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

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 Kü tht ®iƯn tư ng−êi h−íng dÉn khoa häc: TS Nguyễn Viết Nguyên Hà Nội - 2009 MC LC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ CÁC CHỮ VIẾT TẮT LỜI NÓI ĐẦU 11 PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA 13 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG THỨC ĐA TRUY NHẬP TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 13 1.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 13 1.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA 14 1.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 14 CHƯƠNG KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CÔNG NGHỆ CDMA 16 2.1 Giới thiệu hệ thống thông tin trải phổ 16 2.2 Kỹ thuật trải phổ CDMA 20 2.3 Các hệ thống thông tin trải phổ 28 PHẦN II CÁC PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HĨA HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG WCDMA 43 2.1 Đặt vấn đề 43 2.2 Vấn đề mở rộng vùng phủ dịch vụ 44 2.2.1 Hạn chế vùng phủ đường lên đường xuống 45 2.2.2 Phân tích quỹ đường truyền 46 2.3 Vấn đề cải thiện dung lượng 48 2.3.1 Hiện tượng dung lượng bị hạn chế 49 2.3.2 Phương pháp nghiên cứu, tính toán dung lượng hệ thống .50 2.3.3 Nhận dạng đường truyền giới hạn 52 2.4 Vai trò tải tế bảo đường lên công suất phát trạm gốc việc cải thiện dung lượng vùng phủ 54 2.4.1 Tác động tải tế bào đường lên .54 2.4.2 Tác động công suất trạm gốc 56 2.5 Phương pháp dùng sóng mang phụ mã trộn để tăng dung lượng mở rộng vùng phủ 58 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 2.5.1 Tỏc động sóng mang phụ 58 2.5.2 Tác động mã trộn .61 2.6 Kỹ thuật cải thiện vùng phủ dịch vụ dùng khuếch đại đỉnh cột anten tích cực 63 2.6.1 Cơ sở toán học 64 2.6.2 Tác động khuyếch đại đỉnh cột anten tích cực lên dung lượng vùng phủ 66 2.6.3 Áp dụng thực tế 67 2.7 Kỹ thuật sử dụng khuếch đại đỉnh RF từ xa 68 2.7.1 Cơ sở toán học 69 2.7.2 Tác động khuếch đại đỉnh RF từ xa lên dung lượng vùng phủ 69 2.8 Kỹ thuật sử dụng phân tập thu mức cao 71 2.8.1 Tác động phân tập thu mức cao lên dung lượng vùng phủ 72 2.8.2 Áp dụng thực tế 74 2.9 Kỹ thuật sử dụng phân tập hướng phát 76 2.9.1 Cơ sở tính tốn .76 2.9.2 Tác động kỹ thuật phân tập hướng phát lên dung lượng vùng phủ 79 2.10 Kỹ thuật sử dụng anten thay đổi búp sóng 82 2.10.1 Cơ sở toán học 82 2.10.2 Hiệu kỹ thuật anten chỉnh búp sóng 84 2.11 Giải pháp sử dụng cấu hình chia tối ưu 87 2.12.1 Nguyên lý .92 2.12.2 Tác động việc Sector hóa lên dung lượng vùng phủ .93 2.12.3 Áp dụng thực tế 95 2.13 Giải pháp dùng lặp 96 2.13.1 Tác động lặp lên dung lượng vùng phủ .98 2.13.2 Áp dụng thực tế 101 2.14 Giải pháp triển khai tế bào micro 101 2.14.1 Triển khai tế bào micro 101 2.14.2 Tác động triển khai tế bào micro lên dung lượng vùng phủ 105 2.15 Phân tích, đánh giá kỹ thuật cải thiện dung lượng vùng ph 106 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi PHẦN III KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐA SÓNG MANG ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG MC-CDMA 111 3.1 Kỹ thuật OFDM 111 3.1.1 Các ưu điểm nhược điểm hệ thống OFDM 112 3.1.2 Từ điều chế đa sóng mang FDM đến OFDM 113 3.1.3 Lý thuyết điều chế OFDM 114 3.1.4 Lý thuyết giải điều chế OFDM .120 3.2 Kỹ thuật MC–CDMA MC-DS-CDMA 125 3.2.1 Giới thiệu MC-CDMA 125 3.2.2 Nguyên lý MC-CDMA MC-DS-CDMA 127 KẾT LUẬN 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO 131 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hƯ míi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1.1: So sánh ưu nhược điểm mơ hình đa truy nhập FDMA, TDMA CDMA 16 Bảng 1.2.1: Trạng thái ghi dịch tạo dãy mã giả ngẫu nhiên 22 Bảng 2.1: Một ví dụ quỹ đường truyền cho số liệu khơng đối xứng 46 Bảng 2.2: Ví dụ quỹ đường truyền đường lên minh họa ảnh hưởng tốc độ số liệu dịch vụ 47 Bảng 2.3: Tóm tắt đặc điểm trường hợp hạn chế dung lượng 50 Bảng 2.4: Sự thay đổi thông lượng tế bảo đường lên theo dạng dịch vụ 51 Bảng 2.5: So sánh tải tế bào đường lên đường xuống 52 Bảng 2.6: Quỹ đường truyền đường xuống sử dụng để tính tốn u cầu cơng suất phát trạm gốc 53 Bảng 2.7: Tác động việc tăng mức tải tế bào đường lên 56 Bảng 2.8: Một số cấu hình cơng suất phát trạm gốc điển hình 56 Bảng 2.9: Các thơng số dung lượng điển hình cho tế bào bị hạn chế dung lượng đường xuống với cấu hình cơng suất phát sóng mang khác 60 Bảng 2.10: Dung lượng vô tuyến trường hợp tế bào micro có khơng có phân tập đường truyền, dựa suy hao truyền lan cho phép 144,7 dB (quỹ đường truyền cho đường lên 64 kbit/s với 70% tải) 62 Bảng 2.11: Giới hạn kênh lưu lượng mã hóa OVSF đơna 63 Bảng 2.12: Tham số thiết lập cho phân hệ thu MHA 65 Bảng 2.13: Độ lợi thu từ việc sử dụng MHA hàm số suy hao phi 66 Bảng 2.14: Suy giảm dung lượng sử dụng MHA cho hệ thống bị hạn chế dung lượng đường xuống 67 Bảng 2.15: So sánh lặp khuếch đại RF từ xa 69 Bảng 2.16: Đánh giá độ lợi dung lượng sử dụng khuếch đại đỉnh RF từ xa 70 Bảng 2.17: Sự giảm yêu cầu Eb/N0 tiếng liên quan đến phân tập thu mức cao so với phân tập thu 02 nhánh 72 Bảng 2.18: So sánh dung lượng đường lên tế bào phân tập thu mức cao 04 nhánh tế bào phân tập thu 02 nhánh (giới hạn tải đường lên 30%) 73 Bảng 2.19: So sánh suy hao dung lượng đường xuống ứng với việc sử dụng MHA phân tập thu 04 nhánh 74 Bảng 2.20: So sánh Eb/N0 yêu cầu phân tập phát vịng kín dạng chế độ vịng hở với trạm sử dụng anten đơn (độ lợi trung bình cho dịch vụ 12,2 kbit/s với 144 kbit/s, tiêu BLER 1%) 80 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi Bảng 2.21: Tập hợp mức độ độ lợi dung lượng tiêu biểu cho hai trường hợp tế bào macro micro 81 Bảng 2.22: Dịch pha ϑm cho ma trận Butler 4x4 83 Bảng 2.23: Kết mô độ lợi hoạt động đường lên cho loạt cấu hình anten 84 Bảng 2.24: Độ lợi việc giảm Eb/N0 yêu cầu đường xuống sử dụng Anten nhiều búp sóng so với tế bào sử dụng anten 85 Bảng 2.25: So sánh dung lượng cấu hình trạm gốc thơng thường với cấu hình trạm gốc ROC, sở suy hao truyền lan cho phép 154,4 dB 90 Bảng 2.26: So sánh dung lượng cấu hình trạm gốc thơng thường với cấu hình trạm gốc ROC, sở suy hao truyền lan cho phép 156,6 dB 91 Bảng 2.27 Ứng dụng mức Sector hóa khác 93 Bảng 2.28 Chỉ số nhiễu tế bào, anten đặc trưng tổn hao chuyển giao mềm cho mức Sector hóa khác 93 Bảng 2.29: Tác động Sector hóa lên dung lượng trạm, sở suy hao truyền lan cho phép 154,4 dB tương ứng với số liệu đường lên 64 kbit/s cho cấu hình 1+1+1 94 Bảng 2.30: Tác động Sector hóa lên dung lượng trạm, sở suy hao truyền lan cho phép 149,6 dB tương ứng với số liệu đường lên 384 kbit/s cho cấu hình 1+1+1 95 Bảng 2.31: Thông số đặc trưng lặp WCDMA 98 Bảng 2.32 Sự khác quỹ đường truyền đường lên tế bào gốc trạm lặp 99 Bảng 2.33: Tác động lên dung lượng đường lên mặt người dùng tiếng trạm lặp chèn vào tế bào tính tốn với 30% tải đường lên 100 Bảng 2.34: So sánh giải pháp tế bào micro 101 Bảng 2.35: So sánh tham số liên quan đến dung lượng tế bào macro micro 102 Bảng 2.36: So sánh dung lượng tế bào macro với tế bào micro với giả thiết hai lắp đặt khối khuếch đại công suất 20W 103 Bảng 2.37: Dung lượng tế bào micro cấp 5W công suất phát 104 Bảng 2.38: Hạn chế mã hóa kênh đơn dến kênh lưu lượng tế bào microa 105 Bảng 2.39: So sánh tham số có liên quan vùng phủ tế bào macro micro105 Bảng 3.1.1: So sánh MC-CDMA 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 CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1.1: So sánh mơ hình đa truy nhập FDMA, TDMA CDMA 13 Hình 1.2.1: Hiệu trải phổ chống nhiễu 19 Hình 1.2.2: Bộ ghi dịch hồi tiếp tuyến tính 21 Hình 1.2.3: Đồ thị hàm tự tương quan thơng thường dãy có độ dài tối đa Rx(τ) 23 Hình 1.2.4: Sơ đồ mạch tạo dãy Gold 25 Hình 1.2.5: Hàm tự tương quan dãy Gold 25 Hình 1.2.6: Mơ hình trải phổ triệt nhiễu 26 Hình 1.2.7: Tác dụng triệt nhiễu hệ thống trải phổ 28 Hình 1.2.9: Sơ đồ phía thu theo kĩ thuật trải phổ dãy trực tiếp 29 Hình 1.2.10: Sơ đồ khối hệ thống DS-CDMA 31 Hình 1.2.11: Phổ tín hiệu thu tạp âm sau nhân 32 Hình 1.2.12: Sơ đồ khối máy phát DSSS sử dụng BIT/SK 32 Hình 1.2.13: Giản đồ dạng sóng tín hiệu đầu máy phát DSSSBPSK (giả thiết N = 7) 33 Hình 1.2.14: Sơ đồ khối máy thu DSSS-BIT/SK dạng sóng tín hiệu 35 Hình 1.2.15: Phổ tín hiệu FH lí tưởng 38 Hình 1.2.16: Sơ đồ máy phát trải phổ nhảy tần 38 Hình 1.2.17: Sơ đồ máy thu trải phổ nhảy tần 39 Hình 1.2.19: Phương pháp trải phổ nhảy thời gian 41 Hình 2.1: Các phân hệ thu trạm gốc điển hình – WCDMA riêng biệt GSM/WCDMA tích hợp 65 Hình 2.2: Cấu trúc trạm gốc khuếch đại đỉnh RF từ xa 68 Hình 2.3: Kích thước anten điển hình tương ứng với phân tập thu bốn nhánh 75 Hình 2.4: Nguyên lý áp dụng phân tập phát vịng kín WCDMA 77 Hình 2.5: Ngun lý mã hóa phân tập phát khơng gian – thời gian WCDMA78 Hình 2.6: Dạng hình học dàn anten thẳng đồng cho sóng phẳng với hướng đến θ 83 Hình 2.7: Cấu trúc trạm gốc cấu hình ROC 88 Hình 2.8: Mơ hình chia sẻ cơng suất phát đường xuống cấu hình chia sẻ tối ưu89 Hình 2.9: Giải pháp sử dụng lặp 97 Hình 2.10: So sánh lặp WCDMA, số tương tự 97 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi Hình 3.1.1: Tổng quan hệ thống OFDM 111 Hình 3.1.2: Mật độ phổ lượng tín hiệu điều chế đa sóng mang OFDM 113 Hình 3.1.3a : Phổ tín hiệu kênh 114 Hình 3.1.3b : Phổ tín hiệu hệ thống kênh 114 Hình 3.1.4: Bộ điều chế OFDM 115 Hình 3.1.5: Mơ tả thời gian/tần số ký hiệu OFDM khung OFDM 116 Hình 3.1.6: Mơ tả khái niệm chuỗi bảo vệ 117 Hình 2.1.7: Mô tả ứng dụng chuỗi bảo vệ việc chống nhiễu ISI 118 Hình 3.1.8: Xung sở 119 Hình 3.1.9: Sơ đồ điều chế OFDM sử dụng IFFT 120 Hình 3.1.10: Mơ hình kênh truyền dẫn 121 Hình 3.1.11: Sơ đồ khối giải điều chế OFDM 121 Hình 3.1.12: Mơ tả tách chuỗi bảo vệ giải điều chế OFDM 122 Hình 3.1.13: Sơ đồ khối giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT 125 Hình 2.1.14: Bản chất MC-CDMA 126 Hình 3.1.15: Nguyên lý MC-CDMA MC-DS-CDMA 127 Hình 3.1.16: Nguyên lý MC-CDMA 128 Hình 3.1.17: Phổ tín hiệu MC-CDMA trải phổ miền tần số 128 Hình 3.1.18: Nguyên lý MC-DS-CDMA 128 Hình 3.1.19: Phổ tín hiệu MC-DS-CDMA trải phổ miền thời gian 129 Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3G Third Generation Thế hệ thứ 4G Fourth Generation Thế hệ thứ ADC Analog Digital Converter Biến đổi tương tự - số AMPS Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động cải tiến AWGN Additive White Gaussian Noise Tạp âm Gaussian trắng cộng BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi Bit BIT/SK (BPSK) Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CLK Clock Xung đồng hồ DAB Digital Audio Broadcasting Truyền kỹ thuật số DAC Digital Analog Converter Biến đổi Số - Tương tự DC Down Converter Đổi tần xuống DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DPSK Differential hase Shift Key Khoá dịch pha vi phân DS-CDMA Direct Sequence - CDMA CDMA trải phổ dãy trực tiếp DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số DSSS Direct Sequense Spreading Spectrum Trải phổ dãy trực tiếp DSSS-BPSK DSSS- Binary Phase Shift Key Trải phổ dãy trực tiếp với điều chế nhị phân DVB-T Terrestrial Digital Video Broadcasting Truyền hình số mặt đất EGC Equal Gain Combining Kết hợp hệ số cân FDM Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FFH Fast Frequency Hopping Nhảy tần 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 Trải phổ nhảy tần FSK Frequency Shift Key Khoá dịch tần GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thơng tin di động tồn cầu IDFT Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ngược IC Interference Cancellation Khử (huỷ) nhiễu ICI Inter Channel Interference Nhiễu liên kênh IF Intermediary Frequency Trung tần IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược ISI InterSymbol Interference Nhiễu xuyên tín hiệu LAN Local Area Network Mạng cục LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập MAP Maximum A Posteriori Xác suất hậu nghiệm lớn MC-CDMA MultiCarrier CDMA Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang MF Match Filtering Lọc tương thích MIMO Multiple Input - Multiple Output Đa cổng vào - Đa cổng MLD Maximum Likehood Detection Tách sóng (phát hiện) khả giống lớn ML-MUD Maximum Likehood - MUD Tách sóng đa người dùng khả giống lớn MLSE Maximum Likehood Sequence Estimation Ước định chuỗi khả giống lớn MLSSE Maximum Likehood Symbol by Symbol Estimation Ước định khả giống lớn ký tự MMAC Multimedia Mobile Access Communication Mạng thông tin truy nhập di động đa phương tiện MMSE Minimum Mean Square Error Sai số trung bình bình phương cực tiểu MRC Maximum Ratio Combining Kết hợp tỷ số lớn MS Mobile Station Máy di động 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 Tín hiệu gọi mẫu tín hiệu OFDM thứ k, biểu diễn tín hiệu OFDM tổng quát là: m' (t ) = ∞ ∑ m'k (t ) = k = −∞ ∞ +L ∑ ∑d k = −∞ n = − L k ,n s ' (t − kT )e jnω st (3.1.4) Ở tín hiệu m′(t) tín hiệu m′k(t) với số k (chỉ số mẫu tín hiệu OFDM số thời gian) chạy tới vô hạn Ưu điểm phương pháp điều chế trực giao OFDM không hiệu sử dụng băng tần mà có khả loại trừ nhiễu xun tín hiệu ISI thông qua sử dụng chuỗi bảo vệ (Guard Interval) Do tín hiệu OFDM trước phát chèn thêm chuỗi bảo vệ để chống nhiễu xuyên tín hiệu ISI trình bày mục 3.1.3.3 Chuỗi bảo vệ hệ thống OFDM Giả thiết mẫu tín hiệu OFDM có độ dài TS hình vẽ (hình 3.1.6) Chuỗi bảo vệ chuỗi tín hiệu có độ dài TG phía sau chép lên phần phía trước mẫu tín hiệu Sự chép có tác dụng chống lại nhiễu xuyên tín hiệu gây hiệu ứng phân tập đa đường Nguyên tắc giải thích sau: Chuỗi bảo vệ TG Phần tín hiệu có ích TS Hình 3.1.6: Mơ tả khái niệm chuỗi bảo vệ Giả thiết máy phát phát khoảng tín hiệu hình sin có chiều dài TS Sau chèn chuỗi bảo vệ, tín hiệu có chu kỳ T = TS + TG Do hiệu ứng phân tập đa đường tín hiệu đến máy thu qua nhiều tuyến đường truyền với trễ truyền dẫn khác Để đơn giản cho việc giải thích ngun lý này, hình vẽ (hình 3.1.7) mơ tả tín hiệu thu từ tuyến truyền dẫn, tuyến truyền dẫn khơng có trễ, tuyến lại trễ so với tuyến τmax Ở tuyến ta nhận thấy mẫu tín hiệu thứ (k-1) khơng chồng lấn lên mẫu tín hiệu thứ k Điều ta giả sử tuyến khơng có trễ truyền dẫn Tuy nhiên tuyến 2, mẫu tín hiệu thứ (k-1) bị dịch sang mẫu tín hiệu thứ k khoảng max tr truyn Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi 118 dẫn Tương tự vậy, mẫu tín hiệu thứ k bị dịch sang tín hiệu thứ (k+1) khoảng τmax Tín hiệu thu máy thu tổng tín hiệu tất tuyến Sự dịch tín hiệu trễ truyền dẫn phương pháp điều chế thơng thường gây nhiễu xun tín hiệu ISI Tuy nhiên hệ thống OFDM có sử dụng chuỗi bảo vệ loại bỏ nhiễu Trong trường hợp TG ≥ τmax mơ tả hình (hình 3.1.7), phần chồng lấn tín hiệu gây nhiễu ISI nằm khoảng chuỗi bảo vệ Khoảng tín hiệu có ích có độ dài Ts khơng bị chồng lấn mẫu tín hiệu khác Ở phía thu, chuỗi bảo vệ bị gạt bỏ trước gửi đến giải điều chế OFDM Điều kiện định để đảm bảo hệ thống OFDM không bị ảnh hưởng nhiễu ISI là: TG ≥ τmax Việc sử dụng chuỗi bảo vệ đảm bảo tính trực giao sóng mang phụ, đơn giản hố cấu trúc đánh giá kênh truyền, cân tín hiệu phía máy thu Tuy nhiên chuỗi bảo vệ khơng mang thơng tin có ích nên phổ tín hiệu hệ thống bị giảm hệ số η= TS TS + TG (3.1.5) Chuỗi bảo vệ Phần có ích ký hiệu k Copy chuỗi bảo vệ τmax TG kT TS t k(T+1) Hình 2.1.7: Mơ tả ứng dụng chuỗi bảo vệ việc chống nhiu ISI Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi 119 3.1.3.4 Phép nhân với xung Trong hệ thống truyền dẫn vô tuyến nào, tín hiệu trước truyền nhân với xung Mục đích phép nhân giới hạn phổ tín hiệu phát cho phù hợp với bề rộng cho phép kênh truyền Trong trường bề rộng phổ tín hiệu phát lớn bề rộng kênh truyền cho phép tín hiệu phát gây nhiễu xuyên kênh hệ thống khác Trong hệ thống OFDM, tín hiệu trước phát nhân với xung s’(t) Xung có bề rộng bề rộng mẫu tín hiệu OFDM Sau chèn chuỗi bảo vệ xung ký hiệu s(t) có độ rộng TS + TG Dạng xung đơn giản xung vng mơ tả (hình 3.1.8) S(t) S0 S’(t) -TG TS t T Hình 3.1.8: Xung sở ⎧S S (t ) = ⎨ ⎩0 nêu − TG ≤ t ≤ TS Cac truong hop lai Trong thực tế xung sở thường sử dụng lọc Cos nâng 3.1.3.5 Thực điều chế OFDM thuật tốn IFFT Tín hiệu phát sau giải điều chế OFDM dạng tương tự biểu thức (3.1.3) viết lại sau m'k (t ) = +L ∑d n =− L k ,n s ' (t − kT ) e jnω s t (3.1.6.) Khi chuyển đổi tín hiệu tương tự thành số, luồng tín hiệu lấy mẫu với chu kỳ lẫy mẫu 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 B tồn bề rộng băng tần hệ thống Ở thời điểm lấy mẫu t = kT + lta , s′(t – kT) = s0, biểu thức (3.1.6.) viết lại là: m' k (kTs + lt a ) = s = s0 +L ∑d n =− L k ,n +L ∑d n =− L k ,n e jnω s ( kTs + lt a ) e jnω s kTs e jnω slt a Do ωskTs = 2πfsk (3.1.8) =2kπ, kết e jnω s kTs = fs Tương tự khai triển e jnω s lt a =e jn 2πf s f s N F FT =e j 2π nl N FFT , (3.1.8) viết lại m (kTs + lt a ) = s0 ' k k ,n e (3.1.9) m(lta) Biến đổi số tương tự dk,-L m'(lta) Chèn khoảng bảo vệ IFFT dk,n Song song/nối tiếp ai,-L Mã hoá Nối tiếp/song song ai,n ∑d n=− L nl N FFT dk,+L ai,+L {al} j 2π +L m(t) Hình 3.1.9: Sơ đồ điều chế OFDM sử dụng IFFT Phép biểu diễn tín hiệu OFDM (3.1.9) trùng hợp với phép biến đổi IDFT Do vậy, điều chế OFDM thực cách dễ dàng phép biến đổi IDFT Trong trường hợp NFFT bội số 2, phép biến đổi IDFT thay phép biến đổi nhanh IFFT Sơ đồ điều chế OFDM sử dụng thuật toán IFFT thể hình 3.1.9 3.1.4 Lý thuyết giải điều chế OFDM 3.1.4.1 Khái niệm kênh truyền dẫn phân tập đa đường Kênh truyền dẫn phân tập đa đường biểu mặt tốn học thơng qua đáp ứng xung h(τ,t) hàm truyền đạt H(jω,t) Đối với đáp ứng xung h(τ,t), biến τ ký hiệu trễ truyền dẫn kênh Trễ truyền dẫn khoảng thời gian cần thiết để tín hiệu chuyển từ máy phát đến máy thu Biến t thời gian tuyệt đối (hay thời im Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động thÕ hƯ míi 121 quan sát kênh) Biến đổi Fourier đáp ứng xung τ cho ta hàn truyền đạt kênh H ( jω , t ) = ∞ ∫ h (τ , t )e − j ωτ dτ (3.1.10) −∞ Để đơn giản hoá cho việc mô tả nguyên tắc giải điều chế, môi trường truyền dẫn giả thiết khơng có can nhiễu tạp âm trắng (Additive White Gaussian Noise) Mối liên hệ tín hiệu phát m(t), tín hiệu thu u(t) đáp ứng xung kênh h(τ,t) mơ tả hình 3.1.10 m(t) h(τ,t) H(jω,t) u(t) Hình 3.1.10: Mơ hình kênh truyền dẫn Ở miền thời gian tín hiệu thu tích chập tín hiệu phát đáp ứng xung kênh u (t) = m(t) * h(τ,t) τ max = ∫ h (τ , t ) m(t − τ )dτ (3.1.11) −∞ Với ký hiệu (*) phép tích chập hai tín hiệu dk,+L e − jLω s t u'(t) Giải điều chế dk,n e jnω st Giải điều chế dk, - L âi, +L âi,n âi, -L Chuyển đổi song song/nối tiếp u(t) Tách khoảng bảo vệ Giải điều chế Chuyển mẫu thành bit tín hiệu 3.1.4.2 Bộ giải điều chế OFDM {âl} e jLω st Hình 3.1.11: Sơ đồ khối giải điều chế OFDM LuËn văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ míi 122 Sơ đồ cấu trúc giải điều chế OFDM mơ tả hình 3.1.11 Tín hiệu đưa vào giải điều chế u(t) Với tín hiệu phát m(t) biểu thức (3.1.4), biểu diễn u(t) viết dạng τ max u(t) = ∫ ⎛ ∞ ⎜∑ ⎜ k = −∞ ⎝ +L ∑ d s(t − τ − kT ).e n =− L k ,n jnω s ( t −τ − kT ) ⎞ ⎟ h (τ , t ) dτ ⎟ ⎠ (3.1.12) Các bước thực giải điều chế có chức ngược lại so với chức thực điều chế Các bước bao gồm: • Tách khoảng bảo vệ mẫu tín hiệu thu • Nhân với hàm số phức e jnω t (dịch băng tần tín hiệu sóng mang băng tần gốc trước điều chế) • Giải điều chế sóng mang phụ • Chuyển đổi mẫu tín hiệu phức thành dịng bit • Chuyển đổi dịng bit song song thành dịng bit nối tiếp n a) Tách khoảng bảo vệ u(t) (k – 1) T (k+1) T kT t u'(t) (k-1) Ts kTs (k+1) Ts t Hình 3.1.12: Mơ tả tách chuỗi bảo vệ giải điều chế OFDM Sau tách chuỗi bảo vệ khỏi luồng tín hiệu u(t), luồng tín hiệu nhận là: u'(kTs + t) = u(kT + t) ≤ t ≤Ts , ∀k (3.1.13) Tuỳ theo độ dài chuỗi bảo vệ so với trễ truyền dẫn lớn kênh, điều kiện kênh truyền (kênh phụ thuộc thời gian hay không phụ thuộc thời gian) ta có kết khác sau giải điều chế b) Tín hiệu sau giải điều chế Bộ giải điều chế sóng mang phụ mạch tích phân thực chức sau đây: ∧ d k ,l = T0 ( k +1)Ts ∫ u' k (t )e − jlω s t dt (3.1.14) kTs LuËn văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ míi 123 ∧ Trong d k ,l tín hiệu tích phân nằm sóng phụ thứ l mẫu tín hiệu OFDM thứ k (khe thời gian thứ k) Thay cách biểu diễn u’k(t) từ (3.1.13) kết hợp với biểu diễn uk(t) biểu thức (3.1.12) ta viết lại (3.1.14) sau: ∧ d k ,l = T0 ⎧⎪τ max ⎫⎪ jω ( n −1)(t − kTs ) − jnω sτ d dτ ⎬.e s dt ∑ k , n ⎨ ∫ h(τ , t )s (t − τ − kTs )e ⎪⎩ ⎪⎭ n=− L ( k +1)Ts + L ∫ kTs (3.1.15) Với điều kiện TG ≥ τmax, TG độ dài chuỗi bảo vệ τmax độ dài lớn trễ truyền dẫn, ta dễ dàng nhận thấy rằng: s0 ≤ τ ≤ τmax kTs ≤ t ≤ (k+1)Ts (3.1.16) s(t- τ - kTs) trường hợp cịn lại Do (3.1.15) rút gọn thành ∧ d k ,l = s0 Ts ( k +1)Ts + L ∫ kTs ⎫ ⎧τ max − jnω sτ d dτ ⎬ e jω s ( n −l )(t − kTs ) dt ∑ k , n ⎨ ∫ h(τ , t )e n=− L ⎭ ⎩ (3.1.17) Biểu thức ngoặc kép biểu diễn hàm truyền đạt kênh ⎧⎪τ max ⎪⎩ ⎫⎪ ⎪⎭ H(nωs,t) = ⎨ ∫ h(τ , t )e − jnω τ dτ ⎬ s (3.1.18) Cuối cùng, tín hiệu sau giải điều chế sóng mang phụ biểu diễn dạng ∧ d k ,l s = T0 ( k +1)Ts + L ∫ ∑d kTs n=− L k ,n H (nω s , t ) e jω s ( n −l )(t − kTs ) dt (3.1.19) Trong biểu thức trên, kết tích phân cho trường hợp n = l cho ta tín hiệu có ích d kU,l , cịn kết tích phân cho trường hợp n ≠ l kết can nhiễu liên kênh ICI (InterCarrier Interference) d kIC,l I Phần tín hiệu có ích biểu diễn phương trình sau: d kU,l = s0 Ts ( k +1)Ts ∫d k l H (lω s , t )dt (3.1.20) kTs Và phần can nhiễu liên kênh c biu din bi Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi 124 d ICI k ,l s = Ts ( k +1)Ts + L ∫ ∑d kTs n=− L n ≠l k ,n H (nω s , t )e jω s ( n −l )(t − kTs ) dt (3.1.21) Giả sử kênh vô tuyến không phụ thuộc vào thời gian độ dài mẫu tín hiệu Ts, có nghĩa biến thời gian t hàm truyền đạt kênh H(nωs,t) loại bỏ phép lấy tích phân, thành phần có ích viết lại dạng d kU,l = s H (lω s ) (3.1.22) Thành phần nhiễu liên kênh viết lại: d kICI ,l = s0 Ts +L ( k +1)Ts n=− L n ≠l kTs ∑ d k l H (nω s ) ∫e jω s ( n −l )( t − kTs ) dt = (3.1.23) Do sóng mang trực giao với nhau, kết tích phân biểu thức (3.1.23) rõ ràng không Do thành phần can nhiễu liên kênh triệt tiêu trường hợp kênh không thay đổi thời gian chu kỳ tín hiệu 3.1.4.3 Thực giải điều chế thông qua phép biến đổi nhanh FFT Bộ giải chế OFDM dạng tương tự tích phân thể (3.1.14) Ở dạng mạch số, tín hiệu lấy mẫu với chu kỳ lấy mẫu ta Giả thiết mẫu tin OFDM Ts chia thành NFFT mẫu tín hiệu, độ rộng chu kỳ lấy mẫu ta = Ts N FFT (3.1.24) Sau lấy mẫu, tín hiệu nhận trở thành luồng tín hiệu số u’k (t) => u’k (kTs + nta), n = 0, 1, ,…, NFFT – (3.1.25) ∧ Mẫu tín hiệu sau giải chế d k ,1 biểu diễn dạng số sau: ∧ d k ,l = ta Ts N F FT −1 ∑ u' n=0 k (kTs + nt a )e − jlω s ( kTs + nt a ) (3.1.26) Tách biểu diễn thành phần hàm số mũ thành tích hai thành phần, (3.1.26) biểu diễn lại dạng ∧ d k ,l = ta Ts N F FT −1 ∑ u' n =0 k Với ý ωs= 2π (kTs + nt a )e − jnlω sta e − jlkω sTs (3.1.27) trình bày chương 3, biểu thức Ts nhận thấy e − jlkω T = e − jlk 2π = s s Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi 125 Mặt khác ω s t a = 2π ∧ d k ,l = 2π Do (3.1.27) viết lại ta = Ts N FFT N F FT −1 N FFT ∑ u' n =0 k (kTs + nt a )e − j 2πnl / N FFT (3.1.28) Một trùng hợp bất ngờ biểu thức lại phép biểu diễn DFT với chiều dài NFFT Mối liên hệ Weinstein Ebert tìm năm 1971 Nhờ có phát triển kỹ thuật số, phép thực DFT dễ dàng thực Đặc biệt NFFT bội số số 2, phép thực DFT thay phép biến đổi nhanh FFT d'k,n d'k,-L âk,+ L âk,n âk,+L Biến đổi song song/nối tiếp d'k,+L Giải mã FFT song Nối tiến/song u'(lta) Biến đổi nối tiếp/song song u(lta) Tách khoảng bảo vệ u(t) Biến đổi tương tự số Sơ đồ khối giải điều chế OFDM thực phép biến đổi nhanh FFT trình bày hình 3.1.13 sau: {â1} Hình 3.1.13: Sơ đồ khối giải điều chế OFDM sử dụng thuật toán FFT 3.2 Kỹ thuật MC–CDMA MC-DS-CDMA 3.2.1 Giới thiệu MC-CDMA MC–CDMA kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang, kết hợp CDMA OFDM Trong CDMA trải phổ liệu người dùng nhờ điều chế ký tự người dùng với chuỗi trải phổ tốc độ cao MC–CDMA trải phổ ký tự người dùng phát đồng thời liệu người dùng sóng mang ghép, mở rộng băng thông lớn Để dễ dàng tách ký tự phát MC–CDMA, ký tự người dùng mã hoá với mã trải phổ cho phép máy thu phân biệt ký tự người dùng Ưu điểm việc sử dụng MC–CDMA so với DS–CDMA là: máy thu DS–CDMA (ví dụ máy thu RAKE) xử lý tín hiệu thu miền thời gian máy thu MC–CDMA hoạt động miền tần số Xử lý miền thời gian miền tần số cung cấp hiệu tương tự kênh AWGN xử lý miền tần số thích hợp xử lý miền thời gian với cỏc kờnh a ng Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi 126 Đặc biệt kênh đa đường, để khai thác phân tập đa đường máy thu RAKE cần thiết (nghĩa máy thu sử dụng vài tương quan băng gốc để xử lý riêng lẻ vài thành phần tín hiệu đa đường) Khi số đường tăng, máy thu RAKE cần nhiều nhánh để khai thác lượng rải rác miền thời gian Theo cách khác, xử lý niền tần số, cho phép máy thu khôi phục lượng rải rác miền tần số mà khơng tăng độ phức tạp máy thu Vì lý đó, đa sóng mang thực hiện, bổ sung cho tất hệ thống đơn sóng mang Các ưu điểm làm cho MC–CDMA trở thành ứng viên hồn hảo cho hệ thống vơ tuyến hệ sau Services CDMA OFDM OFDM CDMA T T R R MC–CDMA Tx Services MC–CDMA Rx Hình 2.1.14: Bản cht MC-CDMA Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi 127 3.2.2 Ngun lý MC-CDMA MC-DS-CDMA Hình 3.1.15: Nguyên lý MC-CDMA MC-DS-CDMA Sự khác MC-CDMA MC-DS-CDMA mơ tả hình (hình 3.1.15) Trong hai phương thức, người dùng chia băng thông thời điểm Dữ liệu trải phổ nhờ mã trải phổ người dùng Cả MC-CDMA MC-DS-CDMA ứng dụng điều chế đa sóng mang để giảm tốc độ ký tự dẫn đến lượng ISI kênh 3.2.2.1 Nguyên lý MC-CDMA Nguyên lý MC-CDMA ánh xạ chip ký tự liệu trải phổ mặt tần số vài kênh song song MC-DS-CDMA ánh xạ chip ký tự liệu trải phổ mặt thời gian ký tự đa sóng mang MC-CDMA phát ký tự liệu người dùng đồng thời vài kênh băng hẹp Các kênh nhân với mã chíp trải phổ người dùng riêng Điều chế đa sóng mang OFDM thực Pha đinh kênh băng hẹp xét pha đinh phẳng MC-CDMA đưa thiết kế hệ thống mềm dẻo, cho phép điều chỉnh độ phức tạp máy thu Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hƯ míi 128 Hình 3.1.16: Ngun lý MC-CDMA Hình 3.1.17: Phổ tín hiệu MC-CDMA trải phổ miền tần số 3.2.2.2 Nguyên lý MC-DS-CDMA Nguyên lý MC-DS-CDMA mô tả hình 3.1.18 MC-DS-CDMA chuyển đổi nối tiếp-song song, chuyển đổi ký tự liệu tốc độ cao thành luồng tốc độ thấp trước trải phổ ký tự liệu kênh với mã trải phổ người dùng mặt thời gian, tương ứng với trải phổ chuỗi trực tiếp kênh Các mã trải phổ ứng dụng kênh khác Hình 3.1.18: Nguyên lý MC-DS-CDMA Luận văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di ®éng thÕ hƯ míi 129 Hình 3.1.19: Phổ tín hiệu MC-DS-CDMA trải phổ miền thời gian 3.2.2.3 So sánh MC-CDMA MC-DS-CDMA Bảng 3.1.1: So sánh MC-CDMA MC-DS-CDMA Tham số MC-CDMA MC-DS-CDMA Trải phổ Trải phổ trực tiếp miền Trải phổ trực tiếp miền tần số thời gian Khoảng cách sóng P P FS = G FS ≥ G mang N cTd N cTd Thuật tốn tách sóng Đặc điểm Ứng dụng Ưu điểm Nhược điểm MRC, EGC, ZF, Cân MMSE, IC, MLD Rất hiệu cho kênh đường xuống đồng nhờ sử dụng mã trực giao Kênh đường lên đường xuống đồng - Thực đơn giản với biển đổi DFT hay FFT - Máy thu phức tạp thấp - Phổ hiệu dụng lớn - Độ lợi phân tập tần số cao trải phổ miền tần số - Tỷ số cơng suất đỉnh trung bình (PAPR) đặc biệt cao đường lên - Truyền dẫn đồng Tách sóng tương quan Được thiết kế đặc biệt cho kênh đường lên di Kênh đường lên đường xuống dị - Tỷ số công suất đỉnh trung bình (PAPR) thấp đường lên - Độ lợi phân tập thời gian cao trải phổ miền thời gian - Xảy nhiễu ISI ICI kết thu phức tạp - Phổ hiệu dụng thấp lược đồ điều chế đa sóng mang khác sử dụng LuËn văn thạc sĩ khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ míi 130 KẾT LUẬN Luận văn trình bày kỹ thuật tối ưu hóa mạng truy nhập vơ tuyến hệ thống thông tin di động hệ nay: sở toán học, khả phương pháp ứng dụng kỹ thuật vào thực tế Luận văn sâu nghiên cứu công nghệ tối ưu hóa cho mạng WCDMA – mạng di động hệ thứ (3G) tìm hiểu cơng nghệ OFDM mạng MC-CDMA xem ứng cử viên tiềm cho hệ thống thông tin di động 4G tương lai Cụ thể luận văn đạt số kết sau: Tổng quan công nghệ CDMA Các phương pháp tối ưu hóa hệ thống thơng tin di động WCDMA Kỹ thuật điều chế đa sóng mang ứng dụng hệ 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 LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Phạm Ngọc Bính (2007), Hệ thống thông tin di động MC-CDMA, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội Nguyễn Phạm Anh Dũng (2001), Thông tin động hệ 3, Nhà xuất bưu điện Nguyễn Văn Đức (2006), Lý thuyết ứng dụng Kỹ thuật OFDM, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Đỗ Trường Giang (2008), Tối ưu hóa mạng truy nhập vô tuyến mạng thông tin di động WCDMA, Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội Vũ Đức Thọ (1997), Thông tin di động số CELLULAR, Nhà xuất giáo dục Tiếng 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 ®éng thÕ hƯ míi ... - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ 13 PHN I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG THỨC ĐA TRUY NHẬP TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG Việc phân chia kênh liên kết cho máy di. .. khoa học - Các phơng pháp tối u hóa hệ thống thông tin di động hệ míi 11 LỜI NĨI ĐẦU Thơng tin di động đời vào cuối năm 1940 có tốc độ phát triển nhanh chóng Hiện hệ thứ đưa vào sử dụng hệ thứ nghiên... phổ sử dụng Phần II CÁC PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG WCDMA Phần trình bày sở toán học, tác động áp dụng thực tế kỹ thuật cải thiện dung lượng vùng phủ mạng di động hệ thứ