Walsh-Hadamard Gold Kasami m-sequence -1 10 -2 10 10 15 SNR (dB) 48 20 25 30 Hình 3.12 MC CDMA môi trường fading Rayleigh BER Multicode CDMA over Rayleigh fading Channel - 10 users, Walsh-Hadamard code 10 10 user, M=2 10 user, M=4 10 user, M=8 10 user, M=16 -1 10 -2 10 10 15 SNR (dB) 20 25 30 Hình 3.13 MC CDMA môi trường fading Rayleigh với kích thước tập mã multi-code khác 49 BER versus Number of users in Multicode CDMA system - SNR = 10dB 10 BER Rayleigh, WH code, M=16 Rayleigh with Rate Adaption, WH code, MaxM=16 -1 10 -2 10 10 15 20 Number of users 25 30 35 Hình 3.14 Hệ thống MC–MC-CDMA; So sánh BER theo số user; có điều khiển tốc độ thích nghi * Nhận xét Chúng ta thấy điều kiện kênh truyền có nhiễu Gaussian hệ thống Multi-code CDMA sử dụng mã Walsh-Hadamard cho chất lượng tốt so với hệ thống sử dụng mã Gold, Kasami m-sequence Vì mã Walsh có tính trực giao tốt so với mã lại nên chất lượng hệ thống sử dụng mã Walsh (trong kênh truyền AWGN) tốt Trong trường hợp kênh truyền fading Rayleigh, giải pháp MTC-CDMA có điều khiển tốc độ thích nghi cho chất lượng tốt trường hợp điều khiển tốc độ, đồng thời hỗ trợ tốc độ cao 50 3.2.2.2 Hệ thống MTC MC CDMA Chúng ta giữ thông số mô giống hệ thống MC-CDMA Multi-code MC-CDMA over AWGN Channel - 10 users, M = 16, L = 16 10 Walsh-Hadamard code Gold code Kasami code m-sequences code -1 10 -2 10 -3 BER 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 10 12 SNR (dB) 14 16 18 Hình 3.15 MTC-MC-CDMA môi trường AWGN 51 20 BER Multicode MC-CDMA over Rayleigh fading Channel - K = 10, L = 16, M = 16 10 Walsh-Hadamard code Gold code Kasami code m-sequences code -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 10 15 SNR (dB) 20 25 30 Hình 3.16 MTC-MC-CDMA môi trường fading Rayleigh 52 Multicode MC-CDMA over Rayleigh fading Channel - K = 10, L = 16, Kasami code 10 10 user, M=2 10 user, M=4 10 user, M=8 -1 10 10 user, M=16 -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 10 15 SNR (dB) 20 25 30 Hình 3.17 MTC-MC-CDMA môi trường fading Rayleigh với kích thước tập mã multi-code khác 53 Multicode MC-CDMA with Rate Adaption over Rayleigh fading Channel - K = 10, L = 16, MaxM = 32 10 Walsh-Hadamard code Gold code Kasami code -1 m-sequences code 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 10 15 SNR (dB) 20 25 Hình 3.18 MTC-MC-CDMA điều khiển tốc độ thích nghi 54 30 BER versus Number of users in Multicode MC-CDMA system - SNR = 10dB 10 Rayleigh, Kasami code, M=2 Rayleigh, Kasami code, M=16 Rayleigh with Rate Adaptation, Kasami code, MaxM=16 Rayleigh with Rate Adaptation, Kasami code, MaxM=32 BER -1 10 -2 10 10 15 20 Number of users 25 30 35 Hình 3.19 So sánh BER theo số user; có điều khiển tốc độ thích nghi Multicode MC-CDMA with Rate Adaptation over Rayleigh fading Channel - 10 users, L=16, Kasami code 10 MaxM=8 MaxM=16 MaxM=32 -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 -5 10 10 15 SNR (dB) 20 25 30 Hình 3.20 MTC-MC-CDMA điều khiển tốc độ thích nghi môi trường fading rayleigh với kích thước tập mã multi-code khác 55 * Nhận xét Mã Walsh-Hadamard lựa chọn tốt cho tập chuỗi mã multi-code kênh truyền có nhiễu AWGN, kênh truyền có nhiễu fading đa đường chất lượng hệ thống MC-MC-CDMA sử dụng loại mã khác chênh lệch rõ ràng Nguyên nhân loại nhiễu chủ yếu kênh truyền nhiễu fading, nhiễu ISI nhiễu MAI, loại nhiễu làm tính trực giao vốn có mã WH Với hệ thống MTC-MC-CDMA có sử dụng giải thuật điều khiển tốc độ thích nghi mã Kasami lựa chọn tốt mã có tính trực giao tính tương quan chéo tốt 56 Lưu đồ bên phát hệ thống MC –CDMA Lưu đồ bên thu 57 Lưu đồ mô hệ thống MTC MC CDMA 58 PHẦN KẾT LUẬN Đề tài “Ngiên cứu mã trải phổ ứng dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)” có ý nghĩa thực tiễn cao Không thông tin liên lac ngành, nước giới, nông thôn thành thị, đất liền với biên giới hải đảo với miền tổ quốc Cùng với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật giới, - Thông qua việc thực đề tài để bồi dưỡng xây dựng đội ngũ cán khoa học thợ kỹ thuật có khả thiết kế, cải tiến trang bị thông tin đáp ứng yêu cầu ngày đại trang bị kỹ thuật thông , bước tiếp cận công nghệ tiên tiến, khoa học đại giới, đồng thời chủ động bảo đảm trang bị, bảo đảm kỹ thuật phục vụ có hiệu nhiệm vụ cao - Về kỹ thuật: Nâng cao trình độ chuyên môn nghiệp vụ, khả nghiên cứu khoa học - Về kinh tế: Giá thành chế tạo, sản xuất thấp Tuy nhiên điều kiện thời gian khả nhiều hạn chế nên đề tài chưa thể hoàn thiện nhiều khiếm khuyết, mong quan tâm, góp ý thầy bạn 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt Lê Ngọc Anh, Cải thiện chất lượng hệ thống CDMA mô hình Molticode Multicarrier CDMA, Luận văn Thạc Sĩ Trường Đại học Bách Khoa Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2001 Trần Thanh Phương, Nghiên cứu giải pháp cải thiện dung lượng mạng MC-CDMA, Luận văn Thạc Sĩ Trường Đại học Bách Khoa Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2005 Nguyễn Nguyên Quang, Nguyễn Thanh Sơn, Hệ thống multirate MCCDMA, Luận văn Tốt nghiệp Trường Đại học Bách Khoa Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2006 Nguyễn Văn Đức, Lý thuyết ứng dụng kỹ thuật OFDM, NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội , 2006 Tài liệu nước ngoài Paper by A Duel-Hallen, J Holtzman, and Z Zvonar, Multiuser Detection for CDMA Systems, 1995 Presented by Peter Ang April 27, 2001 Juha Heikala, John Terry, Ph.D, OFDM Wireless LANS : A Theoritical and Practical Guide, ISBN :0672321572 K Frazel and S Kaiser, Multi–Carrier and Spread Spectrum Systems, WILEY, 2003 L Hanzo, M Munster, B.J Choi and T Keller, OFDM and MC-CDMA for Broadband Multi-User Communications, WLANs and Broadcasting, University of Southampton, UK Michael L Honig, Advances in Multiuser Detection, WILEY, 2009 Taeyon Kim,Jaeweon Kim, Multi-code MC-CDMA:Performance analysis, Department of Electrical and Computer Engineering, University of Texas at Austin Shinsuke Hara, Ramjee Prasad, Overview of Multicarrier CDMA, IEEE Communications Magazine, December, 1997, pp 126-133 60 B.Walke et al.; “UMTS – The Fundamentals”; Wiley; 2003 D Tse; “Fundamentals of Wireless Communications”; Prentice Hall; 2004 10 H Holma; “WCDMA for UMTS: Radio Access for 3G Mobile Communications”; Wiley; 2004 11 J.S Lee et al.; “CDMA Systems Engineering Handbook”; Artech; 1998 12 M.D Yacoub; “Wireless Technology: Protocol, Standard, and Techniques”; CRC Press; 2002 13 R Esmailzadeh et al.; “TDD-CDMA for Wireless Communications”; Artech; 2002 14 S.C Yang; “CDMA RF System Engineering”, Artech; 1998 15 V.K Garg; “Applications of CDMA in Wireless/Personal Communications”; Prentice Hall; 1997 16 Kỹ thuật trải phổ ứng dụng: trường bách khoa hà nội 1998 61