Kết hợp hai bài toán điều khiển công suất và định vị trong mạng di động CDMA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -o0o - NGUYỄN LÊ HẢI TÚ KẾT HP HAI BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ ĐỊNH VỊ TRONG MẠNG DI ĐỘNG CDMA Chuyên ngành: Kỹ Thuật Vô Tuyến Điện Tử Mã số ngành: 2.07.01 LUẬN VĂN THẠC SIÕ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2005 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Phạm Hồng Liên - TS Phan Hồng Phương Cán chấm nhận xét 1: TS Đỗ Hồng Tuấn Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Minh Hoàng Luận văn thạc só bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 30 tháng 12 năm 2005 BIỂU MẪU TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp HCM, ngày 06 tháng 02 năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN LÊ HẢI TÚ Phái: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 08/08/1975 Nơi sinh: LÂM ĐỒNG Chuyên ngành: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN – ĐIỆN TỬ MSHV: VTĐT13.034 I- TÊN ĐỀ TÀI: KẾT HỢP HAI BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ ĐỊNH VỊ TRONG MẠNG DI ĐỘNG CDMA II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu điều khiển công suất định vị chuỗi trải phổ mạng di động CDMA - Thực thuật tốn điều khiển cơng suất dự báo, thích nghi nhằm cải thiện hiệu suất điều khiển cơng suất vịng kín hướng lên - Mơ nhận xét III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/02/2005 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/12/2005 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS PHẠM HỒNG LIÊN – TS PHAN HỒNG PHƯƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Học hàm, học vị, họ tên chữ ký) CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH Ngày tháng năm TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn TS Phạm Hồng Liên TS Phan Hồng Phương, giáo viên hướng dẫn đề tài, định hướng dẫn cô suốt trình làm luận văn tốt nghiệp Em xin gởi lời cảm ơn đến thầy, cô môn Viễn Thông, Khoa Điện - Điện Tử đóng góp ý kiến, hỗ trợ kiến thức tài liệu trình học tập giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Con xin cám ơn cha mẹ, thành viên gia đình, quan tâm hỗ trợ tinh thần cho lúc khó khăn Xin cám ơn đồng nghiệp bạn bè thân hữu tôi, người bên cạnh ủng hộ mặt Đề tài “Kết hợp hai toán điều khiển công suất định vị mạng di động CDMA” hoàn thành Với thời gian ngắn, có nhiều yếu tố khách quan lẫn chủ quan tác động, cố gắng để cập nhật tài liệu, nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp Tuy nhiên, khả nhiều hạn chế, chắn tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ủng hộ, đóng góp xây dựng từ thầy, cô, đồng nghiệp, bạn bè Tháng 12/2005 Nguyễn Lê Hải Tú GVHD: TS PHẠM HỒNG LIÊN – TS PHAN HỒNG PHƯƠNG Trang TÓM TẮT Trong đề tài này, phân tích thành lập mô hình cho điều khiển công suất vòng kín truyền thống Thông qua mô hình, chứng minh điều khiển công suất truyền thống hoạt động điều chế delta mở rộng nên tồn nhiều giới hạn cần cải thiện Đó hiệu ứng tải theo độ dốc chọn cỡ bước điều khiển công suất nhỏ, hiệu ứng nhiễu hạt chọn cỡ bước lớn Từ mô hình rút biểu thức sai số điều khiển công suất theo thông số fading kênh truyền, từ đánh giá giá trị trung bình sai phương sai số điều khiển công suất Tiếp theo, đề tài thực thuật toán nhằm cực tiểu hoá sai phương sai số Trong bao gồm thuật toán thích nghi làm thay đổi cỡ bước điều khiển công suất, giúp tăng khả thích ứng điều khiển công suất vòng kín với điều kiện fading kênh truyền Các thuật toán thích nghi yêu cầu kỹ thuật dự báo fading kênh để nâng cao độ xác định lệnh điều khiển công suất Trong phương thức điều khiển công suất đề nghị, số bit cho lệnh điều khiển công suất giữ nguyên nên không làm thay đổi cấu trúc kênh CDMA Cuối cùng, mô thực để chứng tỏ hiệu suất thuật toán cải thiện so với điều khiển công suất truyền thống Tiêu chuẩn đánh giá hiệu suất điều khiển công suất dựa giá trị độ lệch chuẩn sai số điều khiển công suất ABSTRACT In this thesis, at first we analyze and set up a model for the conventional closed-loop power control Based on the model, we prove that the conventional closed-loop power control behaves essentially as a delta modulator which has some limitations need to be improved Those are slope overload and granular noise effects depend on selecting the fixed step size From the model, we derive an expression for the power-control error in terms of the channel fading, and evaluate mean and variance of this error Next, the thesis performs some algorithms which attempt to minimize the error variance It consists of adaptive algorithms which adjust the power control step size to improve the tracking ability of the closed-loop power control with different channel fading environments These adaptive algorithms require the fading channel prediction to enhance the accuracy on deciding the power control command In this proposed power control approach, the bit number of the power control command is still so it does not affect to the CDMA channel structure Finally, simulations are made to demonstrate that these algorithms performance is better than that of the conventional closed-loop power control We evaluate the power control performance based on the standard deviation of power control error Luaän Văn Tốt Nghiệp Cao Học MỤC LỤC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU Trang CHƯƠNG II LÝ THUYẾT CDMA Trang 11 II.1 CÁC KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP Trang 11 II.2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ Trang 12 II.2.1 Nguyên lý trải phổ Trang 12 II.2.2 Mã trải phổ Trang 13 II.2.3 Hệ thống trải phổ trực tiếp DS/SS Trang 14 II.2.4 Độ lợi xử lý GP Trang 16 II.2.5 Ưu nhược điểm kỹ thuật trải phổ ứng dụng Trang 17 II.3 HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG DS/CDMA Trang 18 II.3.1 Hệ thống thông tin di động DS-CDMA Trang 19 II.3.2 Liên kết CDMA hướng xuống Trang 22 II.3.3 Liên kết CDMA hướng lên Trang 24 II.3.4 Hiệu suất hệ thống CDMA Trang 24 II.4 FADING TRONG KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN Trang 26 II.4.1 Suy hao đường truyền Trang 26 II.4.2 Hiệu ứng chắn Trang 26 II.4.3 Fading Trang 27 CHƯƠNG III ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG CDMA Trang 33 III.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA ĐKCS Trang 33 III.2 ĐKCS HƯỚNG LÊN Trang 34 III.2.1 ĐKCS vòng hở hướng lên Trang 34 III.2.2 ĐKCS vòng kín hướng lên Trang 36 III.3 ĐKCS HƯỚNG XUỐNG Trang 38 III.4 PHÂN TÍCH VÀ MÔ HÌNH ĐKCS VÒNG KÍN TRUYỀN THỐNG Trang 40 III.4.1 Điều chế Delta Trang 40 III.4.2 Mô hình kênh ĐKCS Trang 43 GVHD: TS PHẠM HỒNG LIÊN – TS PHAN HỒNG PHƯƠNG Trang Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học III.4.3 Mô hình tương đương Trang 45 III.4.4 Sai số ĐKCS Trang 47 III.4.5 Giá trị trung bình độ biến thiên sai số ĐKCS Trang 49 III.4.6 Đánh giá ảnh hưởng việc chọn lựa giá trị α Trang 50 CHƯƠNG IV KỸ THUẬT DỰ BÁO FADING KÊNH Trang 53 IV.1 GIỚI THIỆU Trang 53 IV.2 DỰ BÁO KÊNH QUÁ LẤY MẪU Trang 55 CHƯƠNG V THUẬT TOÁN ĐKCS THÍCH NGHI Trang 60 V.1 THUẬT TOÁN 1: ĐKCS TỈ LỆ DỰ BÁO Trang 60 V.2 THUẬT TOÁN 2: ĐKCS TỈ LỆ DỰ BÁO - THÍCH NGHI Trang 64 V.3 THUẬT TOÁN 3: NGHỊCH ĐẢO TRỰC TIẾP Trang 65 V.4 THUẬT TOÁN 4: NGHỊCH ĐẢO TRỰC TIẾP – THÍCH NGHI Trang 67 CHƯƠNG VI KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN Trang 69 VI.1 TẠO DỮ LIỆU FADING KÊNH Trang 69 VI.2 TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ HIỆU SUẤT Trang 69 VI.3 ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA VIỆC CHỌN LỰA THÔNG SỐ Trang 70 VI.4 GIẢI THÍCH QUÁ TRÌNH MÔ PHỎNG Trang 73 VI.5 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG Trang 74 VI.5.1 Giao diện chương trình Trang 74 VI.5.2 Giao diện thuật toán ĐKCS truyền thống Trang 77 VI.5.3 Giao diện thuật toán Trang 78 VI.5.4 Giao diện thuật toán Trang 81 VI.5.5 Giao diện thuật toán Trang 84 VI.5.6 Giao diện thuật toán Trang 86 VI.5.7 So sánh thuật toán Trang 88 VI.6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Trang 89 VI.7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Trang 89 BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT Trang 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO Trang 93 GVHD: TS PHẠM HỒNG LIÊN – TS PHAN HỒNG PHƯƠNG Trang Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học BẢNG TRA CỨU TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AWGN Additional White Gauss Noise Nhiễu Gause trắng cộng BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BS Base Station Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CRC Cyclic Redundant Check Bit kiểm tra lỗi CRC DM Delta Modulation Điều chế Delta DS-SS Direct Sequence-Spectrum Spreading Trải phổ chuỗi trực tiếp FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo tần số FER Frame Error Rate Tỉ lệ lỗi khung FH-SS Frequency hopping-SS Trải phổ nhảy tần GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống toàn cầu cho thông tin di động MAI Multi-access Interfere Giao thoa đa truy cập MS Mobile Station Thuê bao di động MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình PCE Power Control Error Sai số ĐKCS PCG Power Control Group Nhóm ĐKCS PN code Pseudo Noise Code Mã trải phổ ngẫu nhiên giã nhiễu SS Spectrum Spreading Trải phổ STD Standard Deviation Độ lệch chuẩn TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian UMTS Universal Mobile Telecommunications Hệ thống thông tin di động toàn cầu System W-CDMA Wideband-Code Division Multiple Access CDMA băng rộng ZOH Zero Oder Hold Bộ giữ mẫu GVHD: TS PHẠM HỒNG LIÊN – TS PHAN HỒNG PHƯƠNG Trang 92 Luận Văn Tốt Nghiệp Cao Học CHƯƠNG I GIỚI THIỆU Ngày nay, thị trường thông tin di động toàn cầu phát triển mạnh mẽ Theo số liệu thống kê, số thuê bao di động toàn giới tháng năm 2005 đạt đến số 1,7 tỉ thuê bao, số thuê bao sử dụng công nghệ CDMA đạt 285 triệu thuê bao sau khoảng 10 năm triển khai dịch vụ Với tốc độ phát triển thuê bao 30% năm, CDMA xem công nghệ di động phát triển nhanh Thị trường CDMA Bắc Mỹ, Mỹ La Tinh Châu Á với 100 nhà khai thác mạng 50 quốc gia vùng lãnh thổ CDMA kỹ thuật vô tuyến số tiên tiến cho phép tăng dung lượng thuê bao từ đến 10 lần so với kỹ thuật sử dụng công nghệ analog, gấp khoảng lần dung lượng công nghệ di động số khác TDMA Ngoài ra, Công nghệ CDMA mang lại nhiều lợi ích cho nhà khai thác mạng người sử dụng chất lượng thoại cao, tỉ lệ rớt gọi thấp, kế hoạch triển khai mạng đơn giản, tính bảo mật cao, máy đầu cuối hao tốn pin… Để làm điều đó, vấn đề quan trọng mạng thông tin di động CDMA điều khiển công suất Điều khiển công suất CDMA để bù vào lượng công suất thu thay đổi, gây tượng fading, chắn, giao thoa đồng kênh… hạn chế hiệu ứng gần xa, đảm bảo cho thuê bao có mức công suất thu giống trạm gốc Ngoài trình điều khiển công suất làm tăng đáng kể dung lượng thuê bao, tăng thời gian sử dụng nguồn máy đầu cuối Cấu trúc kênh CDMA chia thành hai hướng: hướng từ trạm gốc (BS) đến máy di động (MS) gọi liên kết hướng xuống (forward link), hướng ngược lại từ GVHD: TS PHẠM HỒNG LIÊN – TS PHAN HỒNG PHƯƠNG Trang ... TÀI: KẾT HỢP HAI BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT VÀ ĐỊNH VỊ TRONG MẠNG DI ĐỘNG CDMA II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu điều khiển công suất định vị chuỗi trải phổ mạng. .. truyền Điều khiển công suất hướng lên bao gồm điều khiển công suất vòng hở điều khiển công suất vòng kín Điều khiển công suất vòng kín bao gồm điều khiển công suất vòng điều khiển công suất vòng... gồm hai phần: điều khiển công suất vòng điều khiển công suất vòng Điều khiển công suất vòng đảm bảo cho thuê bao mức Eb/Io định mức Trong điều khiển công suất vòng điều chỉnh tỷ số Eb/Io định