Các phương pháp tách sóng trong cdma

Tr-ờng đại học vinh khoa điện tử viễn thông === === đồ án tốt nghiệp đại học Đề tài: ph-ơng pháp tách sóng cdma Giảng viên h-ớng dẫn : ks lê văn ch-ơng Sinh viên thực Lớp MÃ số sinh viên : trần quang hoàng : 48K - §TVT : 0751080438 nghƯ an - 01/2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Trần Quang Hoàng Mã sinh viên: 0751080438 Khoá học: 48 Khoa: Điện tử Viễn thông Ngành: Điện tử Viễn thông Đầu đề đồ án: Các số liệu liệu ban đầu: Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): Họ tên giảng viên hướng dẫn: KS Lê Văn Chương Ngày giao nhiệm vụ đồ án: / /20 Ngày hoàn thành đồ án: / /20 Ngày tháng năm 2012 TRƯỞNG BỘ MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN Sinh viên hoàn thành nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm 2012 CÁN BỘ PHẢN BIỆN MỤC LỤC Trang Lời nói đầu i Danh mục hình vẽ ii Danh mục từ viết tắt iii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CÔNG NGHỆ CDMA 1.1 Khái niệm trải phổ 1.2.Các kỹ thuật trải phổ 1.2.1 Kỹ thuật trải phổ cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum) 1.2.2 Kỹ thuật trải phổ phương pháp nhảy tần số ( FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum) 1.2.3 Kỹ thuật trải phổ phương pháp nhảy thời gian (TH – SS: Time Hopping Spread Spectrum ) 1.3 CÁC KỸ THUẬT TRẢI PHỔ CƠ BẢN 1.4 KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 1.4.1 Giới thiệu 1.4.2 Kỹ thuật điều chế tần số (FM) 1.4.3 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang điều tần (FM) .7 1.4.4 Điều chế số 1.4.5 Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK 1.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP 1.5.1 Đa truy nhập theo phân chia tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access) 1.5.2 Đa truy nhập theo phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) 10 1.5.3 Đa truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) .11 1.6 CÔNG NGHỆ CDMA 12 1.6.1 Tổng quan 12 1.6.2 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA CDMA .13 1.6.3 ƯU ĐIỂM CỦA CDMA 18 CHƯƠNG 2: CÁC LOẠI NHIỄU TRONG CDMA 21 2.1 Fading 21 2.2 Vấn đề gần xa 21 2.3 Hiện tượng đa đường .22 2.4 Nhiễu Gaussian 23 2.5 Nhiễu đa truy nhập (MULTIPLE ACCESS INTERFERENCE) 26 CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG TRONG CDMA 28 3.1 Bộ tách sóng kinh điển .28 3.1.2 Mơ hình bất đồng 30 3.1.3 Hiệu suất tách sóng 31 3.2 Tách sóng giải tương quan (decorrelating detector) 36 3.2.1 Kênh CDMA đồng 36 3.2.2 Kênh CDMA bất đồng 42 3.2.3 Phân tích hiệu suất cho tách sóng giải tương quan .44 3.3 Bộ tách sóng phương sai tối thiểu – mmse (minimun mean square error) 48 3.3.1 Kênh CDMA đồng 51 3.3.2 Kênh CDMA bất đồng 53 3.4 Bộ triệt nhiễu nối tiếp – SIC (Successive Interference Cancellation) 55 3.4.1 Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp đồng bộ: .55 3.4.2 Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp bất đồng 57 3.5 Bộ triệt nhiễu song song nhiều tầng - PIC (parallel Interference Cancellation) 58 3.6 Bộ tách sóng tối ưu (Optimum Multiuser Detector) 60 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 64 4.1 Mơ hình đồng 64 4.1.1 Bộ tách sóng kinh điển .64 4.1.2 Bộ tách sóng MMSE 65 4.1.3 Bộ triệt nhiễu nối tiếp-SIC .66 4.1.4 Bộ triệt nhiễu song song PIC tầng thu kinh điển 67 4.1.5 Bộ triệt nhiễu song song PIC tầng thu giải tương quan 67 4.1.6 Bộ thu tối ưu .68 4.1.7 Tổng hợp tách sóng mơ hình đồng 69 4.2 Mơ hình bất đồng 70 4.2.1 Bộ tách sóng kinh điển .70 4.2.2 Bộ tách sóng MMSE 71 4.2.3 Bộ tách sóng giải tương quan 72 4.2.4 Tổng hợp phương pháp mô hình bất đồng 73 4.3 So sánh mơ hình đồng Bất đồng 74 4.4 KẾT LUẬN 75 4.5 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………… 77 PHỤ LỤC 78 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với phát triển kinh tế xã hội khoa học kỹ thuật, nhu cầu trao đổi thông tin người ngày tăng Điều làm cho cạnh tranh công ty lĩnh vực viễn thơng giới nói chung Việt Nam nói riêng ngày trở nên khốc liệt, đặc biệt lĩnh vực thông tin di động Các công ty viễn thông phải không ngừng đầu tư phát triển công nghệ, không ngừng nâng cao chất lượng dịch vụ, nâng cao chất lượng chăm sóc khác hàng… Hiện nay, nguồn thơng tin địi hỏi tốc độ truyền liệu ngày cao nên hệ thống thông tin vơ tuyến địi hỏi băng tần rộng Thơng tin truyền từ nhiều nguồn khác nhất, từ phải có q trình thực giải điều chế để tách luồng thông tin từ nguồn riêng biệt khác Công nghệ CDMA đời đáp ứng phần lớn nhu cầu khách hàng chất lượng loại hình dịch vụ CDMA có nhiều ưu điểm vượt trội so với cơng nghệ trước khơng đáp ứng như: Tăng dung lượng phục vụ, cải thiện chất lượng gọi, bảo mật tăng cao, tiết kiệm lương, phủ sóng rộng hơn… Để tìm hiểu rõ vấn đề này, em lựa chọn đề tài: “Các phương pháp tách sóng CDMA” Nội dung đồ án gồm phần: Chương 1: Tổng quan kỹ thuật trải phổ công nghệ CDMA Chương 3: Các loại nhiễu CDMA Chương 3: Các phương pháp tách sóng CDMA Chương 4: Mơ & hướng phát triển Trong trình làm đồ án tốt nghiệp, em cố gắng nhiều khơng thể tránh khỏi sai sót, em mong nhận phê bình, hướng dẫn giúp đỡ thầy cô bạn bè Em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình thầy giáo Lê Văn Chương bạn bè lớp giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp SINH VIÊN THỰC HIỆN: Trần Quang Hoàng i DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ khối chức hệ thống thông tin trải phổ Hình 1.2: Mạch ghi dịch tạo chuỗi m Hình 1.3: Nguyên lý điều chế số Hình 1.4: Các phương pháp đa truy nhập Hình 2.1 Hiện tượng đa đường dẫn 22 Hình 3.1: Bộ tách sóng kinh điển 28 Hình 3.2: Mơ hình tách sóng user đồng 32 Hình 3.3: Bộ tách sóng giải tương quan cho kênh đồng 37 Hình 3.4: Bộ lọc thích nghi biến đổi tách sóng giải tương quan 38 Hình 3.5: Bộ thu giải tương quan lênh đồng user 39 Hình 3.6: Bộ tách sóng giải tương quan bất đồng 43 Hình 3.7: Bộ tách sóng tuyến tính mmse cho kênh đồng 52 Hình 3.8: Bộ tách sóng mmse trường hợp hai user 53 Hình 3.9: Bộ thu triệt nhiễu nối tiếp cho hai user 56 Hình 3.10: Bộ thu triệt nhiễu song song hai tầng 59 Hình 4.1: Bộ tách sóng kinh điển 64 Hình 4.2: Bộ tách sóng mmse 65 Hình 4.3: Bộ triệt nhiễu nối tiếp-sic 66 Hình 4.4: Bộ triệt nhiễu song song pic tầng thu kinh điển 67 Hình 4.5: Bộ triệt nhiễu song song pic tầng thu giải tương quan 67 Hình 4.6: Bộ thu tối ưu 68 Hình 4.7: So sánh phương pháp tách sóng mơ hình đồng 69 Hình 4.8: Bộ tách sóng kinh điển mơ hình bất đồng 70 Hình 4.9: Bộ tách sóng mmse mơ hình bất đồng 71 Hình 4.10: Bộ tách sóng giải tương quan mơ hình bất đồng 72 Hình 4.11: Tổng hợp tách sóng mơ hình bất đồng 73 Hình 4.12: So sánh hai mơ hình đồng bất đồng tách sóng kinh điển 74 Hình 4.13: So sánh mơ hình đồng khơng đồng tách sóng sic 74 Hình 4.14: So sánh mơ hình đồng bất đồng tách sóng mmse 75 ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 3G The Third Generation Thông tin di động hệ thứ AMPS Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu tạp âm ngẫu nhiên BER Error Rate Hệ số lỗi bit (tỷ số lỗi) BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân CDMA Code Division Multiple Access truy cập phân chia theo mã DEC quan Decorrelating Detector Bộ tách sóng giải tương DF Decision - Feedback Hồi tiếp định DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ trực tiếp FDMA Frequency Division Multiplex Accesss Đa truy nhập phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FH Frequency Hopping Nhảy tần FHSS Frequency Hopping Spread Trải phổ nhảy tần Spectrum FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần, điều chế dịch tần GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gói chung GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSM Global System for Mobile Communication Hệ thống thơng tin di động tồn cầu HS High Speed Tốc độ cao iii IF Intermedial Frequency Tần số trung gian ITU International Telecommunication Liên minh viễn thông quốc tế Union MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập MLSE Maximun Likelihood Sequence Tách sóng tối ưu khả Estimation MMSE Minimum Mean – Square Error Tách sóng phương sai tối thiểu tuyến tính MS Mobile Station Trạm di động MSC Mobile-Service Switching Centre Trung tâm chuyển mạch di động MSK Minimum shift keying Khóa dịch pha tối thiểu MUD Multi-User Detection Tách sóng đa truy cập OMD Optimum Multiuser Detection Tách sóng đa truy cập tối ưu vi PAM Pulse Amplitude Modulation Điều biên độ xung PDSN Packet Data Serving Node Nút phục vụ gói PIC Parallel Interference Cancelled Triệt nhiễu song song PN Pseudo Noise sequences Chuỗi giả ngẫu nhiên QAM QuadratureAmplitude Modulation Điều chế biên độ vng góc QPSK Quadrature – Shift – Keying Khóa dịch pha cầu phương (vng góc) RF Radio Frequency Tần sóng vô tuyến SIC Successive Interference Triệt nhiễu nối tiếp Cancellation SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu SR Spreading Rate Tốc độ trải phổ iv TDMA Time Division Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian THSS Time Hopping Sequence Spread Trải phổ dịch thời gian v 4.5 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Việc khảo sát mơ mơ hình CDMA tảng cho người nghiên cứu hiểu chất nguyên lý làm việc đặc tính kỹ thuật mơ hình CDMA tách sóng Từ khơng áp dụng phương pháp tách sóng vào mơ hình CDMA mà cịn ứng dụng cho hệ thống thơng tin trải phổ khác có độ phức tạp tiên tiến ( Hệ thống MCCDMA, MTC-MC CDMA…….) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS.Nguyễn Phạm Anh Dũng, “ Lý thuyết trải phổ ứng dụng”, Nhà Xuất Bản Bưu Điện Hà Nội, 5-2000 [2] Vũ Đình Thành, Huỳnh Phú Minh Cường, "Tách Sóng đa truy cập hệ thống thơng tin di động DS-CDMA đồng bộ“ ,Tạp chí Khoa Học Công Nghệ, tập 42, số 1, năm 2004 [3] S.Verdu, Multiuser detection, Cambridge University Press, 1998 [4] R L Peterson, R E Ziemer, D.E Borth, Introduction to Spread-Spectrum Communications,1995 Và số trang web: http://www.matlabworks.com http://www.vntelecom.org http://www dtvtspkt.net 76 PHỤ LỤC Bộ tách sóng giải tương quan %DONG BO %Ham tao chuoi bit sau va su dung phuong tach song GIAI TUONG QUAN function kq=bthu_conv_db(data,SNR,m) global T %clc %K=3; %n=12;%n chia het cho 2M+1 %data=randsrc(K,n) %SNR=10; %m=3; %T=dotre_T(K,8); % K=size(data,1); n=size(data,2); N=2^m-1; A=(10^(SNR/20))*eye(K); b=data; R_tq=R(K,m);% tao ma tran tuong quan cheo, K user %Tao tin hieu ngo cua bo loc phoi hop % -y=R_tq*A*b; y= y+wgn(size(y,1),size(y,2),0); kq=sign(y); %BAT DONG BO %Ham tao chuoi bit sau va su dung phuong tach song GIAI TUONG QUAN %Chia ma tran data cac frame dai 2M+1 de truyen di va giai dieu che function [kq_gtq]=bthu_gtq_bdb(data,SNR,m,M) global T % clc % M=1; % K=2; % n=6;%n chia het cho 2M+1 % data =randsrc(K,n) % SNR=10; % m=3; % T=dotre_T(K,8); % % K=size(data,1); n=size(data,2); 77 N=2^m-1; nframe=floor(n/(2*M+1)); R_0=R0(K,T,m); R_1=R1(K,T,m); R_1_T=R_1'; A=(10^(SNR/20))*eye(K); RM=R_M(R_1,R_0,M); AM=(10^(SNR/20))*eye((2*M+1)*K); RM_inv=inv(RM); b=data; %Tao tin hieu ngo cua bo loc phoi hop % -bthu_conv=[]; bthu_gtq=[]; %Tao tin ngo cua bo loc phoi hop % for dem=1:nframe b_tam=b(:,(dem-1)*(2*M+1)+1:dem*(2*M+1)); frame=reshape(b_tam,K*(2*M+1),1); y=RM*AM*frame; y = y+wgn(size(y,1),size(y,2),0); y_conv = reshape(y,K,2*M+1); bthu_conv = [bthu_conv y_conv]; y_tam = RM_inv*y; y_gtq = reshape(y_tam,K,2*M+1); bthu_gtq = [bthu_gtq y_gtq]; end kq_gtq=sign(bthu_gtq); Bộ tách sóng phương sai tối thiểu MMSE function [kq_mmse]=bthu_htiep_mmse_db(data,SNR,m) % clc % SNR=10; % m=5; % K=4; % data=randint(K,3) b=data; K=size(b,1); n=size(b,2); A=(10^(SNR/20))*eye(K); R_tq=R(K,m); R_inv=inv(R_tq); y = R_tq*A*b; y = y + wgn(K,n,0); %%%%%%%%%%%%%giai dieu che hoi tiep MMSE 78 M = R_tq + A/(A(1,1)^3); %F_T = chol(M); %F = F_T'; F=taoF(M); F_T=F'; F = F - diag(diag(F)); y_t = inv(F_T)*y; b_df_mmse(1,:) = sign(y_t(1,:)); for i=2:K b_2 = y_t(i,:) - F(i,1:i-1)*A(1:i-1,1:i-1)*b_df_mmse; b_df_mmse(i,:) = sign(b_2); end kq_mmse=sign(b_df_mmse); %BAT DONG BO %Chia ma tran data cac frame dai 2M+1 de truyen di va giai dieu che function [kq_mmse]=bthu_mmse_bdb(data,SNR,m,M) global T % clc % K=3; % n=6;%n chia het cho 2M+1 % M=1; % %data=randsrc(K,n) % % data1=randint(K,n) % data=data1*2-1 % SNR=10; % m=3; % T=dotre_T(K,8); K=size(data,1); n=size(data,2); N=2^m-1; nframe=floor(n/(2*M+1)); R_0=R0(K,T,m); R_1=R1(K,T,m); R_1_T=R_1'; A=(10^(SNR/20))*eye(K); RM=R_M(R_1,R_0,M); AM=(10^(SNR/20))*eye((2*M+1)*K); H=(1/(10^(SNR/10)))*eye((2*M+1)*K); Matran_R=inv(RM + H); b=data; bthu_mmse=[]; %Tao tin ngo cua bo loc phoi hop % for dem=1:nframe 79 b_tam=b(:,(dem-1)*(2*M+1)+1:dem*(2*M+1)); frame=reshape(b_tam,K*(2*M+1),1); y=RM*AM*frame; y = y+wgn(size(y,1),size(y,2),0); % y_conv = reshape(y,K,2*M+1); % bthu_conv = [bthu_conv y_conv]; y_tam = Matran_R*y; y_mmse = reshape(y_tam,K,2*M+1); bthu_mmse = [bthu_mmse y_mmse]; end kq_mmse=sign(bthu_mmse); Bộ tách sóng PIC function kq=bthudb_pic_gtq(data,SNR,m,sotang) b=data; K=size(data,1); n=size(data,2); R_tq=R(K,m); R_inv=inv(R_tq); A=(10^(SNR/20))*eye(K); y = R_tq*A*b + wgn(K,n,0); y_gtq = R_inv*y; I=diag(ones(1,K)); y_pic=y_gtq; for dem=2:sotang b=sign(y_pic); y_pic = y - A*(R_tq-I)*b; end kq=sign(y_pic); %Ham tao chuoi bit sau giai dieu che cho user thu k %Tach song thong thuong va GTQ function [kq_pic1]=bthu_pic1_bdb(data,SNR,m,M,sotang) global T % clc % T=[0 3] % data=randint(4,6)*2-1; % SNR=10; % m=5; % M=1; %sotang=3; K=size(data,1); 80 n=size(data,2); N=2^m-1; nframe=floor(n/(2*M+1)); b=data; A=(10^(SNR/20))*eye(K); R_0=R0(K,T,m); R_1=R1(K,T,m); AM=A_M(A,M); RM=R_M(R_1,R_0,M); I=diag(ones(1,K*(2*M+1))); kq_pic1=[]; for dem=1:nframe h=b(:,1+(dem-1)*(2*M+1):dem*(2*M+1)); yy=reshape(h,K*(2*M+1),1); yy=RM*AM*yy; y_conv = yy + wgn(length(yy),1,0); y_gtq=inv(RM)*y_conv; % PIC y_pic1=y_conv; for dem=2:sotang b_pic1=sign(y_pic1); y_pic1 = y_conv - AM*(RM-I)*b_pic1; end kq_pic1=[kq_pic1 reshape(y_pic1,K,2*M+1)]; end kq_pic1=sign(kq_pic1); Bộ tách sóng SIC %Ham tao chuoi bit thu duoc cua user thu sau gdc_SIC, theo tis so SNR cho truoc function kq=bthudb_SIC(data,SNR,m) b=data; K=size(b,1); n=size(b,2); R_tq=R(K,m); A=(10^(SNR/20))*eye(K); %Ham giai dieu che thong thuong y=R_tq*A*b + wgn(K,n,0); % -%Giai dieu che hoi tiep b_thu=[]; %for i=1:n k=K; while (k>=1) 81 tong=0; for j=(k+1):K tong=tong + R_tq(j,k)*A(j,j)*b_thu(j,:); end b_thu(k,:)=sign(y(k,:)-tong); k=k-1; end %end kq=sign(b_thu); %BAT DONG BO %Ham tao chuoi bit thu duoc cua user thu sau gdc_SIC, theo tis so SNR cho truoc function [kq_sic] = bthubdb_SIC(data,SNR,m,M) global T K=size(data,1); n=size(data,2); nframe=floor(n/(2*M+1)); N=2^m-1; R_0=R0(K,T,m); R_1=R1(K,T,m); R_1_T=R_1'; RM=R_M(R_1,R_0,M); A=(10^(SNR/20))*eye(K); AM=A_M(A,M); % -tin hieu sau blph b=data; bthu_sic=[]; bthu_conv=[]; for dem=1:nframe h=b(:,1+(dem-1)*(2*M+1):dem*(2*M+1)); yy=reshape(h,K*(2*M+1),1); yy=RM*AM*yy + wgn(length(yy),1,0); y=reshape(yy,K,2*M+1); for i=1:2*M+1 k=K; while (k>=1) tong=0; for j=(k+1):K if (i~=1) tong=tong + A(j,j)*( R_1(k,j)*b_thu(j,i-ro(k,j)) + R_0(j,k)*b_thu(j,i+1ro(k,j)) ); else tong=tong + A(j,j)*( R_0(j,k)*b_thu(j,i+1-ro(k,j)) ); 82 end end % all(k,i)=tong; b_thu(k,i)=sign(y(k,i)-tong); k=k-1; end end bthu_sic=[bthu_sic b_thu]; end kq_sic=sign(bthu_sic); %Tinh ro function kq=ro(k,j) global T kq=0; if (T(k)