Các phương pháp tối ưu hóa hệ thống thông tin di động thế hệ mới giải pháp công nghệ và ứng dụng thực tế

bộ giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội - Hà Đức Hùng Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ mới: GiảI pháp công nghệ ứng dụng thực tế Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện tử ngời hớng dẫn khoa học: TS Nguyễn Viết Nguyên Hà Nội - 2009 MC LC MC LC DANH MC CC BNG DANH MC CC HèNH V CC CH VIT TT LI NểI U 11 PHN I TNG QUAN V CễNG NGH CDMA 13 CHNG CC PHNG THC A TRUY NHP TRONG THễNG TIN DI NG 13 1.1 a truy nhp phõn chia theo tn s FDMA 13 1.2 a truy nhp phõn chia theo thi gian TDMA 14 1.3 a truy nhp phõn chia theo mó CDMA 14 CHNG K THUT TRI PH V CễNG NGH CDMA 16 2.1 Gii thiu v h thng thụng tin tri ph 16 2.2 K thut tri ph CDMA 20 2.3 Cỏc h thng thụng tin tri ph 28 PHN II CC PHNG PHP TI U HểA H THNG THễNG TIN DI NG WCDMA 43 2.1 t 43 2.2 Vn m rng vựng ph dch v 44 2.2.1 Hn ch vựng ph c ng lờn v ng xung 45 2.2.2 Phõn tớch qu ng truyn 46 2.3 Vn ci thin dung lng 48 2.3.1 Hin tng dung lng b hn ch 49 2.3.2 Phng phỏp nghiờn cu, tớnh toỏn dung lng h thng .50 2.3.3 Nhn dng ng truyn gii hn 52 2.4 Vai trũ ca ti t bo ng lờn v cụng sut phỏt trm gc vic ci thin dung lng v vựng ph 54 2.4.1 Tỏc ng ca ti t bo ng lờn .54 2.4.2 Tỏc ng ca cụng sut trm gc 56 2.5 Phng phỏp dựng súng mang ph v mó trn tng dung lng v m rng vựng ph 58 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 2.5.1 Tỏc ng ca cỏc súng mang ph 58 2.5.2 Tỏc ng ca cỏc mó trn .61 2.6 K thut ci thin vựng ph dch v dựng b khuch i nh ct v anten tớch cc 63 2.6.1 C s toỏn hc 64 2.6.2 Tỏc ng ca khuych i nh ct v anten tớch cc lờn dung lng v vựng ph 66 2.6.3 p dng thc t 67 2.7 K thut s dng khuch i nh RF t xa 68 2.7.1 C s toỏn hc 69 2.7.2 Tỏc ng ca khuch i nh RF t xa lờn dung lng v vựng ph 69 2.8 K thut s dng phõn thu mc cao 71 2.8.1 Tỏc ng ca phõn thu mc cao lờn dung lng v vựng ph 72 2.8.2 p dng thc t 74 2.9 K thut s dng phõn hng phỏt 76 2.9.1 C s tớnh toỏn .76 2.9.2 Tỏc ng ca k thut phõn hng phỏt lờn dung lng v vựng ph 79 2.10 K thut s dng anten thay i bỳp súng 82 2.10.1 C s toỏn hc 82 2.10.2 Hiu qu ca k thut anten chnh bỳp súng 84 2.11 Gii phỏp s dng cu hỡnh chia s ti u 87 2.12.1 Nguyờn lý .92 2.12.2 Tỏc ng ca vic Sector húa lờn dung lng v vựng ph .93 2.12.3 p dng thc t 95 2.13 Gii phỏp dựng cỏc b lp 96 2.13.1 Tỏc ng ca b lp lờn dung lng v vựng ph .98 2.13.2 p dng thc t 101 2.14 Gii phỏp trin khai t bo micro 101 2.14.1 Trin khai cỏc t bo micro 101 2.14.2 Tỏc ng ca trin khai cỏc t bo micro lờn dung lng v vựng ph 105 2.15 Phõn tớch, ỏnh giỏ cỏc k thut ci thin dung lng v vựng ph 106 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ PHN III K THUT IU CH A SểNG MANG NG DNG TRONG H THNG THễNG TIN DI NG MC-CDMA 111 3.1 K thut OFDM 111 3.1.1 Cỏc u im v nhc im ca h thng OFDM 112 3.1.2 T iu ch a súng mang FDM n OFDM 113 3.1.3 Lý thuyt v iu ch OFDM 114 3.1.4 Lý thuyt v gii iu ch OFDM .120 3.2 K thut MCCDMA v MC-DS-CDMA 125 3.2.1 Gii thiu MC-CDMA 125 3.2.2 Nguyờn lý MC-CDMA v MC-DS-CDMA 127 KT LUN 130 TI LIU THAM KHO 131 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ DANH MC CC BNG Bng 1.1.1: So sỏnh u nhc im mụ hỡnh a truy nhp FDMA, TDMA v CDMA 16 Bng 1.2.1: Trng thỏi cỏc ghi dch ca b to dóy mó gi ngu nhiờn 22 Bng 2.1: Mt vớ d qu ng truyn cho s liu khụng i xng 46 Bng 2.2: Vớ d qu ng truyn ng lờn minh nh hng ca tc s liu dch v 47 Bng 2.3: Túm tt cỏc c im ca cỏc trng hp hn ch dung lng 50 Bng 2.4: S thay i v thụng lng ca cỏc t bo ng lờn theo dng dch v 51 Bng 2.5: So sỏnh ti cỏc t bo ng lờn v ng xung 52 Bng 2.6: Qu ng truyn ng xung c s dng tớnh toỏn yờu cu cụng sut phỏt trm gc 53 Bng 2.7: Tỏc ng ca vic tng mc ti t bo ng lờn 56 Bng 2.8: Mt s cu hỡnh cụng sut phỏt trm gc in hỡnh 56 Bng 2.9: Cỏc thụng s dung lng in hỡnh cho mt t bo b hn ch dung lng ng xung vi cu hỡnh cụng sut phỏt v súng mang khỏc 60 Bng 2.10: Dung lng vụ tuyn trng hp t bo micro cú v khụng cú phõn ng truyn, da trờn suy hao truyn lan cho phộp l 144,7 dB (qu ng truyn cho ng lờn 64 kbit/s vi 70% ti) 62 Bng 2.11: Gii hn kờnh lu lng ca mt cõy mó húa OVSF na 63 Bng 2.12: Tham s c bn thit lp cho phõn h thu MHA 65 Bng 2.13: li thu c t vic s dng MHA l hm s ca suy hao phi 66 Bng 2.14: Suy gim dung lng s dng MHA cho h thng b hn ch dung lng ng xung 67 Bng 2.15: So sỏnh cỏc b lp v cỏc b khuch i RF t xa 69 Bng 2.16: ỏnh giỏ li dung lng s dng khuch i nh RF t xa 70 Bng 2.17: S gim yờu cu Eb/N0 ting liờn quan n phõn thu mc cao so vi phõn thu 02 nhỏnh 72 Bng 2.18: So sỏnh dung lng ng lờn gia mt t bo phõn thu mc cao 04 nhỏnh v mt t bo phõn thu 02 nhỏnh (gii hn ti ng lờn l 30%) 73 Bng 2.19: So sỏnh suy hao dung lng ng xung ng vi vic s dng MHA v phõn thu 04 nhỏnh 74 Bng 2.20: So sỏnh Eb/N0 yờu cu ca phõn phỏt vũng kớn dng v ch vũng h vi cỏc trm s dng anten n ( li trung bỡnh cho cỏc dch v 12,2 kbit/s vi 144 kbit/s, ch tiờu BLER 1%) 80 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ Bng 2.21: Tp hp cỏc mc li dung lng tiờu biu cho c hai trng hp t bo macro v micro 81 Bng 2.22: Dch pha m cho ma trn Butler 4x4 83 Bng 2.23: Kt qu mụ phng li hot ng ca ng lờn cho mt lot cỏc cu hỡnh anten 84 Bng 2.24: li ca vic gim Eb/N0 yờu cu trờn ng xung nu s dng Anten nhiu bỳp súng so vi t bo s dng mt anten nht 85 Bng 2.25: So sỏnh dung lng gia cu hỡnh trm gc thụng thng vi cu hỡnh trm gc ROC, trờn c s suy hao truyn lan cho phộp l 154,4 dB 90 Bng 2.26: So sỏnh dung lng gia cu hỡnh trm gc thụng thng vi cu hỡnh trm gc ROC, trờn c s suy hao truyn lan cho phộp l 156,6 dB 91 Bng 2.27 ng dng ca cỏc mc Sector húa khỏc 93 Bng 2.28 Ch s nhiu gia cỏc t bo, anten c trng v tn hao chuyn giao mm cho cỏc mc Sector húa khỏc 93 Bng 2.29: Tỏc ng ca Sector húa lờn dung lng trm, trờn c s suy hao truyn lan cho phộp l 154,4 dB tng ng vi s liu ng lờn 64 kbit/s cho cu hỡnh 1+1+1 94 Bng 2.30: Tỏc ng ca Sector húa lờn dung lng trm, trờn c s suy hao truyn lan cho phộp l 149,6 dB tng ng vi s liu ng lờn 384 kbit/s cho cu hỡnh 1+1+1 95 Bng 2.31: Thụng s c trng ca b lp WCDMA 98 Bng 2.32 S khỏc gia qu ng truyn ng lờn ca t bo gc v trm lp 99 Bng 2.33: Tỏc ng lờn dung lng ng lờn v mt ngi dựng ting mt trm lp c chốn vo mt t bo c tớnh toỏn vi 30% ti ng lờn 100 Bng 2.34: So sỏnh cỏc gii phỏp t bo micro 101 Bng 2.35: So sỏnh cỏc tham s liờn quan n dung lng cỏc t bo macro v micro 102 Bng 2.36: So sỏnh gia dung lng t bo macro vi t bo micro vi gi thit c hai c lp t cỏc khuch i cụng sut 20W 103 Bng 2.37: Dung lng t bo micro c cp 5W cụng sut phỏt 104 Bng 2.38: Hn ch ca mt cõy mó húa kờnh n dn kờnh lu lng ca t bo microa 105 Bng 2.39: So sỏnh cỏc tham s cú liờn quan vựng ph cỏc t bo macro v micro105 Bng 3.1.1: So sỏnh MC-CDMA v MC-DS-CDMA 129 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ DANH MC CC HèNH V Hỡnh 1.1.1: So sỏnh mụ hỡnh a truy nhp FDMA, TDMA v CDMA 13 Hỡnh 1.2.1: Hiu qu ca tri ph chng nhiu 19 Hỡnh 1.2.2: B ghi dch hi tip tuyn tớnh 21 Hỡnh 1.2.3: th hm t tng quan thụng thng i vi dóy cú di ti a Rx() 23 Hỡnh 1.2.4: S mch to dóy Gold 25 Hỡnh 1.2.5: Hm t tng quan ca mt dóy Gold 25 Hỡnh 1.2.6: Mụ hỡnh tri ph trit nhiu 26 Hỡnh 1.2.7: Tỏc dng trit nhiu ca h thng tri ph 28 Hỡnh 1.2.9: S phớa thu theo k thut tri ph dóy trc tip 29 Hỡnh 1.2.10: S h thng DS-CDMA 31 Hỡnh 1.2.11: Ph ca tớn hiu thu v õm sau b nhõn 32 Hỡnh 1.2.12: S mỏy phỏt DSSS s dng BIT/SK 32 Hỡnh 1.2.13: Gin dng súng cỏc tớn hiu ti cỏc u ca mỏy phỏt DSSSBPSK (gi thit N = 7) 33 Hỡnh 1.2.14: S mỏy thu DSSS-BIT/SK v dng súng cỏc tớn hiu 35 Hỡnh 1.2.15: Ph tớn hiu FH lớ tng 38 Hỡnh 1.2.16: S mỏy phỏt tri ph nhy tn 38 Hỡnh 1.2.17: S mỏy thu tri ph nhy tn 39 Hỡnh 1.2.19: Phng phỏp tri ph nhy thi gian 41 Hỡnh 2.1: Cỏc phõn h thu trm gc in hỡnh WCDMA riờng bit v GSM/WCDMA tớch hp 65 Hỡnh 2.2: Cu trỳc mt trm gc khuch i nh RF t xa 68 Hỡnh 2.3: Kớch thc anten in hỡnh tng ng vi phõn thu bn nhỏnh 75 Hỡnh 2.4: Nguyờn lý ỏp dng phõn phỏt vũng kớn WCDMA 77 Hỡnh 2.5: Nguyờn lý mó húa phõn phỏt khụng gian thi gian WCDMA78 Hỡnh 2.6: Dng hỡnh hc ca dn anten thng ng nht cho súng phng vi hng n 83 Hỡnh 2.7: Cu trỳc mt trm gc cu hỡnh ROC 88 Hỡnh 2.8: Mụ hỡnh chia s cụng sut phỏt ng xung ca cu hỡnh chia s ti u89 Hỡnh 2.9: Gii phỏp s dng b lp 97 Hỡnh 2.10: So sỏnh cỏc b lp WCDMA, s v tng t 97 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ Hỡnh 3.1.1: Tng quan mt h thng OFDM 111 Hỡnh 3.1.2: Mt ph nng lng ca tớn hiu iu ch a súng mang OFDM 113 Hỡnh 3.1.3a : Ph tớn hiu ca mt kờnh 114 Hỡnh 3.1.3b : Ph tớn hiu ca mt h thng kờnh 114 Hỡnh 3.1.4: B iu ch OFDM 115 Hỡnh 3.1.5: Mụ t thi gian/tn s ca mt ký hiu OFDM v khung OFDM 116 Hỡnh 3.1.6: Mụ t khỏi nim v chui bo v 117 Hỡnh 2.1.7: Mụ t ng dng ca chui bo v vic chng nhiu ISI 118 Hỡnh 3.1.8: Xung c s 119 Hỡnh 3.1.9: S b iu ch OFDM s dng IFFT 120 Hỡnh 3.1.10: Mụ hỡnh kờnh truyn dn 121 Hỡnh 3.1.11: S b gii iu ch OFDM 121 Hỡnh 3.1.12: Mụ t s tỏch chui bo v gii iu ch OFDM 122 Hỡnh 3.1.13: S b gii iu ch OFDM s dng thut toỏn FFT 125 Hỡnh 2.1.14: Bn cht MC-CDMA 126 Hỡnh 3.1.15: Nguyờn lý MC-CDMA v MC-DS-CDMA 127 Hỡnh 3.1.16: Nguyờn lý MC-CDMA 128 Hỡnh 3.1.17: Ph tớn hiu MC-CDMA tri ph tn s 128 Hỡnh 3.1.18: Nguyờn lý MC-DS-CDMA 128 Hỡnh 3.1.19: Ph tớn hiu MC-DS-CDMA tri ph thi gian 129 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ CC CH VIT TT 3G Third Generation Th h th 4G Fourth Generation Th h th ADC Analog Digital Converter Bin i tng t - s AMPS Advanced Mobile Phone System H thng in thoi di ng ci tin AWGN Additive White Gaussian Noise Tp õm Gaussian trng cng BER Bit Error Rate T l li Bit BIT/SK (BPSK) Binary Phase Shift Keying Khoỏ dch pha nh phõn BS Base Station Trm gc BTS Base Tranceiver Station Trm thu phỏt gc CDMA Code Division Multiple Access a truy nhp phõn chia theo mó CLK Clock Xung ng h DAB Digital Audio Broadcasting Truyn k thut s DAC Digital Analog Converter Bin i S - Tng t DC Down Converter i tn xung DFT Discrete Fourier Transform Bin i Fourier ri rc DPSK Differential hase Shift Key Khoỏ dch pha vi phõn DS-CDMA Direct Sequence - CDMA CDMA tri ph dóy trc tip DSP Digital Signal Processor B x lý tớn hiu s DSSS Direct Sequense Spreading Spectrum Tri ph dóy trc tip DSSS-BPSK DSSS- Binary Phase Shift Key Tri ph dóy trc tip vi iu ch nh phõn DVB-T Terrestrial Digital Video Broadcasting Truyn hỡnh s mt t EGC Equal Gain Combining Kt hp h s cõn bng FDM Frequency Division Multiplexing Ghộp kờnh phõn chia theo tn s FDMA Frequency Division Multiple Access a truy nhp phõn chia theo tn s FFH Fast Frequency Hopping Nhy tn nhanh FFT Fast Fourier Transform Bin i Fourier nhanh Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ FHSS Frequency Hopping Spreading Spectrum Tri ph nhy tn FSK Frequency Shift Key Khoỏ dch tn GSM Global System for Mobile Communication H thng thụng tin di ng ton cu IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Bin i Fourier ri rc ngc IC Interference Cancellation Kh (hu) nhiu ICI Inter Channel Interference Nhiu liờn kờnh IF Intermediary Frequency Trung tn IFFT Inverse Fast Fourier Transform Bin i Fourier nhanh ngc ISI InterSymbol Interference Nhiu xuyờn tớn hiu LAN Local Area Network Mng cc b LNA Low Noise Amplifier B khuych i õm thp MAI Multiple Access Interference Nhiu a truy nhp MAP Maximum A Posteriori Xỏc sut hu nghim ln nht MC-CDMA MultiCarrier CDMA a truy nhp phõn chia theo mó a súng mang MF Match Filtering Lc tng thớch MIMO Multiple Input - Multiple Output a cng vo - a cng MLD Maximum Likehood Detection Tỏch súng (phỏt hin) kh nng ging ln nht ML-MUD Maximum Likehood - MUD Tỏch súng a ngi dựng kh nng ging ln nht MLSE Maximum Likehood Sequence Estimation c nh chui kh nng ging ln nht MLSSE Maximum Likehood Symbol by Symbol Estimation c nh kh nng ging ln nht tng ký t mt MMAC Multimedia Mobile Access Communication Mng thụng tin truy nhp di ng a phng tin MMSE Minimum Mean Square Error Sai s trung bỡnh bỡnh phng cc tiu MRC Maximum Ratio Combining Kt hp t s ln nht MS Mobile Station Mỏy di ng MUD Multi-User Detection Tỏch súng a ngi dựng Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 117 Tớn hiu ny c gi l mu tớn hiu OFDM th k, s biu din tớn hiu OFDM tng quỏt s l: m' (t ) = m'k (t ) = k = +L d k = n = L k ,n s ' (t kT )e jn st (3.1.4) õy tớn hiu m(t) l tớn hiu mk(t) vi ch s k (ch s mu tớn hiu OFDM hay cng l ch s thi gian) chy ti vụ hn u im ca phng phỏp iu ch trc giao OFDM khụng ch l s hiu qu v s dng bng tn m cũn cú kh nng loi tr c nhiu xuyờn tớn hiu ISI thụng qua s s dng chui bo v (Guard Interval) Do vy tớn hiu OFDM trc phỏt i c chốn thờm chui bo v chng nhiu xuyờn tớn hiu ISI nh c trỡnh by mc di õy 3.1.3.3 Chui bo v h thng OFDM Gi thit mt mu tớn hiu OFDM cú di l TS nh hỡnh v di (hỡnh 3.1.6) Chui bo v l mt chui tớn hiu cú di TG phớa sau chộp lờn phn phớa trc ca mu tớn hiu ny S chộp ny cú tỏc dng chng li nhiu xuyờn tớn hiu gõy bi hiu ng phõn a ng Nguyờn tc ny c gii thớch nh sau: Chui bo v TG Phn tớn hiu cú ớch TS Hỡnh 3.1.6: Mụ t khỏi nim v chui bo v Gi thit mỏy phỏt phỏt i khong tớn hiu hỡnh sin cú chiu di l TS Sau chốn chui bo v, tớn hiu ny cú chu k l T = TS + TG Do hiu ng phõn a ng tớn hiu ny s n mỏy thu qua nhiu tuyn ng truyn vi tr truyn dn khỏc n gin cho vic gii thớch nguyờn lý ny, hỡnh v di (hỡnh 3.1.7) ch mụ t tớn hiu thu c t tuyn truyn dn, ú mt tuyn truyn dn khụng cú tr, tuyn cũn li tr so vi tuyn u tiờn l max tuyn u tiờn ta nhn thy mu tớn hiu th (k-1) khụng chng ln lờn mu tớn hiu th k iu ny l ta ó gi s rng tuyn u tiờn khụng cú tr truyn dn Tuy nhiờn tuyn 2, mu tớn hiu th (k-1) b dch sang mu tớn hiu th k mt khong l max tr truyn Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 118 dn Tng t nh vy, mu tớn hiu th k b dch sang tớn hiu th (k+1) mt khong cng l max Tớn hiu thu c mỏy thu s l tng ca tớn hiu tt c cỏc tuyn S dch tớn hiu tr truyn dn cỏc phng phỏp iu ch thụng thng s gõy nhiu xuyờn tớn hiu ISI Tuy nhiờn h thng OFDM cú s dng chui bo v s loi b c nhiu ny Trong trng hp TG max nh mụ t hỡnh di õy (hỡnh 3.1.7), thỡ phn chng ln tớn hiu gõy nhiu ISI ch nm khong ca chui bo v Khong tớn hiu cú ớch cú di Ts khụng b chng ln bi cỏc mu tớn hiu khỏc phớa thu, chui bo v s b gt b trc gi n b gii iu ch OFDM iu kin quyt nh m bo h thng OFDM khụng b nh hng bi nhiu ISI l: TG max Vic s dng chui bo v m bo tớnh trc giao ca cỏc súng mang ph, vy n gin hoỏ cu trỳc b ỏnh giỏ kờnh truyn, b cõn bng tớn hiu phớa mỏy thu Tuy nhiờn chui bo v khụng mang thụng tin cú ớch nờn ph tớn hiu ca h thng b gim i mt h s l = TS TS + TG (3.1.5) Chui bo v Phn cú ớch ca ký hiu k Copy chui bo v max TG kT TS t k(T+1) Hỡnh 2.1.7: Mụ t ng dng ca chui bo v vic chng nhiu ISI Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 119 3.1.3.4 Phộp nhõn vi xung c bn Trong bt k h thng truyn dn vụ tuyn no, tớn hiu trc c truyn i u c nhõn vi xung c bn Mc ớch ca phộp nhõn ny l gii hn ph ca tớn hiu phỏt cho phự hp vi b rng cho phộp ca kờnh truyn Trong trng b rng ca ph tớn hiu phỏt ln hn b rng kờnh truyn cho phộp thỡ tớn hiu phỏt ny s gõy nhiu xuyờn kờnh i vi cỏc h thng khỏc Trong h thng OFDM, tớn hiu trc phỏt i c nhõn vi xung c bn l s(t) Xung c bn cú b rng ỳng bng b rng ca mt mu tớn hiu OFDM Sau chốn chui bo v thỡ xung c bn ký hiu l s(t) cú rng l TS + TG Dng xung c bn n gin nht l xung vuụng nh mụ t di õy (hỡnh 3.1.8) S(t) S0 S(t) -TG TS t T Hỡnh 3.1.8: Xung c s S S (t ) = 0 nờu TG t TS Cac truong hop lai Trong thc t xung c s thng c s dng l b lc Cos nõng 3.1.3.5 Thc hin iu ch OFDM bng thut toỏn IFFT Tớn hiu phỏt sau b gii iu ch OFDM dng tng t biu thc (3.1.3) c vit li nh sau m'k (t ) = +L d n = L k ,n s ' (t kT ) e jn s t (3.1.6.) Khi chuyn i tớn hiu tng t thnh s, lung tớn hiu trờn c ly mu vi chu k ly mu ta = T 1 = = s B N F FT f s N FFT (3.1.7) Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 120 Trong ú B l ton b b rng ca bng tn ca h thng ti thi im ly mu t = kT + lta , s(t kT) = s0, vy biu thc (3.1.6.) c vit li l: m' k (kTs + lt a ) = s = s0 +L d n = L k ,n +L d n = L k ,n e jn s ( kTs + lt a ) e jn s kTs e jn slt a Do skTs = 2fsk (3.1.8) =2k, kt qu l e jn s kTs = fs Tng t nh vy cú th khai trin e jn s lt a =e jn 2f s f s N F FT =e j nl N FFT , (3.1.8) c vit li m (kTs + lt a ) = s0 ' k k ,n e (3.1.9) m(lta) Bin i s tng t dk,-L m'(lta) Chốn khong bo v IFFT dk,n Song song/ni tip ai,-L Mó hoỏ Ni tip/song song ai,n d n= L nl N FFT dk,+L ai,+L {al} j +L m(t) Hỡnh 3.1.9: S b iu ch OFDM s dng IFFT Phộp biu din tớn hiu OFDM (3.1.9) trựng hp vi phộp bin i IDFT Do vy, b iu ch OFDM cú th thc hin mt cỏch d dng bng phộp bin i IDFT Trong trng hp NFFT l bi s ca 2, phộp bin i IDFT c thay th bng phộp bin i nhanh IFFT S b iu ch OFDM s dng thut toỏn IFFT c th hin nh hỡnh 3.1.9 3.1.4 Lý thuyt v gii iu ch OFDM 3.1.4.1 Khỏi nim v kờnh truyn dn phõn a ng Kờnh truyn dn phõn a ng biu hin v mt toỏn hc thụng qua ỏp ng xung h(,t) v hm truyn t H(j,t) i vi ỏp ng xung h(,t), bin ký hiu l tr truyn dn ca kờnh Tr truyn dn l khong thi gian cn thit tớn hiu chuyn t mỏy phỏt n mỏy thu Bin t l thi gian tuyt i (hay l thi im Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 121 quan sỏt kờnh) Bin i Fourier ca ỏp ng xung i vi cho ta hn truyn t ca kờnh H ( j , t ) = h ( , t )e j d (3.1.10) n gin hoỏ cho vic mụ t nguyờn tc gii iu ch, mụi trng truyn dn c gi thit khụng cú can nhiu õm trng (Additive White Gaussian Noise) Mi liờn h gia tớn hiu phỏt m(t), tớn hiu thu u(t) v ỏp ng xung ca kờnh h(,t) c mụ t nh hỡnh 3.1.10 m(t) h(,t) H(j,t) u(t) Hỡnh 3.1.10: Mụ hỡnh kờnh truyn dn thi gian tớn hiu thu l tớch chp ca tớn hiu phỏt v ỏp ng xung ca kờnh u (t) = m(t) * h(,t) max = h ( , t ) m(t )d (3.1.11) Vi ký hiu (*) l phộp tớch chp ca hai tớn hiu dk,+L e jL s t u'(t) Gii iu ch dk,n e jn st Gii iu ch dk, - L õi, +L õi,n õi, -L Chuyn i song song/ni tip u(t) Tỏch khong bo v Gii iu ch Chuyn mu thnh bit tớn hiu 3.1.4.2 B gii iu ch OFDM {õl} e jL st Hỡnh 3.1.11: S b gii iu ch OFDM Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 122 S cu trỳc b gii iu ch OFDM c mụ t nh hỡnh 3.1.11 Tớn hiu a vo b gii iu ch l u(t) Vi tớn hiu phỏt m(t) biu thc (3.1.4), biu din ca u(t) c vit di dng max u(t) = k = +L d s(t kT ).e n = L k ,n jn s ( t kT ) h ( , t ) d (3.1.12) Cỏc bc thc hin b gii iu ch cú chc nng ngc li so vi cỏc chc nng ó thc hin b iu ch Cỏc bc ú bao gm: Tỏch khong bo v mi mu tớn hiu thu Nhõn vi hm s phc e jn t (dch bng tn ca tớn hiu mi súng mang v bng tn gc nh trc iu ch) Gii iu ch cỏc súng mang ph Chuyn i mu tớn hiu phc thnh dũng bit Chuyn i dũng bit song song thnh dũng bit ni tip n a) Tỏch khong bo v u(t) (k 1) T (k+1) T kT t u'(t) (k-1) Ts kTs (k+1) Ts t Hỡnh 3.1.12: Mụ t s tỏch chui bo v gii iu ch OFDM Sau tỏch chui bo v lung tớn hiu u(t), lung tớn hiu nhn c s l: u'(kTs + t) = u(kT + t) nu t Ts , k (3.1.13) Tu theo di ca chui bo v so vi tr truyn dn ln nht ca kờnh, cng nh l iu kin ca kờnh truyn (kờnh ph thuc thi gian hay khụng ph thuc thi gian) ta s cú kt qu khỏc sau gii iu ch b) Tớn hiu sau gii iu ch B gii iu ch trờn mi súng mang ph l mch tớch phõn thc hin chc nng sau õy: d k ,l = T0 ( k +1)Ts u' k (t )e jl s t dt (3.1.14) kTs Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 123 Trong ú d k ,l l tớn hiu ca b tớch phõn nm súng ph th l v mu tớn hiu OFDM th k (khe thi gian th k) Thay cỏch biu din ca uk(t) t (3.1.13) kt hp vi s biu din ca uk(t) biu thc (3.1.12) ta cú th vit li (3.1.14) nh sau: d k ,l = T0 max j ( n 1)(t kTs ) jn s d d .e s dt k , n h( , t )s (t kTs )e n= L ( k +1)Ts + L kTs (3.1.15) Vi iu kin TG max, ú TG l di chui bo v v max l di ln nht ca tr truyn dn, ta cú th d dng nhn thy rng: s0 nu max v kTs t (k+1)Ts (3.1.16) s(t- - kTs) cỏc trng hp cũn li Do vy (3.1.15) cú th rỳt gn thnh d k ,l = s0 Ts ( k +1)Ts + L kTs max jn s d d e j s ( n l )(t kTs ) dt k , n h( , t )e n= L (3.1.17) Biu thc ngoc kộp biu din hm truyn t ca kờnh max H(ns,t) = h( , t )e jn d s (3.1.18) Cui cựng, tớn hiu sau gii iu ch trờn mi súng mang ph c biu din di dng d k ,l s = T0 ( k +1)Ts + L d kTs n= L k ,n H (n s , t ) e j s ( n l )(t kTs ) dt (3.1.19) Trong biu thc trờn, kt qu tớch phõn cho trng hp n = l s cho ta tớn hiu cú ớch d kU,l , cũn kt qu tớch phõn cho cỏc trng hp n l s l kt qu ca can nhiu liờn kờnh ICI (InterCarrier Interference) d kIC,l I Phn tớn hiu cú ớch c biu din bi phng trỡnh sau: d kU,l = s0 Ts ( k +1)Ts d k l H (l s , t )dt (3.1.20) kTs V phn can nhiu liờn kờnh c biu din bi Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 124 d ICI k ,l s = Ts ( k +1)Ts + L d kTs n= L n l k ,n H (n s , t )e j s ( n l )(t kTs ) dt (3.1.21) Gi s kờnh vụ tuyn khụng ph thuc vo thi gian di ca mt mu tớn hiu Ts, cú ngha l bin thi gian t hm truyn t ca kờnh H(ns,t) c loi b phộp ly tớch phõn, thỡ thnh phn cú ớch c vit li di dng d kU,l = s H (l s ) (3.1.22) Thnh phn nhiu liờn kờnh c vit li: d kICI ,l = s0 Ts +L ( k +1)Ts n= L n l kTs d k l H (n s ) e j s ( n l )( t kTs ) dt = (3.1.23) Do cỏc súng mang trc giao vi nhau, kt qu tớch phõn biu thc (3.1.23) rừ rng l bng khụng Do vy thnh phn can nhiu liờn kờnh s trit tiờu trng hp kờnh khụng thay i v thi gian mt chu k tớn hiu 3.1.4.3 Thc hin b gii iu ch thụng qua phộp bin i nhanh FFT B gii u ch OFDM dng tng t l b tớch phõn th hin (3.1.14) dng mch s, tớn hiu c ly mu vi chu k ly mu l ta Gi thit mt mu tin OFDM Ts c chia thnh NFFT mu tớn hiu, ú rng ca mt chu k ly mu l ta = Ts N FFT (3.1.24) Sau ly mu, tớn hiu nhn c s tr thnh lung tớn hiu s uk (t) => uk (kTs + nta), n = 0, 1, ,, NFFT (3.1.25) Mu tớn hiu sau gii u ch d k ,1 c biu din di dng s nh sau: d k ,l = ta Ts N F FT u' n=0 k (kTs + nt a )e jl s ( kTs + nt a ) (3.1.26) Tỏch s biu din ca thnh phn hm s m thnh tớch ca hai thnh phn, (3.1.26) c biu din li di dng d k ,l = ta Ts N F FT u' n =0 k Vi chỳ ý rng s= (kTs + nt a )e jnl sta e jlk sTs (3.1.27) nh ó trỡnh by chng 3, biu thc trờn Ts cú th nhn thy rng e jlk T = e jlk = s s Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 125 Mt khỏc s t a = d k ,l = Do vy (3.1.27) c vit li ta = Ts N FFT N F FT N FFT u' n =0 k (kTs + nt a )e j 2nl / N FFT (3.1.28) Mt s trựng hp bt ng l biu thc trờn li chớnh l phộp biu din DFT vi chiu di NFFT Mi liờn h ny c Weinstein v Ebert tỡm c nm 1971 Nh cú s phỏt trin ca k thut s, phộp thc hin DFT c d dng thc hin c bit l NFFT l bi s ca c s 2, phộp thc hin DFT c thay th bng phộp bin i nhanh FFT d'k,n d'k,-L õk,+ L õk,n õk,+L Bin i song song/ni tip d'k,+L Gii mó FFT song Ni tin/song u'(lta) Bin i ni tip/song song u(lta) Tỏch khong bo v u(t) Bin i tng t s S ca b gii iu ch OFDM thc hin phộp bin i nhanh FFT c trỡnh by hỡnh 3.1.13 nh sau: {õ1} Hỡnh 3.1.13: S b gii iu ch OFDM s dng thut toỏn FFT 3.2 K thut MCCDMA v MC-DS-CDMA 3.2.1 Gii thiu MC-CDMA MCCDMA l k thut a truy nhp phõn chia theo mó a súng mang, l s kt hp gia CDMA v OFDM Trong CDMA tri ph d liu ngi dựng nh iu ch mi ký t ngi dựng vi chui tri ph tc cao thỡ MCCDMA tri ph cỏc ký t ngi dựng bi phỏt ng thi d liu ca mi ngi dựng trờn cỏc súng mang ghộp, m rng mt bng thụng ln d dng tỏch cỏc ký t phỏt MCCDMA, mi ký t ngi dựng c mó hoỏ vi mt mó tri ph nht cho phộp mỏy thu phõn bit cỏc ký t mi ngi dựng u im chớnh ca vic s dng MCCDMA so vi DSCDMA l: mỏy thu DSCDMA (vớ d mỏy thu RAKE) x lý tớn hiu thu thi gian thỡ mỏy thu MCCDMA hot ng tn s X lý thi gian v tn s cung cp hiu nng tng t kờnh AWGN thỡ x lý tn s thớch hp hn x lý thi gian vi cỏc kờnh a ng Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 126 c bit kờnh a ng, khai thỏc phõn a ng mt mỏy thu RAKE l cn thit (ngha l mỏy thu s dng mt vi b tng quan bng gc x lý riờng l mt vi thnh phn tớn hiu a ng) Khi s ng tng, mỏy thu RAKE cn nhiu nhỏnh hn khai thỏc nng lng ri rỏc thi gian Theo mt cỏch khỏc, x lý nin tn s, cho phộp mỏy thu khụi phc nng lng ri rỏc tn s m khụng tng phc ca mỏy thu Vỡ lý ú, a súng mang c thc hin, b sung cho tt c cỏc h thng n súng mang Cỏc u im ú lm cho MCCDMA tr thnh mt ng viờn hon ho cho cỏc h thng vụ tuyn th h sau Services CDMA OFDM OFDM CDMA T T R R MCCDMA Tx Services MCCDMA Rx Hỡnh 2.1.14: Bn cht MC-CDMA Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 127 3.2.2 Nguyờn lý MC-CDMA v MC-DS-CDMA Hỡnh 3.1.15: Nguyờn lý MC-CDMA v MC-DS-CDMA S khỏc gia MC-CDMA v MC-DS-CDMA c mụ t nh hỡnh trờn (hỡnh 3.1.15) Trong c hai phng thc, mi ngi dựng chia s cựng mt bng thụng ti cựng mt thi im D liu c tri ph nh cỏc mó tri ph ngi dựng C MC-CDMA v MC-DS-CDMA u ng dng cỏc iu ch a súng mang gim tc ký t v dn n mt lng ISI mi kờnh 3.2.2.1 Nguyờn lý MC-CDMA Nguyờn lý ca MC-CDMA l ỏnh x cỏc chip ký t d liu tri ph v mt tn s trờn mt vi kờnh song song MC-DS-CDMA ỏnh x cỏc chip ký t d liu tri ph v mt thi gian trờn cỏc ký t a súng mang MC-CDMA phỏt mt ký t d liu ca mt ngi dựng ng thi trờn mt vi kờnh bng hp Cỏc kờnh ny nhõn vi mó chớp tri ph ngi dựng riờng iu ch a súng mang OFDM c thc hin Pha inh trờn cỏc kờnh bng hp c xột l pha inh phng MC-CDMA a thit k h thng mm do, cho phộp iu chnh phc mỏy thu Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 128 Hỡnh 3.1.16: Nguyờn lý MC-CDMA Hỡnh 3.1.17: Ph tớn hiu MC-CDMA tri ph tn s 3.2.2.2 Nguyờn lý MC-DS-CDMA Nguyờn lý ca MC-DS-CDMA c mụ t hỡnh 3.1.18 MC-DS-CDMA chuyn i ni tip-song song, chuyn i cỏc ký t d liu tc cao thnh cỏc lung tc thp trc tri ph cỏc ký t d liu trờn mi kờnh vi mó tri ph ngi dựng v mt thi gian, tng ng vi tri ph chui trc tip trờn mi kờnh Cỏc mó tri ph cú th c ng dng trờn cỏc kờnh khỏc Hỡnh 3.1.18: Nguyờn lý MC-DS-CDMA Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 129 Hỡnh 3.1.19: Ph tớn hiu MC-DS-CDMA tri ph thi gian 3.2.2.3 So sỏnh MC-CDMA v MC-DS-CDMA Bng 3.1.1: So sỏnh MC-CDMA v MC-DS-CDMA Tham s MC-CDMA MC-DS-CDMA Tri ph Tri ph trc tip Tri ph trc tip tn s thi gian Khong cỏch súng P P FS = G FS G mang N cTd N cTd Thut toỏn tỏch súng c im c bn ng dng u im Nhc im MRC, EGC, ZF, Cõn bng MMSE, IC, MLD Rt hiu qu cho kờnh ng xung ng b nh s dng mó trc giao Kờnh ng lờn v ng xung ng b - Thc hin n gin vi bin i DFT hay FFT - Mỏy thu phc thp - Ph hiu dng ln - li phõn tn s cao vỡ tri ph tn s - T s cụng sut nh trờn trung bỡnh (PAPR) c bit cao ng lờn - Truyn dn ng b Tỏch súng tng quan c thit k c bit cho kờnh ng lờn di b Kờnh ng lờn v ng xung d b - T s cụng sut nh trờn trung bỡnh (PAPR) thp ng lờn - li phõn thi gian cao vỡ tri ph thi gian - Xy nhiu ISI v ICI kt qu ca b thu phc hn - Ph hiu dng thp hn nu cỏc lc iu ch a súng mang khỏc c s dng Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 130 KT LUN Lun trỡnh by v cỏc k thut ti u húa mng truy nhp vụ tuyn h thng thụng tin di ng th h mi hin nay: c s toỏn hc, kh nng v phng phỏp ng dng cỏc k thut ú vo thc t Lun i sõu nghiờn cu cỏc cụng ngh ti u húa cho mng WCDMA mng di ng th h th (3G) v tỡm hiu v cụng ngh OFDM ca mng MC-CDMA ang c xem l ng c viờn tim nng cho h thng thụng tin di ng 4G tng lai C th lun ó t c mt s kt qu nh sau: Tng quan v cụng ngh CDMA Cỏc phng phỏp ti u húa h thng thụng tin di ng WCDMA K thut iu ch a súng mang ng dng h thng thụng tin di ng MC-CDMA Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 131 TI LIU THAM KHO Ting Vit Phm Ngc Bớnh (2007), H thng thụng tin di ng MC-CDMA, Lun thc s k thut in t, i hc Bỏch Khoa H Ni Nguyn Phm Anh Dng (2001), Thụng tin i ng th h 3, Nh xut bn bu in Nguyn Vn c (2006), Lý thuyt v cỏc ng dng ca K thut OFDM, Nh xut bn khoa hc v k thut Trng Giang (2008), Ti u húa mng truy nhp vụ tuyn mng thụng tin di ng WCDMA, Lun thc s k thut in t, i hc Bỏch Khoa H Ni V c Th (1997), Thụng tin di ng s CELLULAR, Nh xut bn giỏo dc Ting Anh Jaana Laiho (2002), Radio Network Planning and Optimisation for WCDMA, Thesis for the degree of Doctor of Science in Technology, Helsinki University Technology Jaana Laiho, Radio Network Planning Process and Methods for WCDMA, Nokia Networks Henrik Schulze and Christian Luders (2005), Theory and Applications of OFDM and CDMA Wideband Wireless, John Wiley & Sons Ltd K.Fazel, S.Kaiser (2003), Multi-Carrier and Spread Spectrum Systems, John Wiley & Sons Ltd 10 L Hanzo, L-L Yang, E-L Kuan and K Yen (2003), Single and Multi-Carrier CDMA Multi-User Detection, Space-Time Spreading, Synchronisation and Standards, John Wiley & Sons Ltd Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ ... học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 13 PHN I TNG QUAN V CễNG NGH CDMA CHNG CC PHNG THC A TRUY NHP TRONG THễNG TIN DI NG Vic phõn chia cỏc kờnh liờn kt cho mi mỏy di ng... vớ Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 23 d trờn l dóy cú di ti a Nu dóy cú di nh hn 2n - thỡ dóy ú gi l dóy cú di khụng ti a 2.2.1.3 Hm tng quan... ph 106 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ PHN III K THUT IU CH A SểNG MANG NG DNG TRONG H THNG THễNG TIN DI NG MC-CDMA 111 3.1 K thut OFDM