Công nghệ mc cdma và điều khiển công suất trong hệ thống mc cdma

384.5 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ===== ===== đồ án tốt nghiệp đại học Đề tµi: CƠNG NGHỆ MC - CDMA VÀ ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC - CDMA S Mã số s : : : : TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa Hồ Tiến Mạnh 50K1 - ĐTVT 0951080304 NGHỆ AN - 2014 MỤC LỤC Trang LỜI NÓI ĐẦU i TÓM TẮT ĐỒ ÁN iii DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi Chương KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Các tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 1.3 Các loại kênh truyền 1.3.1 Kênh truyền chọn lọc thời gian kênh truyền chọn không chọn lọc thời gian 1.3.2 Kênh truyền chọn lọc tần số kênh truyền không chọn lọc tần số 1.4 Hiện tượng Fading 1.4.1 Fading chọn lọc tần số (Frequency-selective fading) 1.4.2 Fading Rayleigh 1.5 Các loại phân bố kênh truyền 1.5.1 Phân bố Rayleigh 1.5.2 Phân bố fading Ricean 1.5.3 Fading logarit chuẩn 1.6 Kết luận chương 11 Chương TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CDMA VÀ KỸ THUẬT OFDM 12 2.1 Giới thiệu chương 12 2.2 Tổng quan kỹ thuật OFDM 12 2.2.1 Các nguyên lý OFDM 12 2.2.2 Các kỹ thuật điều chế OFDM 19 2.2.3 Ưu điểm nhược điểm kỹ thuật OFDM 22 2.3 Công nghệ CDMA 23 2.3.1 Kỹ thuật trải phổ 23 2.3.2 Các loại mã trải phổ 25 2.3.3 Các kiểu trải phổ tín hiệu 28 2.3.4 Các đặc tính cơng nghệ CDMA 33 2.4 Kết luận chương 35 Chương HỆ THỐNG MC-CDMA 36 3.1 Giới thiệu chương 36 3.2 Hệ thống MC-CDMA 36 3.2.1 Khái niệm MC-CDMA 36 3.2.2 Sơ đồ khối 36 Hình 3.1 mơ tả sơ đồ khối hệ thống MC-CDMA 36 3.2.3 Cấu trúc tín hiệu 37 3.2.5 Tín hiệu tuyến lên ( uplink) 39 3.2.6 Máy phát 40 3.2.7 Máy thu 42 3.3 Kênh truyền 43 3.4 Vấn đề dịch tần số sóng mang hệ thống MC-CDMA 45 3.5 Giới hạn BER hệ thống MC-CDMA 49 3.6 Các phương pháp dò tìm liệu 51 3.6.1 Kỹ thuật dị tìm liệu đơn user 51 3.6.2 Kỹ thuật dị tìm liệu đa user 53 3.6.2.2 Dò tìm cận tối ưu 54 3.7 Phân loại 57 3.8 Ưu điểm nhược điểm kỷ thuật MC-CDMA 60 3.9 Kết luận chương 61 Chương ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA 62 4.1 Giới thiệu chương 62 4.2 Điều khiển công suất hệ thống MC-CDMA 62 4.3 Hồi tiếp dương điều khiển công suất đường lên 67 4.4 Các sơ đồ điều khiển công suất hệ thống MC-CDMA 68 4.4.1 Điều khiển công suất dựa vào người sử dung 68 4.4.2 Điều khiển công suất dựa vào băng tần 69 4.5 Các phương pháp điều khiển công suất hệ thống MC-CDMA 71 4.5.1 Điều khiển công suất đơn mức fixed-step 71 4.5.2 Điều khiển công suất đa mức multi-level 71 4.5.3 Điều khiển cơng suất dự đốn 72 4.6 Hệ thống MC-CDMA với băng chọn lọc thích nghi 76 4.6.1 Truyền liệu băng chọn lọc thích nghi 76 4.6.2 Phương pháp xác định hệ số chọn lọc băng tần 77 4.7 Kết mô 80 4.7.1 Mô phương pháp điều khiển công suất đơn bước (Fixed step) 82 4.7.2 Mô phương pháp điều khiển công suất đa mức (Multilevel) 83 4.8.4 So sánh ba phương pháp dựa vào công suất phát, BER, SNR 86 4.7.5 Mô hệ thống lựa chọn băng tần thích nghi 88 4.8 Kết luận chương 89 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 90 PHỤ LỤC 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO 103 LỜI NÓI ĐẦU Trong hệ thống thông tin di động tương lai, việc truyền liệu tốc độ cao mơi trường có fading chọn lọc tần số yêu cầu khắc khe, đặc biệt đường lên (down link) Gần đây, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số (OFDM) hứa hẹn kỹ thuật việc thực yêu cầu truyền liệu dung lượng tốc độ cao cho hiệu phổ hệ thống thông tin không dây (wireless) Sự kết hợp kỹ thuật đa sóng mang OFDM hệ thống đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) gọi MC-CDMA Kỹ thuật MC-CDMA truyền kênh Rayleigh fading AWGN Trong MC-CDMA, nguồn liệu tốc độ cao chuyển thành luồng liệu tốc đô thấp với phổ rộng cách sử dụng cách dùng chuỗi trực giao Hadamard - Walsh mã ngẫu nhiên Sự kết hợp mang đến cho MC CDMA ưu điểm hai kỹ thuật, đồng thời có nhược điểm CDMA OFDM Hệ thống MC CDMA có khả chống nhiễu MAI, ISI, ICI tốt Hỗ trở nhiều user băng thông, giúp tiết kiệm tần số Nội dung đồ án bao gồm chương giới thiệu đặc tính kênh truyền vô tuyến, truyền liệu kênh truyền vô tuyến tượng ảnh hương đến việc truyền liệu kênh truyền vô tuyến Chương giới thiệu tổng quan hệ thống CDMA kỹ thuật OFDM Qua đó, cho thấy kết hợp hai công nghệ Chương giới thiệu hệ thống MC-CDMA vấn đề hệ thống Chương trình bày phương pháp điều khiển công suất hệ thống MCCDMA mô phương pháp phần mềm MATLAB Tuy có nhiều cố gắng cịn nhiều thiếu sót cần bổ sung phát triển mong quý thầy cô bạn bảo thêm Em xin gửi lời cảm ơn chân thành thầy cô khoa Điện tử Viễn thông trường Đại Học Vinh truyền đạt kiến thức tảng quý báu suốt trình học trường i Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Nguyễn Thị Quỳnh Hoa hướng dẫn nhiệt tình, truyền đạt kiến thức cần thiết, bổ ích để em hồn thành đồ án tốt nghiệp cách tốt Em xin chân thành cảm ơn! Nghệ An, ngày 20 tháng năm 2014 Sinh viên thực Hồ Tiến Mạnh ii TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày tổng quan công nghệ CDMA, kỹ thuật OFDM công nghệ MC-CDMA Hệ thống MC-CDMA kết hợp công nghệ CDMA kỹ thuật OFDM Việc kết hợp OFDM-CDMA cho phép sử dụng băng thông hiệu đảm bảo ưu điểm hệ thống CDMA Công nghệ MCCDMA kỹ thuật tốt cho hệ thống cung cấp liệu tốc độ cao, đa dịch vụ, đa tốc độ tin cậy Cuối cùng, đồ án sâu vào tìm hiểu phương pháp điều khiển công suất mô phương pháp điều khiển công suất thống MC-CDMA phần mềm MATLAB ABSTRACT The thesis introdeces overview of CDMA technology, OFDM technical and MC-CDMA technology MC-CDMA technology is a combination of CDMA technology and OFDM technical The combination of OFDM-CDMA allows us to use effective bandwidth and ensure the advantages of CDMA system MC-CDMA technology is good technical for systems to provide high speed data, multi-service, multi-speed and reliable Finaly, the thesis will go deep into understand the power control methods and the simulate the power control methods in MC-CDMA system by MATLAB software iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nhiễu đa đường Hình 1.2 Hiện tượng Fading đa đường Hình 1.3 Hàm mật độ xác xuất Rayleigh Hình 1.4 Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh Ricean 10 Hình 1.5 Biên độ tín hiệu thu có fading Rayleigh 11 Hình 2.1 Kỹ thuật FDM (a) kỹ thuật OFDM (b) 13 Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 13 Hình 2.3 Bộ chuyển đổi S/P 13 Hình 2.4 Tín hiệu miền thời gian sau qua khối IFFT `15 Hình 2.5 Tín hiệu miền thời gian sau qua khối FFT 15 Hình 2.6 Chiều dài ký hiệu OFDM 18 Hình 2.7 Chiều dài ký hiệu OFDM có chèn GI 18 Bảng 2.1 Các kỹ thuật điều chế OFDM 19 Hình 2.8 Hệ thống thơng tin trải phổ 24 Hình 2.9 Mạch ghi dịch số hai 26 Bảng 2.2 Một số cặp chuỗi M ưa chuộng 27 Hình 2.10 Tín hiệu trải phổ 29 Hình 2.11 Quá trình trải phổ 29 Hình 2.12 Máy phát DS-SS 29 Hình 2.13 Máy thu DS-SS 30 Hình 2.14 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần 31 Hình 2.15 Máy phát FH-SS 31 Hình 2.16 Máy thu FH-SS 31 Hình 2.17 Nhảy tần nhanh 32 Hình 2.18 Nhảy tần chậm 32 Hình 2.19 Trải phổ nhảy thời gian 33 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống MC-CDMA 36 Hình 3.2 Bộ tạo tín hiệu trải phổ đa sóng mang 37 Hình 3.3 Máy phát MC-CDMA tuyến xuống 39 Hình 3.4 Máy phát MC –CDMA 40 iv Hình 3.5 Máy thu MC-CDMA 43 Hình 3.6 Ảnh hưởng kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số lên băng tần hẹp 44 Hình 3.7 Các kỹ thuật dị tìm liệu đa user 53 Hình 3.8 Sơ đồ khối dị tìm liệu đa user tuyến tính 54 Hình 3.9 Cấu trúc tổng quát cho K-user, m -giai đoạn PIC 56 Hình 3.10 Bộ phát MC-DS-CDMA 58 Hình 3.11 Mã trải phổ MC-DS-CDMA 58 Hình 3.12 Phổ cơng suất tín hiệu phát 58 Hình 3.13 Mã trải phổ cho hệ thống MT-CDMA 59 Bảng 3.1 Những thuận lợi hạn chế MC-CDMA MC-DS-CDMA 59 Bảng 3.2 Những đặc trưng MC-CDMA MC-DS-CDMA 60 Hình 4.1 Mơ hình hệ thống với users tích cực 63 Hình 4.2 Điều khiển cơng suất dựa vào người sử dụng hệ thống MC-CDMA 69 Hình 4.3 ĐKCS dựa vào băng tần hệ thống MC-CDMA 70 Hình 4.4 Nhóm điều khiển cơng suất đường lên 73 Hình 4.5 Dự đốn công suất thu với D=6 74 Hình 4.6 Thuật tốn dự đốn để điều khiển công suất 75 Hình 4.7 Sơ đồ khối truyền băng lọc thích nghi hệ thống MCCDMA 76 Bảng 4.1 Bảng thông số mô 81 Hình 4.8 Giao điện chương trình mơ 81 Hình 4.9 Kết mơ phương pháp điều khiển cơng suất đơn mức 82 Hình 4.10 Kết mô phương pháp điều khiển công suất đa mức 84 Hình 4.11 Kết mơ phương pháp điều khiển cơng suất dự đốn 86 Hình 4.12 So sánh dựa vào cơng suất phát 86 Hình 4.13 So sánh dựa vào giá trị SNR 87 Hình 4.14 So sánh dựa vào giá trị BER 87 Hình 4.15 Hệ thống MC-CDMA lựa chọn băng tần thích nghi 88 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A/D Analog-to-Digital AGC Automatic Gain Control CDMA Code Division MultipleAccess CP Cycle Prefix D/A Digital-to-Analog DS-CDMA Direct Sequences CDMA DFT Discrete Fourier Transform DCS Digital Cellular System DVB-T Digital Video Broadcasting DTE Data Terminating Equipment DTI Data Transmission Interface FDM Frequency Division Multiplexing FDMA Frequency Division Multiple Access FFT Fast Fourier Transform FH-CDMA Frequency Hopping CDMA GSM Global System for Mobile Communication GI Guard Interval GP Guard Period GPRS General Packet Radio Service HSCSD High Speed Circuit Switched Data HLR Home Location Register HRS Home location Register Subsystem IC Interference Cancellation vi 4.8 Kết luận chương Trong hệ thống MC-CDMA, liệu điều chế sóng mang phụ khác chịu fading khác nên chất lượng dịch vụ phụ thuộc vào SNR sóng mang trạm gốc Do đó, cơng suất phát sóng mang phải điều khiển theo băng Do tính trực giao sóng mang phụ, nhiễu từ user khác không bị gây sóng mang phụ khác mà máy di động sóng mang phụ Điều có nghĩa điều khiển cơng suất dự đốn cải thiện hệ thống MC-CDMA, mà giải thuật dự đoán dùng để dự đoán đường bao fading cho sóng mang phụ thay cho user Vì thế, điều khiển cơng suất band-based với giải thuật dự đoán cải thiện dung lượng hệ thống MC-CDMA Đồng thời ứng dụng điều chế thích nghi vào hệ thống MC-CDMA nâng cao chất lượng BER so với hệ thống MCCDMA điều chế toàn sóng mang 89 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Đồ án trình bày hệ thống MC-CDMA, hệ thống thông tin vô tuyến quan tâm Hệ thống MC-CDMA kết hợp hai công nghệ CDMA kỹ thuật OFDM Cơng nghệ CDMA cho phép người dung truyền liệu băng thông rộng nhờ vào kỹ thuật trải phổ Do đó, cơng nghệ CDMA đáp ứng khả truy nhập cao, truyền tải liệu nhanh đáp ứng nhiều dịch vụ Kỹ thuật điều chế OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) trường hợp đặc biệt phương pháp điều chế FDM, chia luồng liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp vùng tần số sử dụng, sóng mang trực giao với Kỹ thuật OFDM hứa hẹn kỹ thuật ứng dung rộng rãi nhờ ưu điểm khả giảm nhiễu xuyên ký tự, truyền liệu tốc độ cao đáp ứng nhiều dịch vụ Kết hợp OFDM với CDMA để tạo thành hệ thống MC-CDMA thừa hưởng ưu điểm hai cơng nghệ, hứa hẹn hệ thống ứng dụng rộng rãi hệ thống thông tin tương lai Để nâng cao chất lượng hệ thống sử dụng hiệu dung lượng hệ thống MC-CDMA vấn đề điều khiển cơng suất quan Ngồi việc tìm hiểu lý thuyết, đồ án mô phương pháp điều khiển công suất phần mềm MATLAB Tuy nhiên, đồ án số hạn chế là: kết mô mô máy tính mà chưa triển khai thực tế, điều kiện khách quan thời gian thiết bị, hệ thống chưa giả lập phần cứng để kiểm tra tính khả thi Hướng phát triển đề tài việc nâng cao dung lượng hệ thống phương pháp điều khiển cơng suất cần phải nghiên cứu thêm phương pháp để tối ưu hệ thống MC-CDMA 90 PHỤ LỤC Chương Trình Chính Mơ Phỏng Chương Trình Điều Khiển Cơng Suất 1.1 Chương Trình Điều Khiển Công Suất Bước Cố Định function pushbutton1_Callback(hObject, eventdata, handles) congsuatphat=str2double(get(handles.edit2,'string')); user=str2double(get(handles.edit1,'string')); In=14.200; % cong suat nhieu ,In = No*B/nc,No laf mat cong suat nhieu,B bang tan moi song mang nc=8.000; %congsuatcuatungsongmang; deltaP=0.500; %buoc dieu khien cong suat NumAngles=2^4; Length=2^8; symbolRate=9.6; NumWaveforms=2; carrierFreq=1.2286; Velocity=36; C=3e8; alpha=RayCh1(NumAngles, Length, symbolRate, NumWaveforms,carrierFreq, Velocity); sipow = tinhieu(user); sigpower1=congsuatphat; %sigpower=abs((20*log(out))/4 phuong phap fixed-step sigpower2=congsuatphat; %phuong phap multi-level G=8.000; snrchuan=abs(G/user); % gia tri snr chuan Y1=[]; Y2=[]; 91 e=0.025*deltaP; deltaP1=0.250; for i=1:80 alpha1=randint(1,1,[975 980])*1e-03; snr1=(sigpower1*alpha1^2*G)/((user-1)*sigpower1+In); Y1(i)=sigpower1; if snr1 >= snrchuan sigpower1= sigpower1-deltaP; else sigpower1=sigpower1+deltaP; end end Y=Y1; bar([Y]','group'); xlabel('time(x1.25msec)'); ylabel('cong suat phat(dB)'); title('fixstep'); grid on 1.2 Chương Trình Điều Khiển Cơng Suất Đa Mức function pushbutton2_Callback(hObject, eventdata, handles) congsuatphat=str2double(get(handles.edit2,'string')); user=str2double(get(handles.edit1,'string')); In=14.200; % cong suat nhieu ,In = No*B/nc,No laf mat cong suat nhieu,B bang tan moi song mang nc=8.000; 92 deltaP=0.500; %buoc dieu khien cong suat alpha=0.94; sipow = tinhieu(user); sigpower1=congsuatphat; %sigpower=abs((20*log(out))/4 phuong phap fixed- step sigpower2=congsuatphat; %phuong phap multi-level G=8.000; snrchuan=abs(G/user); % gia tri snr chuan Y1=[]; Y2=[]; e=0.025*deltaP; deltaP1=0.250; for i=1:80 alpha2=randint(1,1,[975 960])*1e-03; snr2=(sigpower2*alpha2^2*G)/((user-1)*sigpower2+In); Y2(i)=sigpower2; if snr2-snrchuan < -5*e sigpower2=sigpower2+3*deltaP1; elseif snr2-snrchuan