Giải pháp kết hợp CDMA OFDM cho hệ thống thông tin di động

Nguyễn tiền phương giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sĩ khoa học Kỹ thuật điện tử ngành : kỹ thuật điện tử GIảI PHáP KếT HợP CDMA/OFDM CHO Hệ THốNG thông tin di động Nguyễn tiền phương 2006 - 2008 Hà Nội 2008 Hà Nội 2008 giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sĩ khoa học GIảI PHáP KếT HợP CDMA/OFDM CHO Hệ THốNG thông tin di động ngành : kỹ thuật điện tử mà số:23.04.3898 Nguyễn tiền phương Người hướng dẫn khoa học : TS đào ngọc chiến Hà Néi 2008 ABSTRACT Communications is part of a basic human need The rapid increase in the number of wireless mobile terminal subscribers, which currently highlights the importance of wireless communications in this new millennium The user’s demands: multimedia service, data transmission rate, bandwidth, change rapidly Therefore, wireless technologies need to adapt to this change Today’s Wireless mobile communication technologies such as: DS-CDMA systems offer several advantages in cellular environments including easy frequency planning, high immunity against interference if a high processing gain is used, and flexible data rate adaptation Beside that, OFDM system also has several advantages include: High spectral efficiency due to nearly rectangular frequency spectrum for high numbers of sub-carriers, Simple digital realization by using the FFT operation, Low complex receivers due to the avoidance of ISI and ICI with a sufficiently long guard interval Flexible spectrum adaptation can be realized, e.g., notch filtering The advantages of OFDM modulation on one hand and the flexibility offered by the CDMA technique on the other hand have motivated many researchers to investigate the combination of both techniques, known as Multi-Carrier CDMA It allows one to benefit from several advantages of both OFDM modulation and CDMA technique by offering, for instance, high flexibility, high spectral efficiency, simple and robust detection techniques and narrow band interference rejection capability MC CDMA are today considered potential candidates to fulfill the requirements of next generation (4G) high-speed wireless multimedia communications systems, where spectral efficiency and flexibility will be considered the most important criteria for the choice of the air interface The aim of this thesis to combine the principle of a CDMA system with OFDM This thesis is organized as follows: In Chapter 1: This chapter describes the fundamentals of Radio-Communications Theory including a detailed description of the radio channel and its modeling In Chapter 2: This chapter describes the fundamentals of OFDM system including the basic principle of OFDM modulation, the model of OFDM system and the system analysis In Chapter 3: This chapter describes the fundamentals of MC-CDMA system including the basic principle of MC-CDMA technique, the model of MC-CDMA system and the system analysis In Chapter 4: This chapter describes the combination of CDMA and OFDM This combination allows one to perform an optimal detection, to use the available spectrum in an efficient way, to retain many advantages of a CDMA system, and to exploit frequency-diversity In addition, it allows simple cell-separation by using frequency hopping, and a simple hardware realization LỜI CAM ĐOAN Từ kiến thức ứng dụng thực tế, qua thời gian học giai đoạn đại học cao học trường đại học Bách Khoa Hà Nội, đồng ý hướng dẫn TS Đào Ngọc Chiến, tìm hiểu thêm sách báo, tạp trí tài liệu mạng, từ tập hợp thơng tin để hồn thành luận văn Tơi xin cam đoan nội dung luận văn cơng trình nghiên cứu riêng tôi, không chép từ luận văn khác Do trình độ có hạn nên luận văn khơng tránh khỏi có sai sót, mong thầy góp ý kiến Tôi xin cam đoan điều thật, sai tơi hồn tồn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 19 tháng 11 năm 2008 Học viên Nguyễn Tiền Phương MỞ ĐẦU Trong xã hội đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin nhu cầu thiết yếu Các hệ thống thông tin di động đời tạo cho người khả thông tin lúc, nơi Nhu cầu ngày lớn nên số lượng khách hàng sử dụng thông tin di động ngày tăng, mạng thông tin di động mở rộng ngày nhanh Chính vậy, cần phải có biện pháp tăng dung lượng cho hệ thống thơng tin di động có Hệ thống CDMA đời chứng tỏ khả hỗ trợ nhiều user so với hệ thống trước Hơn nữa, so với hai phương pháp đa truy nhập truyền thống phân chia theo tần số FDMA phân chia theo thời gian TDMA phương pháp truy nhập phân chia theo mã CDMA có đặc điểm trội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền liệu với tốc độ khác nhau… Tuy nhiên, tương lai, nhu cầu dịch vụ số liệu ngày tăng, mạng thông tin di động không đáp ứng nhu cầu vừa vừa nói chuyện mà cịn phải cung cấp cho người sử dụng dịch vụ đa dạng khác truyền liệu, hình ảnh video… Chính vậy, vấn đề dung lượng tốc độ cần phải quan tâm Trong năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), kỹ thuật điều chế đa sóng mang, sử dụng rộng rãi ứng dụng vô tuyến hữu tuyến Ưu điểm OFDM khả truyền liệu tốc độ cao qua kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thơng, hệ thống phức tạp việc điều chế giải điều chế đa song mang giải thuật IFFT FFT Để đáp ứng nhu cầu ngày cao người sử dụng, ý tưởng kỹ thuật MC-CDMA đời, dựa kết hợp CDMA OFDM MC-CDMA kế thừa tất ưu điểm CDMA OFDM: tốc độ truyền cao, tính bền vững với fading chọn lọc tần số, sử dụng băng thơng hiệu quả, tính bảo mật cao giảm độ phức tạp hệ thống Chính vậy, MC-CDMA ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động tương lai Do vậy, định chọn luận văn thạc sĩ khoa học với đề tài: “Giải pháp kết hợp CDMA/OFDM cho hệ thống thông tin di động” hướng dẫn TS Đào Ngọc Chiến Luận văn sâu nghiên cứu, mô giải pháp cải thiện hiệu suất hệ thống thông tin di động dựa công nghệ CDMA kết hợp OFDM (MC-CDMA) Luận văn gồm chương: Chương I: Lý thuyết kênh vô tuyến Chương II: Điều chế phân chia theo tần số trực giao (OFDM) Chương III: Hệ thống đa truy nhập kênh truyền đa song mang phân chia theo mã (MC–CDMA: Multi Carrier Code Division Multiplexing Access) Chương IV: Hệ thống cải thiện hiệu suất cho thông tin di động sử dụng cơng nghệ CDMA /OFDM Bên cạnh đó, luận văn đưa chương trình mơ để đánh giá khả cải thiện hiệu suất sử dụng công nghệ MC-CDMA Qua đây, xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Viện Đào tạo Sau đại học, Khoa Điện tử viễn thông, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội dìu dắt, bảo tơi năm vừa qua Đặc biệt, xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Đào Ngọc Chiến, người tận tình hướng dẫn tơi hồn thành tốt luận văn thạc sĩ Nhân dịp này, xin cảm ơn đến bạn lớp cao học điện tử khóa 2006-2008 giúp đỡ tơi suốt thời gian qua Xin chân thành cảm ơn! DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACF AWGN BER BPSK BTS CD CDMA 10 11 12 13 14 CIR CSI DAB DC DEV DS DSSS 15 DVB 16 FCC 17 18 19 20 21 22 23 24 25 FD FEC FEM FFT FIR GPS ICI IF IFFT 26 27 28 29 30 31 32 33 IR IS ISI LNA LO LOS MAC MC Autocorrelation Function Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Binary Phase Shift Keying Base Tranceiver Station Conventional Detection Code Division Multiple Access Channel Impulse Response Channel State Indentify Digital Audio Broadcasting Direct Current Device Direct Sequence Direct Sequence Spread Spectrum Digital Video Broadcasting Federal Communications Commission, USA Frequency Domain Forward Error Correction Finite Element Method Fast Fourier Transform Finite Impulse Response Global Positioning System Inter-Channel Interference Intermediate Frequency Inverse Fast Fourier Transform Impulse Radio Interference Suppression Inter-Symbol Interference Low Noise Amplifier Local Oscilator Line Of Sight Medium Access Control Multi Carrier Hàm tự tương quan Tạp âm Gaussian trắng cộng Tỉ lệ lỗi bít Khóa dịch pha nhị phân Trạm thu phát gốc Tách song thong thường Đa truy nhập phân chia theo mã Đáp ứng xung kênh truyền Nhận dạng trạng thái kênh Truyền số quảng bá Dòng chiều Thiết bị Chuỗi trực tiếp Trải phổ chuỗi trực tiếp Truyền hình số quảng bá Ủy ban truyền thông liên bang Mỹ Miền tần số Sửa lỗi hướng Phương pháp phần tử hữu hạn Biến đổi Fourier nhanh Đáp ứng xung hữu hạn Hệ thống định vị toàn cầu Nhiễu xuyên kênh Tần số trung gian Biến đổi Fourier nhanh ngược Xung vô tuyến Khử nhiễu Nhiễu xuyên ký tự Khuếch đại tạp âm thấp Bộ tạo dao động nội Tầm nhìn thẳng Điều khiển truy nhập đường truyền Đa sóng mang 34 MCCDMA 35 MLD 36 MLSE 37 38 39 40 MRC MSE MUD NBI 41 OCDM 42 OFDM 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 OOK PAM PDF PG PHY PN PPM PSD PSM QAM 53 QoS 54 QPSK 55 56 57 58 59 60 61 RF RMS RX SNR SS SUD SV 62 TD 63 TDMA 64 65 66 67 TH UWB WH WLAN Multi Carrier Code Division Multiple Access Maximum Likelihood Detection Maximum Likehood Sequence Estimation Maximum Ratio Combining Mean-Square-Error Multi User Detection Narrow Bandwith Interference Orthogonal Code Division Multiplexing Orthogonal Frequency Division Multiplexing On Off Keying Pulse Amlitude Modulation Power Density Function Processing Gain Physical layer Pseudo-random Noise Pulse Position Modulation Power Spectrum Density Pulse Shape Modulation Quadrature Amplitude Modulation Quality of Service Quadrature Phase Shift Keying Radio Frequency Root Mean Square Receiver Signal - Noise Ratio Spread Spectrum Single User Detection Saleh-Valenzuela Channel Model Time Domain Time Division Multiple Access Time-Hopping UltraWide Bandwith Walsh-Hadamard Wireless Lan Area Networks Đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã Tách sóng tối ưu Ước lượng chuỗi giống Kết hợp tỉ số tối đa Tỉ số lỗi trung bình bình phương Tách sóng đa người dung Nhiễu băng hẹp Ghép kênh phân chia theo mã trực giao Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Khóa đóng mở Điều chế biên độ xung Hàm mật độ công suất Độ lợi xử lý Lớp vật lý Tạp âm giả ngẫu nhiên Điều chế vị trí xung Mật độ phổ cơng suất Điều chế dạng xung Điều chế biên độ cầu phương Chất lượng dịch vụ Khóa dịch pha cầu phương Tần số vơ tuyến Thiết bị thu Tỉ số tín hiệu tạp âm Trải phổ Tách sóng đơn người dung Mơ hình kênh Saleh-Valenzuela Miền thời gian Dđa truy nhập phân chia theo thời gian Nhảy thời gian Băng thông siêu rộng Mã trực giao WH Mạng cục không dây 68 WPAN 69 WSSUS Wireless Personal Area Networks Wide Sense Stationary Uncorrelation System Mạng cá nhân không dây Hệ thống phi tương quan dừng theo nghĩa rộng 72 Spreader WalshHadarnard Chiều dài Ns Modulator And Other User Serial/ Parallet L Blocks Frequency Interleaving OFDM N-Points Pilot Symbols a) Ví dụ cấu trúc truyền sóng Channel Channel Estimation De-Spreader (Detection) DeModulator Parallet/ Serial L Blocks Spreader WalshHadarnard Chiều dài Ns Modulator And Other User Serial/ Parallet L Blocks o o o Spreader WalshHadarnard Chiều dài Ns o o o Freque ncy Interlea ving o o o Modulator And Other User Frequency DeInterleaving OFDM Inverse OFDM N-Points Serial/ Parallet L Blocks b) Ví dụ cấu trúc truyền sóng Pilot Symbols Channel Channel Estimation De-Spreader (Detection) o o o De-Spreader (Detection) DeModulator o o o DeModulator Parallet/ Serial L Blocks o o o Freque ncy DeInterlea ving OFDM Inverse Parallet/ Serial L Blocks Hình 4.1: Cấu trúc truyền sóng dựa cơng nghệ CDMA/OFDM Nếu đặt N tổng số sóng mang con, vấn đề xem xét cách mapping thành phần véc tơ U trải phổ để thiết lập tần số: cách thứ L khối trải phổ có chiều dài Ns=Ns1, hỗ trợ tối đa Ns1 user, chuyển đổi nối tiếp/song song sau L.Ns1 = N chips 73 ánh xạ vào N tần số (xem Hình 4.1a) Cách thứ hai, sử dụng m mã WH có chiều dài Ns = Ns1/m song song, đầu vào hỗ trợ tối đa Ns1/m user, sau trải phổ tiếp tục chuyển đổi nối tiếp/song song map vào N tần số Chúng ta xem xét cách thứ hai mã WH ngắn cho phép sử dụng thu tín hiệu tối ưu với độ phức tạp hợp lý Cả hai hệ thống cung cấp dung lượng tối đa K = Ns1 user, hiệu suất khác Trong mô tả cấu trúc hệ thống OFDM, xem xét trường hợp đầu tiên: Ns = Ns1 Sau đó, tín hiệu OFDM viết sau: L −1 N s −1 X(t) = ∑ ∑ uil exp( j 2πflN + it ) s l =0 i =0 t ∈ [0, T ] với T=Ts + δ với f lN S +i = f + lN S + i (4.2) TS Trong u il thành phần thứ i khối trải phổ thứ l, δ khoảng thời gian bảo vệ f0 tần số sóng mang nhỏ Dựa giả định rằng δ lớn đáp ứng xung kênh kênh biến đổi chậm so với khoảng thời gian truyền tín hiệu, tín hiệu thu viết sau: L −1 N s −1 y(t) = ∑ ∑ H il u il exp( j 2πf lN +i t ) (4.3) s l =0 i =0 Trong H il = ρ il e jφ đáp ứng kênh truyền tần số flNs+ i Các tín hiệu điều l i chế mẫu tương ứng với tốc độ 1/ts thể L −1 N s −1 y(ntS) = (−1) n ∑ ∑ H il u il exp( j 2π l =0 i =0 n(lN S + i ) ) N (4.4) (−1) n Ta nhận thấy [Hi ui ] biến đổi Fourier rời rạc (DFT) [ y (nt S ) ] N l l Trong thực tế DFT thực biến đổi Fourier nhanh (FFT) Các tín hiệu OFDM hình thành biến đổi FFT ngược Mặc dù kỹ thuật OFDM với thời gian bảo vệ giải vấn đề fading lựa chọn tần số kênh truyền (khơng có ISI), khơng 74 khử triệt để tượng fading Biên độ ρ il mỗi sóng mang bị ảnh hưởng luật Rayleigh /Rician Vì vậy, phía thu cần sử dụng ước lượng kênh thích hợp với thuật tốn tách sóng mã hóa kênh Cần lưu ý thực tế cho ρ il cho tần số khác có tương quan, việc sử dụng ghép xen (interleaver) giải ghép xen (deinterleaver) có lợi (Hình 1.a, 1.b) Tiếp theo, xem xét vấn đề thu tín hiệu khối trải phổ chiều dài Ns cách sử dụng thuật toán tách sóng khác 4.3 Các phương pháp tách sóng sử dụng Trong phần này, phân tích phương pháp phân tích tín hiệu thu đầu thu khác Các phương pháp gồm: tách sóng thơng thường (CD-Conventional Detection), tách sóng tối ưu (MLD-MaximumLikelihood Detection ) Cần lưu ý việc trải phổ thực cách sử dụng mã Walsh-Hadamard (WH) Đặt Vi từ mã WH dùng cho user thứ i Nếu ta xem K số user, sau tín hiệu phát trước chuyển đổi IFFT thể biểu thức (4.1) Tín hiệu thu R sau FFT bị ảnh hưởng fading Rayleigh phẳng (r