Header Page of 27 Đại Học Quốc GIA Hà Nội TRNG I Học CÔNG NGHệ Đào Thị Hồng NGọC Tách Sóng ĐA Ng-ời Dùng Với Bộ THU DS/CDMA Thích NGHI Ngành: Công nghệ Điện tử-Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60-52-70 Luận VĂN Thạc Sĩ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NguyÔn viÕt kÝnh Hà Nội – 2009 Footer Page of 27 Header Page of 27 Mục lục Danh mụC cáC chữ viếT tắT kí hiệU .(5) Danh mụC cáC hìNH vẽ (7) Danh mụC cáC bảNG (10) Më ®Çu (11) CHƯƠNG 1- Vài Nét Về Đặc Điểm Của Hệ Truyền THÔNG Dùng CDMA (12) 1.1 Giíi thiƯu vỊ c«ng nghƯ CDMA (12) 1.2 Nguyên tắc trải phổ (12) 1.3 Trải phổ nhảy tần (14) 1.4 Tr¶i phỉ trùc tiÕp (14) 1.5 Hiệu ứng kênh đa đ-ờng (15) 1.6 §a truy nhËp .(18) 1.6.1 NhiƠu ®-êng xng (20) 1.6.2 Nhiễu đ-ờng lên (21) 1.7 M· tr¶i (23) 1.7.1 Chuỗi m .(24) 1.7.2 Chuỗi Gold (25) 1.8 TÝnh ph©n tËp (26) 1.9 HiÖu øng gần xa vấn đề điều khiển công suất .(26) 1.10 Dung hÖ thèng CDMA (27) KÕt luËn ch-¬ng (28) Footer Page of 27 Header Page of 27 CHƯƠNG - Bộ tách sãng ®a ng-êi dïng (29) 2.1 Vấn đề tách sóng đa ng-ời dùng (29) 2.1.1 T¸ch mét ng-êi dïng (30) 2.1.2 Tách đa ng-ời dùng (30) 2.2 Bé thu lÝ t-ëng (32) 2.3 Bộ tách sóng CDMA đa ng-ời dïng tuyÕn tÝnh .(38) 2.3.1 Kênh CDMA đồng .(38) 2.3.2 Bộ tách giải (khử) t-ơng quan (39) 2.3.3 Bô tách đa ng-ời dùng tuyến tính tèi -u .(40) 2.3.4 Bộ tách đa tầng dùng kênh đồng CDMA .(40) 2.4 Bộ tách đa ng-ời dùng MMSE (46) 2.4.1 Tách đa ng-ời dùng tuyến tính với lỗi bình ph-ơng trung bình cực tiểu(46) 2.4.2 Mô hình hệ thống kênh nhiễu đa đ-ờng (50) 2.4.3 CÊu tróc bé t¸ch MMSE .(54) KÕt luËn ch-¬ng (58) ch-¬ng - bé thu ds/cdma thÝch nghi .(59) 3.1 Giíi thiƯu (59) 3.2 Mô hình kênh cấu tróc bé thu .(61) 3.3 Ph©n tÝch tÝnh chÊt (63) 3.4 Phân tích dung hệ thèng .(67) 3.4.1 Bé thu truyÒn thèng .(67) 3.4.2 Bé thu thÝch nghi (68) 3.5 KÕt qu¶ (68) 3.5.1 Xác suất lỗi .(68) 3.5.2 Chống lại hiệu ứng gần-xa .(69) 3.5.3 Dung .(70) Footer Page of 27 Header Page of 27 KÕt luËn ch-¬ng (71) KÕt luËn (72) TàI Liệu THAM Khảo (73) Danh mụC Các chữ viết tắt kí hiệU Kí hiệu, chữ viết tắt AWGN BER BPSKCDMA BS CDMA COST207 CR DS DS/CDMA DS-SS FH-SS Footer Page of 27 Tªn tiÕng ViƯt Tªn tiÕng Anh Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BPSK- Code Division Đa truy nhp phân chia theo Multiple Access mã, điều chế BPSK Base Station Trạm sở Đa truy nhập ph©n chia theo mã Code Division Multiple Access Hợp tác khoa häc kÜ thuËt 207 Cooperation scientific technique 207 Bé thu truyÒn thèng Conventional Receiver Direct Sequence Chuỗi trực tiếp Direct Sequence/CDMA Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp CDMA Tr¶i phổ chuỗi trực tiếp Direct Sequence- Spread Spectrum Trải phổ nhảy tần Frequency Hoping- Spread Nhiu Gauss trng cng tính Header Page of 27 FIR ISI LMMSE LMS MAI MMSE MSMUD MUD NFR RAKE SNR UB Footer Page of 27 Bộ lọc Nhiu xuyên ký hiu Li bình phương trung b×nh cực tiểu tuyÕn tÝnh B×nh phương trung b×nh tối thiểu Nhiễu đa người dïng Lỗi b×nh phương trung bình cc tiu Tách sóng đa ng-ời dùng, đa tầng Tách sóng đa ng-ời dùng Tỉ số gần- xa Bé thu RAKE Tỷ số tÝn hiệu trªn nhiễu Giíi hạn Spectrum Filter Inter-Symbol Interference Liner Minimum Mean Squared Error Least Mean Square Multiple Access Interference Minimum Mean Squared Error MultiStage MultiUser Detection MultiUser Detection Near-Far ratio RAKE receiver Signal- Noise Ratio Upper bound Header Page of 27 Danh mụC Các hình vẽ Hình vẽ TT Trang 1-1 Mật độ phổ công suất tín hiệu tr-ớc sau trải 13 1-2 Các dạng sóng theo thời gian để tạo tín hiệu trải phổ trực 15 tiếp 1-3 Đáp ứng xung kênh đa đ-ờng 17 1-4 Mô hình truyền dẫn đa đ-ờng tín hiệu phát 18 1-5 Mô hình hƯ thèng CDMA 20 1-6 Thanh ghi dÞch m trạng thái có hồi tiếp tuyến tính 24 2-1 Mô hình hệ CDMA 29 2-2 Sơ đồ tách truyền thống, mô tả chi tiết phần thu cña 31 Footer Page of 27 Header Page of 27 hình 2-1 2-3 Bộ tách đa ng-êi dïng trun thèng 33 10 2-4 Bé t¸ch K ng-ời dùng tối -u kênh không đồng đa 34 truy nhập Gauss 11 2-5 Mô tả xác suất mắc lỗi ng-ời sử dụng đạt đ-ợc 35 tách (thu) truyền thống lí t-ởng tr-ờng hợp tốt xấu 12 2-6 Mô tả xác suất mắc lỗi ng-ời sử dụng đạt đ-ợc bé 35 t¸ch (thu) trun thèng lÝ t-ëng víi ng-ời sử dụng mã trải m có chiều dài 31 tr-ờng hợp xấu trung bình 13 2-7(a) Giới hạn nhỏ xác suất lỗi ng-êi sư dơng 36 Trong tr-êng hỵp trƠ xÊu nhÊt vµ cã ng-êi sư dơng (a) E2/E1=-10dB 14 2-7(b) Giới hạn nhỏ xác suất lỗi ng-êi sư dơng 37 Trong tr-êng hỵp trƠ xÊu nhÊt vµ cã ng-êi sư dơng (b) E2/E1=-5dB 15 2-7(c) Giới hạn nhỏ xác suất lỗi ng-êi sư dơng 37 Trong tr-êng hỵp trƠ xÊu nhÊt vµ cã ng-êi sư dơng (c) E2/E1=0dB 16 2-8 Bộ tách đa ng-ời dùng đa tầng cho hệ thống BPSK-CDMA 41 17 2-9 Sơ đồ thực chi tiết MSMUD 42 18 2-10(a) Xác suất mắc lỗi cña ng-êi dïng thø nhÊt theo SNR, 43 E3/E1=-3dB 19 2-10(b) Xác suất mắc lỗi ng-ời dùng thứ theo SNR, 43 E3/E1=0dB 20 2-10(c) Xác suất mắc lỗi cña ng-êi dïng thø nhÊt theo SNR, E3/E1=3dB Footer Page of 27 43 Header Page of 27 21 2-11 So sánh xác suất mắc lỗi tách tuyến tính, hai tầng 45 tách sóng tối -u cho kênh hai ng-ời dùng với r12=1/3 SNR ng-êi dïng ë 8dB 22 2-12 So s¸nh x¸c suất mắc lỗi tách tuyến tính, ba tầng 45 tách sóng tối -u cho kênh hai ng-ời dïng víi r12=0.7 vµ SNR cđa ng-êi dïng ë 8dB 23 2-13 So sánh xác suất mắc lỗi tách tuyến tính, hai tầng 46 tách sóng tối -u cho kênh hai ng-ời dùng với r12=0.7 SNR cđa ng-êi dïng ë 12dB 24 2-14 S¬ đồ khối tách MMSE tuyến tính cho kênh ®ång 48 bé 25 2-15 Bé thu MMSE tuyÕn tÝnh cho ng-êi sư dơng ®ång bé 48 26 2-16 Tỉ lệ lỗi bit với ng-ời sử dụng công suất 49 t-ơng quan chéo đồng kl=0.1 27 2-17 Tỉ lệ lỗi bit với ng-ời sử dụng t-ơng quan chéo đồng 49 kl=0.8 28 2-18 CÊu tróc bé thu triƯt nhiƠu cỉng kÕt hỵp 54 29 2-19 Bé thu triƯt nhiƠu tr-íc tỉ hợp 55 30 2-20 Xác suất lỗi bit hàm cđa sè ng-êi sư dơng cđa bé t¸ch 56 LMMSE sau tổ hợp tr-ớc tổ hợp kênh hai đ-ờng không đồng với SNR khác nhau, tốc độ bit 16kbs-1 Mã Gold chiều dài 31, td/T=4.63x10-3, trải trễ lớn 10 chips 31 2-21 Xác suất lỗi bit hàm tỉ số gần-xa bé thu RAKE trun thèng vµ bé thu LMMSE tr-íc tổ hợp với thừa số trải G khác kênh hai đ-ờng phadinh Rayleigh với trải trễ lớn 2s với G=4, 7s với G khác Tỉ số SNR trung bình 20dB Điều chế liƯu lµ BPSK, sè ng-êi sư dơng lµ Footer Page of 27 57 Header Page of 27 ng-ời sử dụng khác có công suất lớn 20dB Tốc độ liệu từ 128kbs-1 đến 2.048Mbits-1) 32 3-1 Sơ đồ thu DS/CDMA thích nghi 62 33 3-2 So sánh Pe thu thích nghi thu trun thèng 69 34 3-3 So s¸nh Pe cđa thu thích nghi tr-ờng hợp có 70 điều khiển công suất Footer Page of 27 Header Page 10 of 27 Danh môC Các bảng Bảng TT Trang 1.1 Đặc tính chuỗi m chuỗi Gold 24 3.1 So sánh dung hệ thống sử dụng thu thích nghi 71 vµ bé thu trun thèng Footer Page 10 of 27 Header Page 16 of 27 Chó thÝch h×nh vÏ: - b(t): Information signal- tÝn hiƯu tin - a(t): Signature sequence- chuỗi trải phổ - u(t): Spread spectrum signal- tín hiệu trải phổ Ngoài hai hệ ng-ời ta dùng hệ nhảy tần lai ghép 1.5 Hiệu ứng kênh đa đ-ờng Nh- biết, trạm di động th-ờng đ-ợc đặt gần mặt đất, tín hiệu phát bị khúc xạ, phản xạ, tán xạ vật thể thành phố nh- cối, nhà cửa, đồi núi Vì tín hiệu thu đ-ợc bao gồm dãy tín hiệu chồng nhau, bị trễ tín hiệu phát Mỗi tín hiệu trễ có thời gian đến, công suất pha khác Khi thu nh- vật thể phản xạ không dừng, nên thành phần phản xạ gây phadinh lên tín hiệu thu, phadinh nguyên nhân gây tín hiệu thay đổi c-ờng độ theo cách không tiên đoán đ-ợc Hiện t-ợng truyền đa đ-ờng Có hai loại điển hình phadinh kênh thông tin di động: -Phadinh dài (quy mô lớn) -Phadinh ngắn (quy mô hẹp) Hiện t-ợng phadinh dài phân bố cấu trúc địa hình trạm gốc trạm di động, đặc biệt đồi núi độ nhấp nhô nhà Kết suy hao công suất tín hiệu trung bình, nh- hàm khoảng cách Chúng ta mong muốn miêu tả kênh thông qua tổn hao đ-ờng truyền, th-ờng theo luật tỉ lệ nghịch với mũ bốn biến thiên quanh giá trị theo phân bố log chuẩn Bên cạnh đó, phadinh ngắn liên quan đến thay đổi mạnh biên độ tín hiệu pha, thay đổi khoảng nhỏ không gian thu phát Footer Page 16 of 27 Header Page 17 of 27 H¬n nữa, di chuyển thu phát làm thay đổi đ-ờng truyền dẫn, nh- kênh coi nh- thay đổi theo thời gian Kênh thay đổi theo thời gian lựa chọn tần số đ-ợc mô hình hoá nh- đ-ờng trễ, đáp ứng xung thông thấp, phức viết nh- sau: L ~ h (t ) l (t ) e jl (t ) (t l ) l 1 (1.2) Víi l (t ) , l(t), l biên độ, pha, trễ đ-ờng thứ l, L tổng số đ-ờng thành phần Tốc độ thăng dáng mức tín hiệu đ-ợc xác định tần số Doppler (fD), phụ thuộc vào tần số sóng mang (fC), tốc độ di chuyển ( v ) máy di động theo công thức : fD v fC c (1.3) ®ã c vận tốc ánh sáng Đặc biệt, t-ợng phadinh ngắn th-ờng đ-ợc biểu diễn phân bố Rayleigh, Rice, Nakagami Phadinh phân bố Rayleigh th-ờng đ-ợc sử dụng phân tích mô đơn giản dễ dàng đ-a minh hoạ cho ảnh h-ởng phadinh lên đ-ờng truyền Hơn thế, phân bố Rayleigh tr-ờng hợp đặc biệt phân bố Nakagami Phân bố Rice th-ờng đ-ợc sử dụng thông tin vệ tinh Trễ tỉ lệ t-ơng ứng với chiều dài đ-ờng tín hiệu từ trạm phát đến trạm thu Trải trễ chiều dài khác đ-ờng thành phần nguyên nhân gây nhiễu kí hiệu (ISI) trình truyền liệu, vấn đề đặc biệt quan trọng tốc độ truyền cao Đáp ứng xung kênh điển hình mô tả hình 1-3 (theo COST 207) Footer Page 17 of 27 Header Page 18 of 27 (Hình 1-3-Đáp ứng xung kênh đa đ-ờng) Chú thích hình vẽ: Amplitude: biên độ Time delay: thời gian trễ Nh- hình vẽ, đáp ứng xung gåm cã nhãm cđa ®-êng trun trƠ: nhãm chÝnh nhóm phụ lặp lại nhóm nh-ng trễ 5s Nhóm nguyên nhân gây phản xạ tín hiệu từ cấu trúc lân cận thu với thời gian trễ ngắn Mặt khác, nhóm phụ phản xạ tín hiệu nh-ng từ cấu trúc xa hơn, ví dụ nh- đồi núi Hình 1-4 mô tả ảnh h-ởng suy giảm tín hiệu trải phổ kênh đa đ-ờng, với L đ-ờng độc lập, ta có t-ơng đ-ơng thông thấp tín hiệu thu băng (gèc) lµ: L r (t ) l (t )~ s (t l ) n(t ) l 1 Footer Page 18 of 27 (1.4) Header Page 19 of 27 (Hình 1-4-Mô hình truyền dẫn đa ®-êng cđa tÝn hiƯu ph¸t) Trong ®ã l (t ) độ lợi kênh thực thay đổi theo thời gian, đ-ợc đ-a công thức (1.2) với biên độ phân bố Rayleigh, pha phân bố khoảng - ~ , s (t l ) tín hiệu trải phổ phát băng t-ơng đ-ơng với trễ l Tất đ-ờng đến thu, khác pha trễ đ-ờng có gây nhiễu đa đ-ờng, gọi nhiễu kí hiệu (ISI) 1.6 Đa truy nhập Trong phần ta xét đến truyền dẫn ng-ời dùng Hệ thống thực đơn giản Vậy làm để hệ thống làm việc cho trun dÉn nhiỊu ng-êi sư dơng ViƯc ®a truy nhập đạt đ-ợc hệ thống DS/CDMA cho phép nhiều ng-ời sử dụng chia sẻ tần chung Mỗi phát thu ấn định tr-ớc cña Footer Page 19 of 27 Header Page 20 of 27 đ-ợc phân cho chuỗi trải phổ riêng biệt Khi thu biết rõ ràng chuỗi trải phổ riêng biệt có khả tách đ-ợc tín hiệu phát Xét hệ thống CDMA có K ng-ời sử dụng hoạt động, phát tín hiệu lúc Mô hình hệ thống t-ơng đ-ơng băng gốc đ-ợc hình 1-5 Và để đơn giản, giả sử truyền dẫn đa đ-ờng điều khiển công suất hoàn hảo Về mặt toán học tín hiệu ng-ời sử dụng thứ k đ-ợc thể theo công thøc sau: b (t ) (k ) b j ®ã (k ) j Tb (t jTb ) (1.6) b (j k ) 1,1 1 t Tc Tb t (khac) Chuỗi trải phổ riêng biệt a ( k ) (t ) g¸n víi ng-êi sư dơng k biĨu diƠn theo c«ng thøc: a (k ) (t ) a h (k ) h Tc (t hTc ) (1.7) TÝn hiƯu d÷ liƯu cđa ng-êi sư dơng thø k b ( k ) (t ) chuỗi trải phổ riêng biệt a ( k ) (t ) đ-ợc nhân với để tạo tín hiệu băng tần rộng t-ơng đ-ơng băng tần bản, là: s ( k ) (t ) Pb( k ) b( k ) (t )a( k ) (t ) (1.8) Pb(k ) công suất phát trung bình tín hiệu ng-ời sử dụng thứ k Tín hiệu thu băng tổ hợp đa ng-êi sư dơng sÏ lµ: Footer Page 20 of 27 Header Page 21 of 27 K r (t ) Pb( k ) b ( k ) (t ( k ) )a ( k ) (t ( k ) ) n(t ) k (1.9) (k ) trễ truyền dẫn, cộng thêm trễ truyền t-ơng đối ng-ời sử dơng thø k víi c¸c ng-êi sư dơng kh¸c, n(t) nhiễu AWGN với mật độ phổ công suất No W/Hz (Hình 1-5-Mô hình hệ thống CDMA) 1.6.1 Nhiễu đ-ờng xuống Trong đ-ờng xuống (tức từ trạm gốc đến trạm di động), trạm gốc có khả đồng bé sù trun dÉn tÝn hiƯu cđa tÊt c¶ ng-êi sử dụng, cho độ kéo dài tín hiệu đ-ợc đồng chỉnh xen lẫn Nh- tín hiệu tổ hợp đ-ợc thu trạm di động với (k ) =0 với k=1,2,,K Quá trình truyền dẫn truyền đồng theo kí hiệu Sử dụng tách ng-ời dùng truyền thống, kí tự ng-ời sử dụng thứ j đ-ợc lấy từ tín hiệu thu đ-ợc r(t) cách lấy t-ơng quan so với mã trải ng-ời sử dụng thứ j , để thu đ-ợc: Footer Page 21 of 27 Header Page 22 of 27 ( j) bi sgn Tb ( j )* r ( t ) a ( t ) dt iTb ( i 1)Tb (1.10) Thay r(t) tõ biÓu thøc (1.9) vµo (1.10) cuèi cïng ta cã: ( j) bi K ( j) ( j) (k ) (k ) ( j) sgn b bi b bi R jk n k 1,k j nhieutrang tinhieumon gmuon nhieudatruynhap (1.11) Trong Rjk t-ơng quan chéo mã trải ng-ời sư dơng thø k vµ thø j víi iTb≤t≤(i+1)Tb , tÝnh theo c«ng thøc: T b ( j) (k ) R jk a ( t ) a (t )dt Tb (1.12) Trong tr-ờng hợp mã trải cđa ng-êi sư dơng trùc giao víi th× sÏ nhiễu Khi Rjk=0 jk Tuy nhiªn, viƯc thiÕt kÕ m· trùc giao cho mét sè lớn ng-ời sử dụng phức tạp Ví dụ nh- m· Walsh-Hadamard dïng hƯ thèng IS-95 lµ mét kiểu mã trực giao 1.6.2 Nhiễu đ-ờng lên Ng-ợc lại với đ-ờng xuống, t-ợng hoàn toàn trực giao đạt đ-ợc với đ-ờng lên (từ trạm di động đến trạm gốc) Vì phối hợp truyền dÉn tÝn hiƯu cđa tÊt c¶ ng-êi sư dơng Trong CDMA, tất ng-ời sử dụng phát băng tần số theo cách không phối hợp Khi (k ) 0, t-ợng ứng với kịch đ-ợc gọi truyền dẫn không đồng Trong tr-ờng hợp trễ thời gian (k ) , k=1,2,…K sÏ cã tÝnh to¸n Không làm tính chất khái quát, giả sử (1)=0, thì: Footer Page 22 of 27 Header Page 23 of 27 0< (2)