Nghiên cứu đề xuất mô hình trải phổ đa sóng mang đa truy nhập SS MC MA cho hệ thống vô tuyến băng thông rộng

ĐOàn Thế Bình giáo dục đào tạo trường đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sĩ khoa học ngành : Kỹ THUậT ĐIệN Tử Kỹ thuật điện tử nghiên cứu Đề XUấT MÔ HìNH TRảI PHỉ §A SãNG MANG - §A TRUY NHËP (SS - MC - MA) CHO Hệ ThốNG VÔ TUYếN BĂNG thông RộNG ĐOàN THế BìNH 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 nghiên cứu Đề XUấT MÔ HìNH TRảI PHổ §A SãNG MANG - §A TRUY NHËP (SS - MC - MA) CHO Hệ ThốNG VÔ TUYếN BĂNG thông RộNG ngành : Kỹ THUậT ĐIệN Tử mà số:23.04.3898 ĐOàN THế BìNH Người hướng dẫn khoa học : TS ĐàO NGọC CHIÕN Hµ Néi 2008 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian năm, tơi hồn thành khóa học cao học trung tâm Đào tạo Sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Trung tâm 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 luận văn thạc sĩ Nhân dịp này, xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, bạn lớp cao học điện tử nhiệt tình giúp đỡ tơi suốt thời gian qua Xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày tháng năm 2008 Học viên Đồn Thế Bình MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU Chương LÝ THUYẾT VỀ KÊNH VÔ TUYẾN Khái niệm kênh fading Đặc trưng kênh Fading 1.1.1 Hệ thống ngẫu nhiên phụ thuộc thời gian 1.1.1.1 Khái niệm đáp ứng xung kênh truyền 1.1.1.2 Mơ hình q trình dừng theo nghĩa rộng tán xạ không tương quan (WSSUS) 1.1.2 Kênh AWGN 1.1.3 Truyền dẫn đa đường 1.1.4 Trải phổ Doppler phụ thuộc thời gian 1.1.5 Sự phụ thuộc tần số phụ thuộc thời gian kênh 16 1.1.6 Kênh phụ thuộc thời gian phụ thuộc tần số 18 1.1.7 Nhiễu xuyên “ký hiệu” (ISI) nhiễu xuyên kênh (ICI) 20 Chương ĐIỀU CHẾ PHÂN CHIA THEO TẦN SỐ TRỰC GIAO OFDM 22 2.1 Khái niệm truyền dẫn đa sóng mang 22 2.2 Truyền dẫn đa sóng mang OFFDM 23 2.2.1 Tính trực giao OFDM 23 2.2.2 Mơ hình hệ thống truyền dẫn OFDM 25 2.2.2.1 Mơ tả tốn học hệ thống truyền dẫn OFDM 25 2.2.2.2 Sơ đồ hệ thống truyền dẫn OFDM 27 2.3 Thông số đặc trưng dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 32 2.3.1 Cấu trúc tín hiệu OFDM 32 2.3.1.1 Các thông số miền thời gian 33 2.3.1.2 Các thông số miền tần số 34 2.3.1.3 Mối quan hệ thông số miền thời gian miền tần số 34 2.3.2 Dung lượng hệ thống truyền dẫn OFDM 35 2.4 Ảnh hưởng kênh fading lên chất lượng hệ thống truyền dẫn OFDM, giải pháp khắc phục 36 2.4.1 Nhiễu ISI 36 2.4.1.1 Nguyên nhân hậu 37 2.4.1.2 Giải pháp khắc phục 37 2.4.1.3 Tính hữu hiệu khoảng thời gian bảo vệ 38 2.4.2 Nhiễu ICI 39 2.4.2.1 Nguyên nhân hậu 39 2.4.2.2 Giải pháp khắc phục 40 2.4.3 Cải thiện chất lượng hệ thống truyền dẫn sở kết hợp mã hóa Gray 41 2.4.4 Giải pháp nâng cao hiệu sử dụng phổ tần hệ thống truyền dẫn OFDM 44 2.4.4.1 Phương pháp dùng lọc thông dải 44 2.4.4.2 Phương pháp dùng khoảng bảo vệ cos nâng 47 2.5 Ưu điểm nhược điểm của kỹ thuật OFDM 49 Chương ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO Mà VÀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 51 3.1 Kỹ thuật trải phổ 51 3.1.1 Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) 53 3.1.1.1 Sơ đồ khối phía phát DS-CDMA 56 3.1.1.2 Sơ đồ khối phía thu DS-CDMA 56 3.1.2 Ưu điểm nhược điểm DS-CDMA 57 3.2 Trải phổ đa sóng mang 58 3.2.1 Nguyên lý trải phổ đa sóng mang 58 3.2.2 Ưu điểm nhược điểm trải phổ đa sóng mang 59 3.3 CDMA đa sóng mang 60 3.3.1 MC-CDMA 60 3.3.1.1 Cấu trúc tín hiệu 60 3.3.1.2 Tín hiệu đường xuống 61 3.3.1.3 Tín hiệu đường lên 63 3.3.1.4 Mã trải 63 3.3.1.5 Tỷ số cơng suất đỉnh trung bình (PAPR) 66 3.3.1.6 Các kỹ thuật tách sóng 68 3.3.2 MC-DS-CDMA 77 3.3.2.1 Cấu trúc tín hiệu 77 3.3.2.2 Tín hiệu đường xuống 79 3.3.2.3 Tín hiệu đường lên 79 3.3.2.4 Mã trải 80 3.3.2.5 Các kỹ thuật tách sóng 80 Chương MƠ HÌNH TRẢI PHỔ - ĐA SĨNG MANG - ĐA TRUY NHẬP (SS - MC - MA) CHO HỆ THỐNG VÔ TUYẾN BĂNG THÔNG RỘNG 82 4.1 Tổng quan kênh vô tuyến băng siêu rộng 82 4.1.1 Khái niệm UWB 82 4.1.2 Những ưu điểm UWB 84 4.1.3 Những thách thức UWB 86 4.1.4 Ứng dụng 87 4.2 Điều chế tách sóng tín hiệu UWB 88 4.2.1 Điều chế tín hiệu UWB dựa đơn sóng mang 89 4.2.1.1 PPM nhảy thời gian (TH - PPM) 89 4.2.1.2 Một số loại điều chế khác 91 4.2.1.3 Ước lượng kênh 93 4.2.1.4 Tách sóng tín hiệu 97 4.2.2 Điều chế tín hiệu dựa OFDM 98 4.2.2.1 OFDM cho UWB 99 4.2.2.2 Ước lượng kênh 100 4.2.2.3 Khử nhiễu 101 4.3 Mơ hình kênh UWB 102 4.4 Hệ thống MB - OFDM theo chuẩn MBOA 107 4.4.1 Cấu trúc phần phát MBOA 109 4.4.1.1 Bộ trộn liệu 109 4.4.1.2 Bộ mã hóa xoắn 110 4.4.1.3 Bộ ghép xen 112 4.4.1.4 Ánh xạ chịm sóng mang (QPSK) 115 4.4.1.5 Điều chế OFDM 116 4.4.1.6 Trải miền thời gian 120 4.4.2 Mô hệ thống MB - OFDM theo chuẩn MBOA 120 4.4.2.1 Các tham số mô tả hệ thống 120 4.4.2.2 Kết thực Nhận xét đánh giá 122 4.5 Nghiên cứu đề xuất mô hình trải phổ - đa sóng mang - đa truy nhập (SS - MC - MA) cho hệ thống vô tuyến băng thông rộng 123 4.5.1 Nguyên lý SS - SC - MA 124 4.5.2 Ưu điểm SS – MC - MA 125 4.5.3 Cấu trúc SS - SC - MA 126 KẾT LUẬN 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO 130 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tần số Doppler ứng với tốc độ khác Bảng 2.1: Mối quan hệ tham số OFDM 35 Bảng 2.2: Mã hóa Gray bit nhị phân 42 Bảng 2.3: Tham số khoảng bảo vệ RC theo IEEE 802.11a 48 Bảng 3.1: Ưu điểm nhược điểm MC-CDMA MC-DS-CDMA 60 Bảng 3.2: Giới hạn PAPR tín hiệu đường lên MC-CDMA với Nc = L 67 Bảng 4.1: Các tham số kênh mơ hình kênh IEEE 802.15.3a 106 Bảng 4.2: Các đặc tính MBOA 108 Bảng 4.3: Các mã tần số thời gian 109 Bảng 4.4: Điều chế - Hệ số chuẩn hóa KMOD 116 Bảng 4.5: Bảng mã hóa QPSK 116 Bảng 4.6: Các tham số mô hệ thống MB-OFDM theo chuẩn MBOA 121 Bảng 4.7: Các tham số hệ thống SS-MC-MA 128 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACF AWGN BER BPSK BTS CDMA CIR CSI DAB DC DEV DFT DS DSSS DVB FCC FD FEC FEM FFC FFT FIR GI GPS ICI IDFT IF IFFT IR IS ISI LOS Hàm tự tương quan Tạp âm Gaussian trắng cộng Tỉ lệ lỗi bít Khóa dịch pha nhị phân Trạm thu phát gốc Đa truy nhập phân chia theo mã Channel Impulse Response Đáp ứng xung kênh truyền Channel State Indentify Nhận dạng trạng thái kênh Digital Audio Broadcasting Truyền số quảng bá Direct Current Dòng chiều Device Thiết bị Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc Direct Sequence Chuỗi trực tiếp Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp Digital Video Broadcasting Truyền hình số quảng bá Federal Communications Ủy ban truyền thông liên Commission, USA bang Mỹ Frequency Domain Miền tần số Forward Error Correction Sửa lỗi hướng Finite Element Method Phương pháp phần tử hữu hạn Federal Communication Ủy ban truyền thông liên Commission bang Mỹ Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn Guard Index Chỉ số bảo vệ Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Inter-Channel Interference Nhiễu xuyên kênh Inverse Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier ngược rời rạc Intermediate Frequency Tần số trung gian Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược Impulse Radio Xung vô tuyến Interference Suppression Khử nhiễu Inter-Symbol Interference Nhiễu xuyên ký tự Line Of Sight Tầm nhìn thẳng Autocorrelation Function Additive White Gaussian Noise Bit Error Rate Binary Phase Shift Keying Base Tranceiver Station Code Division Multiple Access MA MAC MBOA MB-OFDM MC MCM MLSE MRC MSE NBI NLOS OCDM OFDM OOK PAM PAN PDF PG PHY PN PPM PSD PSM QAM QoS QPSK RF RMS RX SNR SS SV Đa truy nhập Điều khiển truy nhập đường truyền Multi Band OFDM Alliance Liên minh OFDM đa băng Multi Band OFDM OFDM đa đa băng Multiple Carrier Đa sóng mang Multi Carrier Modulation Điều chế đa sóng mang Maximum Likehood Sequence Ước lượng chuỗi giống Estimation Maximum Ratio Combining Kết hợp tỉ số tối đa Mean-Square-Error Tỉ số lỗi trung bình bình phương Narrow Bandwith Interference Nhiễu băng hẹp Non Line Of Sight Tầm nhìn khơng thẳng Orthogonal Code Division Ghép kênh phân chia theo mã Multiplexing trực giao Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần Multiplexing số trực giao On Off Keying Khóa đóng mở Pulse Amlitude Modulation Điều chế biên độ xung Personal Area Network Mạng riêng cá nhân Power Density Function Hàm mật độ công suất Processing Gain Độ lợi xử lý Physical layer Lớp vật lý Pseudo-random Noise Tạp âm giả ngẫu nhiên Pulse Position Modulation Điều chế vị trí xung Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất Pulse Shape Modulation Điều chế dạng xung Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương Quality of Service Chất lượng dịch vụ Quadrature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương Radio Frequency Tần số vô tuyến Root Mean Square Căn quân phương Receiver Thiết bị thu Signal - Noise Ratio Tỉ số tín hiệu tạp âm Spread Spectrum Trải phổ Saleh-Valenzuela Channel Model Mơ hình kênh SalehValenzuela Multiple Access Medium Access Control NULL #1 1 #2 2 # 61 61 61 NULL 62 62 NULL 63 63 NULL 64 64 NULL 65 65 NULL 66 66 # −61 67 67 # −2 126 126 # −1 127 127 Time-Domain Outputs Frequency-Domain Inputs 117 Hình 4.18: Đầu vào đầu IFFT Cấu trúc ký hiệu OFDM đưa Hình 4.17 Một cách để thực biến đổi IDFT sử dụng biến đổi IFFT (Hình 4.18) Tại tốc độ liệu 53.3 80Mbps, chuỗi ký hiệu phức chia thành nhóm, nhóm gồm 50 số phức cn,k, ứng với sóng mang thứ n ký hiệu OFDM thứ k sau: c n ,k c( n + 50 ),k = d n + 50×k = d (*49 − n )+ 50×k n = 0, 1, , 49, k = 0, 1, , N SYM − đó: NSYM số lượng ký hiệu OFDM khung MAC, tail bit pad bit Còn với tốc độ 110, 160, 200, 320, 400 480Mbps chuỗi số phức chia thành nhóm nhóm gồm 100 số phức cn,k đó: c n ,k = d n +100×k n = 0, 1, , 99, k = 0, 1, , N SYM − Ký hiệu OFDM rdata,k(t) xác định sau: N SD N ST / n =0 n n = − N ST / rdata ,k ( t ) = ∑ c n ,k exp( j 2πM ( n )∆F ( t − TCP )) + p mod( k ,127 ) ∑P exp( j 2πn∆F ( t − TCP )) đó: NSD số lượng sóng mang liệu, NST tổng số lượng sóng mang con, pn Pn mơ tả phân bố sóng mang pilot sóng mang bảo vệ 118 Sự phân bố tần số sóng mang thể Hình 4.20 Để tránh phức tạp việc bù ADC, DAC tiếp thơng sóng mang hệ thống RF sóng mang thứ “0” khơng sử dụng c0 P-55 c1 c9 P-45 c10 c18 P-35 c19 c27 P-25 c28 c36 P-15 c37 c45 P-5 c46 c49 DC c50 c53 P5 c54 c62 P15 c63 -55 -45 -35 -25 -15 -5 15 c71 P25 c72 c80 P35 c81 25 35 c89 P45 c90 c98 P55 c99 45 55 Subcarrier numbers Hình 4.19: Phân bổ tần số sóng mang Hàm M(n) xác định ánh xạ từ số đến 99 tới số bù tần số logic -56 đến 56, loại trừ vài vị trí dự trữ cho sóng mang pilot, sóng mang bảo vệ, sóng mang DC, đây:  n − 56  n − 55   n − 54   n − 53  n − 52   n − 51  n − 50 M( n ) =   n − 49  n − 48   n − 47  n − 46   n − 45  n − 44   n − 43  n=0 1≤ n ≤ 10 ≤ n ≤ 18 19 ≤ n ≤ 27 28 ≤ n ≤ 36 37 ≤ n ≤ 45 46 ≤ n ≤ 49 50 ≤ n ≤ 53 54 ≤ n ≤ 62 63 ≤ n ≤ 71 72 ≤ n ≤ 80 81 ≤ n ≤ 89 90 ≤ n ≤ 98 n = 99 Sóng mang Pilot Trong ký hiệu OFDM theo sau PLCP preamble, 12 sóng mang dành cho tín hiệu pilot để tạo sóng liên kết tăng khả chống lại dịch tần nhiễu pha Các tín hiệu pilot đặt vị trí sóng mang –55, –45, –35, –25, –15 –5, 5, 15, 25, 35, 45, 55 Nhờ phân bổ mà sóng mang pilot cho ký hiệu OFDM thứ k đưa đến biến đổi IFFT 119 chuỗi Pn,k đây, bao gồm điều chế QPSK chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên pl (để ngăn ngừa sinh phổ vạch) Pn ,k 1 + j   − − j = p mod( k ,127 ) ×   0   n = 25 , 55 n = , 15 , 35 , 45 n = ±1 ,±4 ,±6 , ,±14 ,±16 , ,±24 ,±26 , ,±34 ,±36 , ,±44 ,±46 , ,±54 ,±56 Nếu tốc độ liệu nhỏ 110MBps thì: Pn ,k = P−*n ,k , n = −5 ,−15 ,−25 ,−35 ,−45 ,−55 lớn 110Mbps Pn ,k = P− n ,k , n = −5 ,−15 ,−25 ,−35 ,−45 ,−55 k = ứng với ký hiệu OFDM sau PLCP preamble (ký hiệu OFDM sau ký hiệu ước lượng kênh CE0-CE5) Chuỗi giả ngẫu nhiên pl có độ dài 127 dùng để điều chế sóng mang pilot xác định đây: p0…126 = {1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, -1, -1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, -1, -1, 1, -1, -1, 1, 1, 1, 1, 1, -1, -1, 1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, 1, -1, -1, -1, -1, 1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, -1, 1, -1, -1, -1, -1, -1, 1, -1, 1, 1, -1, 1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, 1, -1, -1, -1, 1, 1, 1, -1, -1, -1, -1, -1, -1, -1} Chỉ thành phần chuỗi sử dụng cho ký hiệu OFDM  Các sóng mang bảo vệ Có sóng mang bảo vệ biên ký hiệu OFDM, với số sóng mang –61, –60, …, –57, 57, 58, …, 61 Các sóng mang bảo vệ tạo cách copy tồn sóng mang phương diện liệu phía ngồi từ biên gần ký hiệu OFDM (Hình 4.21) Chú ý: Sóng mang pilot không copy 120 Copy Copy c0 -61 c4 c0 P-55 c1 -55 c9 P-45 c10 c18 P-35 c19 c27 P-25 c28 c36 P-15 c37 c45 P-5 c46 c49 DC c50 c53 P5 c54 c62 P15 c63 -45 -35 -25 -15 -5 15 c71 P25 c72 c80 P35 c81 25 35 c89 P45 c90 45 c98 P55 c99c95 55 c99 61 Subcarrier numbers Hình 4.20: Tạo sóng mang bảo vệ dựa sóng mang biên ký hiệu OFDM Chính xác hơn, ký hiệu sóng mang bảo vệ sóng mang thứ n ký hiệu OFDM thứ k xác định sau: Pn ,k = c m ,k , l = ,1,2 ,3 ,4 ; n = 57 + l ; m = 95 + l Pn ,k = c m ,k , l = ,1,2 ,3 ,4 ; n = −61 + l ; m = l đó: k = ứng với ký hiệu OFDM sau PLCP preamble (ký hiệu OFDM sau ký hiệu ước lượng kênh CE0-CE5) 4.4.1.6 Trải miền thời gian Nếu tốc độ liệu 53.3, 80, 110, 160, 200 Mbps, trải miền thời gian thực với hệ số trải phổ TSF = 2, để cải thiện phân tập tần số hiệu suất SOP Trải miền thời gian bao gồm phát thông tin giống ký hiệu OFDM Gọi ký hiệu OFDM gốc thứ k Sk(l) Phiên lặp ký hiệu OFDM miền thời gian tương ứng S' k (l ) xác định sau: {Im{S k ( l )}+ j Re{S k ( l )}}p mod( k +6 ,127 ) S k' (l ) =  S k ( l ) p mod( k +6 ,127 ) khong doi xung lien hop doi xung lien hop k = ứng với ký hiệu OFDM sau PLCP preamble (ký hiệu OFDM sau ký hiệu ước lượng kênh CE0-CE5), giá trị số k thứ tự ký hiệu OFDM trước trải thời gian Ngoài ra, giá trị pk lựa chọn từ chuỗi giả ngẫu nhiên (giống sóng mang pilot) 4.4.2 Mơ hệ thống MB - OFDM theo chuẩn MBOA 4.4.2.1 Các tham số mô tả hệ thống Trong phần trình bày kết mơ hệ thống MB-OFDM 121 theo chuẩn MBOA Kênh UWB sử dụng có băng thơng B = 528MHz thuộc băng tần thứ dải tần dành cho UWB (Tần số thấp 3168MHz, tần số trung tâm 3432MHz, tần số cao 3696MHz) Đây băng tần sử dụng thời điểm ban đầu Trong trình thực mơ phỏng, tín hiệu nhảy tần sang băng tần thứ (FL= 3696 MHz, FH= 4224 MHz, FC= 3690 MHz) băng tần thứ (FL= 4224 MHz, FH= 4752 MHz, FC= 4488MHz)- sau khung OFDM tín hiệu nhảy sang băng liền kề Số lượng sóng mang lựa chọn 128 Trong số đó, “ký hiệu” OFDM có 122 sóng mang dùng với 100 sóng mang cho truyền liệu 12 sóng mang dành cho hoa tiêu (pilots), 10 sóng mang sử dụng cho khoảng bảo vệ, sóng mang cịn lại sóng mang null (zero) Các tham số hệ thống dùng cho mô đưa Bảng 4.6 Bảng 4.6: Các tham số mô hệ thống MB-OFDM theo chuẩn MBOA Tham số Giá trị Kích thước IFFT/FFT 128 Tần số lấy mẫu 528 MHz Băng thông truyền dẫn 507,37 MHz Sóng mang liệu 100 Sóng mang pilot 12 Sóng mang bảo vệ 10 NST: Tổng số sóng mang 122 ∆F: Khoảng cách tần số sóng 4,125 MHz (= 528 MHz/128) TFFT: Chu kỳ FFT/IFFT 242,42 ns (1/∆F) TCP: Khoảng thời gian tiền tố chu kỳ 60,61 ns (= 32/528 Mhz) TGI: Khoảng thời gian bảo vệ 9,47 ns (= 5/528 MHz) TSYM: Khoảng thời gian ký hiệu 312,5 ns (= TFFT + TCP + TGI) Số lượng khung 500 Độ dài liệu phát (Data Length) 1024 byte 122 4.4.2.2 Kết thực Nhận xét đánh giá (a) 53.3 Mbps 80 Mbps 110 Mbps 160 Mbps 200 Mbps 320 Mbps 400 Mbps 480 Mbps -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 10 12 14 16 Eb/N0 (dB) (b) 53.3 Mbps 80Mbps 110 Mbps 160 Mbps 200 Mbps 320 Mbps 400 Mbps 480 Mbps -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 10 12 14 16 Eb/N0 (dB) (c) 53.3 Mbps 80 Mbps 110 Mbps 160 Mbps 200 Mbps 320 Mbps 400 Mbps 480 Mbps -1 10 -2 BER 10 -3 10 -4 10 10 12 14 16 Eb/N0 (dB) Hình 4.21: Kết mơ hệ thống MB-OFDM theo chuẩn MBOA (a) kênh AWGN; (b) kênh CM1; (c) kênh CM4 123 Hình 4.21 kết mô hệ thống MB-OFDM theo chuẩn MBOA, dải tốc độ từ 53.3 đến 480 MHz kênh UWB AWGN, CM1, CM4 Ta nhận thấy chất lượng hệ thống hai kênh gần giống nhau, có tốt đơi chút với kênh CM4 tín hiệu thu nhờ phân tập tần số tốt Tuy nhiên biểu diễn miền tần số kênh khơng tính đến hiệu ứng đa đường vượt ngồi khoảng bảo vệ gây nhiễu xuyên sóng mang Ngồi cịn xuất cặp tốc độ 53.3-110 Mbps, 80-160 Mbps cho kết giống Như vậy, đối xứng liên hợp đầu vào IFFT không cải thiện chất lượng hệ thống tốt mong muốn tốc độ 53.3 80 Mbps, kết tương tự thu với kênh CM4 4.5 Nghiên cứu đề xuất mơ hình trải phổ - đa sóng mang - đa truy nhập (SS - MC - MA) cho hệ thống vô tuyến băng thông rộng Hệ thống MBOA đưa vài tiện ích cho ứng dụng UWB tốc độ cao như: nâng cao chất lượng tín hiệu, loại trừ chọn lọc kênh khai thác có hiệu lượng tín hiệu thu khoảng thời gian tiền tố Với giải pháp xung vô tuyến thực tế sử dụng gần tồn lượng nhận số nhánh máy thu Rake bị hạn chế lý độ phức tạp Tuy nhiên, giải pháp MBOA bị hạn chế nhiều bối cảnh nhiều user nhiều piconet Đặc biệt xem xét băng kênh 1, xung đột xuất user thứ thêm vào piconet, kịch nhiều user đồng thời phải xem xét thực tế Để khắc phục hạn chế này, vài nghiên gần đưa giải pháp thêm thành phần CDMA vào giải pháp MBOA để nâng cao chất lượng hệ thống hay chia sẻ tài nguyên vài user Thành phần trải đặc biệt cho phép quản lý việc truy nhập vài user vào tài nguyên chung Khi xem xét đến đặc tính kênh UWB, tính chọn lọc tần số biến đổi thời 124 gian chậm mơi trường nhà “trải chuỗi” nói chung thực dọc theo trục tần số (do gọi hệ thống CDMA đa sóng mang: MC-CDMA) Với MC-CDMA ký hiệu tất user phát tồn sóng mang (Hình 4.23), chiều dài mã trải Lc phải nhỏ hay số lượng sóng mang Np ghép kênh OFDM So với giải pháp MBOA truyền thống, khả chia sẻ tài nguyên lớn hệ thống MCCDMA đưa chất lượng tốt hơn, loại trừ kênh chọn lọc tần số, cải thiện chất lượng tín hiệu UWB tăng cường khả loại trừ nhiễu băng hẹp Điểm cuối nguyên tắc việc không hạn chế truy nhập vào tài nguyên phổ giống UWB Với việc sử dụng mã trải thành phần đa truy nhập, giải pháp đưa SS-MC-MA (Spread Spectrum - MultiCarriers - MultiAccess) nhằm cải thiện chất lượng hệ thống mềm dẻo việc quản lý tài nguyên Khi xem xét mạng WPAN đặc tính kênh UWB, ta chọn giải pháp trải miền tần số Thêm vào đó, hạn chế công nghệ biến đổi tương tự - số nên băng thơng tín hiệu phát thời điểm bị giới hạn 528 MHz mà 1,584 GHz (tương đương với băng tần kênh 1) nhờ kỹ thuật nhảy tần qua băng tần (đã đề cập đến giải pháp MBOA) thu băng thông 1,584 GHz từ tần số độc lập 4.5.1 Nguyên lý SS - SC - MA Hệ thống SS-MC-MA (Hình 4.23) gán cho user tập sóng mang riêng theo phương pháp FDMA (Frequency Division Multiple Access Kích thước mã Lc khai thác việc chia sẻ tối ưu hóa tài ngun thích ứng (loại điều chế, tốc độ liệu,…) Trải miền tần số mang lại độ lợi phân tập (giống MC-CDMA) để cải thiện chất lượng tín hiệu loại trừ nhiễu băng hẹp 125 Hình 4.23: Phân bố liệu user khác hệ thống MCCDMA SS-MC-MA Trong tín hiệu SS-MC-MA, ký hiệu phát đồng thời dựa tập sóng mang riêng user trải qua biến dạng Nhiễu xuyên ký hiệu (SI) thay nhiễu truy nhập đa đường (MAI) thu với tín hiệu MC-CDMA bù cách đơn giản cách sử dụng phương pháp tách sóng SD với hệ số phức sóng mang 4.5.2 Ưu điểm SS - MC - MA Ta xem xét trường hợp hệ thống SS-MC-MA làm việc kênh theo chuẩn MBOA (Hình 4.5)  Trường hợp số lượng user nhỏ hay SS-MC-MA cho phép phân bổ băng tần 528 MHz cho user Hệ thống đưa số ưu điểm chất lượng giống MC-CDMA, cần trình ước lượng kênh đơn giản nhiều phép thu Thực tế, với SS-MC-MA sóng mang bị biến dạng kênh Ngược lại, hệ thống MC-CDMA sóng mang bị sai lệch kênh khác user khác nhau, điều làm cho độ phức tạp ước lượng 126 kênh tăng lên đáng kể Trong trường hợp đó, user phải ước lượng đáp ứng nhiều kênh toàn dải thông hữu dụng  Trường hợp nhiều số lượng user nhiều Trong MBOA xung đột xuất có user nguyên nhân làm thơng tin, với SS-MC-MA kích thước mã khai thác để chia sẻ băng tần 528 MHz chung hay chí user cần thiết Trong trường hợp này, tín hiệu tạo khối định tương ứng với tín hiệu MC-CDMA, với số lượng user hạn chế khối (2 3) Tóm lại, bối cảnh nhiều piconet, khả thay đổi dễ dàng số lượng mã trải gán cho user piconet cho phép hệ thống SSMC-MA mềm dẻo linh hoạt việc chia sẻ tài nguyên động so với giải pháp MBOA 4.5.3 Cấu trúc SS - SC - MA Cấu trúc hệ thống SS-MC-MA đưa Hình 4.7, hệ thống SS-MC-MA giống với hệ thống MBOA; chức thêm vào để thu tín hiệu SS-MC-MA biến đổi Hadamard (“Biến đổi Hadamard nhanh”: FHT) phía phát biến đổi ngược (IFHT) phía thu Kỹ thuật tách sóng sử dụng ZF (Zero Forcing) hay MMSE (Minimum Mean Square Eror) Chiều dài mã trải Lc chọn 16 số lượng sóng mang liệu giảm từ 100 xuống cịn x 16 = 96 sóng mang cho ký hiệu OFDM Nghĩa sóng mang bảo vệ thêm vào chức khác giữ không đổi, đặc biệt hàm OLA trước giải điều chế FFT để khơi phục tính trực giao sóng mang Ta biết hệ thống MBOA tín hiệu tạo đầu IFFT là: 127 sOFDM (t ) = n= ∞ N ST ∑ ∑ X (i ) p (t − iT )e N i = −∞ n = − ST n c j 2πn∆F (t − iTCP ) CP đó: ∆F, NST, NSYM khoảng cách sóng mang, tổng số sóng mang, khoảng cách hai ký hiệu OFDM liên tiếp Xn(i) ký hiệu phức phụ thuộc vào chòm QPSK phát sóng mang thứ n ký hiệu OFDM thứ k pc(t) hàm cửa sổ xác định sau: 1 ≤ t ≤ TFFT + TCP pc (t ) =  0 TFFT + TCP ≤ t ≤ TFFT + TCP + TGI Còn hệ thống SS-MC-MA, ký hiệu phức nối tiếp chuyển thành P ký hiệu phức song song Dl(i) (với P ≤ Lc), phát Lc sóng mang giống (còn gọi tải; P = Lc đầy tải P = Lc/2 gọi nửa tải) C l = (cl , , , cl ,m , , cl , L ) mã trải trực giao Walsh-Hadamard thứ l c Ký hiệu phức Xm(i) phát sóng mang thứ m (m thay đổi từ tới Lc = 16; m = mod (n,16)) khối Lc = 16 sóng mã trải có độ dài Lc là: l=P X m (i ) = ∑ Dl (i )cl ,m l =1 đó: Dl(i) ký hiệu phức đầu thứ P, phụ thuộc chịm QPSK phát khối Lc sóng mang ký hiệu OFDM thứ i Để thu tín hiệu, giống hệ thống OFDM cổ điển, tách sóng đơn user thực dễ dàng đầu FFT phép nhân phức sóng mang Kỹ thuật tách sóng ZF MMSE sử dụng với hệ số tương ứng là: g n ,i = hn , i Zero Forcing hn∗, i g n, i = h n, i + γ n, i MMSE 128 đó: h n , i , γ n , i đáp ứng kênh phức tỷ số tín hiệu/tạp âm sóng mang thứ n ký hiệu thứ i Các tham số đề xuất cho hệ thống SS-MC-MA đưa Bảng 4.7 Bảng 4.7: Các tham số hệ thống SS-MC-MA Tham số Giá trị Kích thước IFFT/FFT 128 Tần số lấy mẫu 528 MHz Dải thơng phát 490,87 MHz NSD: Số lượng sóng mang liệu 96 NSP: Số lượng sóng mang pilot 12 NSG: Số lượng sóng mang bảo vệ 10 NST: Tổng số sóng mang sử dụng 118 (=NSD + NSP + NSG) ∆F: Khoảng cách sóng mang 4.125 MHz (=528 MHz/128) TFFT: Chu kỳ IFFT/FFT 242,4 ns (= 1/∆F) TZP: Chu kỳ Zero Padding 70,08 ns (= 37/528 MHz ) TSYM: Khoảng thời gian ký hiệu 312,5 ns (= TFFT + TZP) Lc: Chiều dài chuỗi trải 1, 4, 8, 32, 64 129 KẾT LUẬN Bài luận văn trình bày vấn đề liên quan đến công nghệ băng thông siêu rộng (UWB), công nghệ dần khẳng định vai trị nhiều ứng dụng truyền thơng qn dân Những ứng dụng mà UWB có khả hỗ trợ ứng dụng địi hỏi tốc độ truyền liệu cao (truyền thơng đa phương tiện, video on demand) phạm vi hẹp (tiêu chuẩn IEEE 802.15.3a Đó ứng dụng đòi hỏi tốc độ liệu thấp (mạng cảm biến không dây) theo tiêu chuẩn IEEE 802.15.4a Bên cạnh ưu điểm vượt trội so với giải pháp băng hẹp băng rộng khác khả chia sẻ phổ tần, hoạt động tốt môi trường đa đường (đặc biệt với ứng dụng nhà), yêu cầu tỉ số SNR thấp, dung lượng kênh lớn (băng thông 500MHz), cấu trúc thu phát đơn giản, rẻ tiền, hệ thống UWB phải đối mặt với vấn đề việc chia sẻ tài nguyên user mạng (piconet) hay vài mạng Để cải thiện chất lượng giải pháp MBOA đặc biệt cho việc phân bổ tài nguyên tốt bối cảnh nhiều user, thêm thành phần trải miền tần số giải pháp hữu hiệu nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu để đương đầu với kênh chọn lọc tần số nhiễu băng hẹp Sơ đồ khối SS-MC-MA đề xuất có ưu điểm MC-CDMA nhờ trải tần, cho phép phân bổ tài nguyên động có hiệu bối cảnh nhiều user nhiều piconet Cải thiện chất lượng hệ thống không làm tăng tính phức tạp hệ thống so với hệ thống MBOA Đặc biệt dải thơng tín hiệu thu 500 MHz phần tần số vô tuyến giữ không đổi so với giải pháp MBOA 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS Nguyễn Văn Đức, TS Vũ Văn Yêm, TS Đào Ngọc Chiến, Nguyễn Quốc Khương, Nguyễn Trung Kiên “Bộ sách kỹ thuật thông tin số”, tập 1, 2, 3, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2004 [2] A Batra & al., Multi-band OFDM Physical Layer Proposal for IEEE 802.15 Task Group 3a, IEEE document P802.15-04/0493r1, Texas Instruments & al., September 2004 [3] B Muquet et al., Cyclic prefix or zero padding for wireless multicarrier transmission?, IEEE Transactions on Communications, Vol 50, pp 2136-2148 December 2002 [4] Y-B Park et al., Performance of UWB DS-CDMA/OFDM/MC-CDMA System, in Proc IEEE 47th International Midwest Symposium on Circuit and Systems, Hiroshima, Japan, Vol 1, pp 37-40, 25-28 July 2004 [5] M Schmidt, F Jondral, Ultra Wideband Transmission based on MCCDMA, in Proc IEEE Global Telecommunications Conference GLOBECOM’03, San Francisco, USA, Vol 2, pp.749-753, 1-5 December 2003 [6] Henrik Schulze and Christian Lüders, “Theory and Applications of OFDM and CDMA Wideband Wireless Communications”, John Wiley & Sons, Ltd, 2003 [7] Xuemin (Sherman) Shen, Mohsen Guizani, Robert Caiming Qiu, Tho LeNgoc, “Ultra -wideband wireless communications and networks”, John Wiley & Sons, Ltd, 2006 [8] Hüseyin Arslan, Zhi Ning Chen, Maria-Gabriella Di Benedetto, “UltraWideband Wireless Communications”, John Wiley & Sons, Ltd, 2006 [9] K Fazel, S Kaiser, “Multi-Carrier and Spread Spectrum Systems”, John Wiley & Sons, Ltd, 2003 131 [10] Marvin K Simon, Mohamed-Slim Alouini, “Digital Communication over Fading Channels”, John Wiley & Sons, Inc Pub, 2005 ... Nghiên cứu đề xuất mơ hình trải phổ - đa sóng mang - đa truy nhập (SS - MC - MA) cho hệ thống vô tuyến băng thông rộng 123 4.5.1 Nguyên lý SS - SC - MA 124 4.5.2 Ưu điểm SS – MC - MA. .. loại trừ nhiễu băng hẹp Hệ thống trải phổ - đa truy nhập - đa sóng mang (SS - MC - MA) đưa luận văn không mang ưu điểm đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang (MC - CDMA) trải tần số mà phân... - luận văn thạc sĩ khoa học nghiên cứu Đề XUấT MÔ HìNH TRảI PHổ ĐA SóNG MANG - §A TRUY NHËP (SS - MC - MA) CHO Hệ ThốNG VÔ TUYếN BĂNG thông RộNG ngành : Kỹ THUậT ĐIệN Tử mà số:23.04.3898