Điều khiển công suất trong hệ thống MC CDMA luận văn tốt nghiệp đại học

Lời nói đầu Thông tin di động số đang ngày càng phát triển mạnh mẽ trên thế giới với những ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực thông tin, trong dịch vụ và trong cuộc sống hàng ngày. Các kỹ thuật không ngừng được hoàn thiện để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng. Kể từ khi xuất hiện vào cuối năm 1940 cho đến nay thông tin di động đã phát triển một cách mạnh mẽ về mặt công nghệ. Trong thế kỷ 21, thế giới đã chứng kiến sự bùng nổ của thông tin vô tuyến trong đó thông tin di động đóng vai trò rất quan trọng. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về số lượng lẫn chất lượng dịch vụ đặc biệt là dịch vụ truyền số liệu đa phương tiện công nghệ băng rộng đã ra đời. Với khả năng tích hợp nhiều dịch vụ, công nghệ băng rộng đã dần chiếm lĩnh thị trường viễn thông. Có nhiều công nghệ thông tin di động thế hệ thứ tư đã được đề xuất, trong đó công nghệ MC - CDMA là sự kết hợp giữa nguyên lý CDMA và OFDMA cho phép ta sử dụng băng thông hiệu quả, tốc độ truyền cao, tính bền vững với fading chọn lọc tần số, tính bảo mật cao và giảm độ phức tạp của hệ thống. Điều khiển công suất trong hệ thống di động là một trong những khâu quan trọng của hệ thống, hạn chế được ảnh hưởng của hiệu ứng xa - gần đến chất lượng dịch vụ thoại, dung lượng của hệ thống và khả năng chống lại fading vốn là đặc trưng của môi trường di động. Đây là vấn đề rất quan trọng đối với hệ thống thông tin di động thế hệ mới. Điều khiển công suất cho các hệ thống vô tuyến tế bào đã được nghiên cứu tương đối chi tiết trong một số công trình. Đối với các hệ thông băng hẹp, các sơ đồ điều khiển công suất đã gợi mở cho nhiều nghiên cứu tiếp theo cho hệ thống băng rộng. 1 này thực hiện nghiên cứu, phân tích kỹ thuật điều khiển công suất hướng lên UL nhằm tối ưu hoá hoạt động của mạng đồng thời cải thiện chất lượng của hệ thống. Trong quá trình làm đề tài, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, sai lầm. Em rất mong nhận được sự phê bình, hướng dẫn và sự giúp đỡ của Thầy cô, bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn giúp đỡ tận tình của ThS. Đặng Thái Sơn cùng các thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn thông để em hoàn thành đề tài tốt nghiệp này. Nghệ An, ,ngày tháng năm 2011 Sinh viên thực hiện Lê Cẩm Nhung 2 Tóm tắt đồ án Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều người sử dụng hơn so với các hệ thống trước đó với những đặc điểm nổi trội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau. Đồng thời kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM với ưu điểm truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thông, hệ thống ít. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, ý tưởng về kỹ thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã MC - CDMA đã ra đời, dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM. MC - CDMA kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM. Chính vì vậy, MC - CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động 4G. Nội dung tìm hiểu trong đồ án này tìm hiểu trong 3 chương: Chương 1. Tổng quan về công nghệ CDMA và OFDM Trong chương này chúng ta sẽ phân tích nghiên cứu các lý thuyết cơ sở để hình thành công nghệ CDMA, điều khiển công suất của quá trình phát tín hiệu trong hệ thống CDMA và các đặc điểm của công nghệ OFDM như: nguyên lý hoạt động, sơ đồ hệ thống, tính trực giao, ảnh hưởng của kênh truyền và ưu khuyết điểm của hệ thống. Chương 2. Công Nghệ MC – CDMA Phân tích những đặc điểm cơ bản của MC - CDMA: Nguyên lý, phân loại, mô hình hệ thống, kỹ thuật thu và phát tín hiệu MC - CDMA, sau đó đề cập đến kỹ thuật phát hiện và các yếu tổ ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống. Qua đó ta thấy được MC - CDMA là một trong những công nghệ đa truy nhập đưa ra một hệ thống sử dụng phổ tần một cách hiệu quả và đơn giản hơn, hệ thống cung cấp tốc độ dữ liệu cao và đáng tin cậy. 3 Chương 3. Điều khiển công suất trong hệ thống MC – CDMA Tìm hiểu mục đích phải điều khiển công suất trong MC - CDMA. Và tìm hiểu 3 thuật toán điều khiển công suất cho hướng lên: Điều khiển công suất bước cố định, điều khiển công suất đa mức, điều khiển công suất với giải thuật dự đoán fading. Bên cạnh đó, phương pháp điều chế thích nghi cũng được đề xuất để cải thiện chất lượng BER trong hệ thống MC-CDMA, phương pháp này cũng được xem là một phương pháp điều khiển công suất. 4 Mục lục Lời nói đầu .3 Tóm tắt đồ án .5 Danh sách các hình vẽ .7 Danh sách bảng biểu .8 Từ viết tắt .9 Chương 1. Tổng quan về công nghệ CDMA và OFDM .11 1.1. Tổng quan về công nghệ CDMA . 11 1.1.1. Kỹ thuật trải phổ . 14 1.1.2. Chuyển giao . 19 1.1.3. Điều khiển công suất trong CDMA . 20 1.2. Tổng quan về công nghệ OFDM . 23 1.2.1. Nguyên lý chung của OFDM . 23 1.2.2. Hệ thống OFDM . 24 1.2.3. Trực giao trong OFDM . 25 1.2.4. Các vấn đề đồng bộ trong OFDM . 29 1.2.5. Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) 5 . 32 1.2.6. Ảnh hưởng của kênh truyền đến OFDM . 33 1.2.7. Ưu khuyết điểm của OFDM . 36 1.3. Kết luận . 37 Chương 2. Công Nghệ MC – CDMA .38 2.1. Nguyên lý chung của kỹ thuật MC - CDMA . 38 2.2. Phân loại 39 2.3. Hệ thống MC - CDMA . 41 2.1.1. Máy phát 41 2.3.2. Máy thu MC - CDMA 43 2.4. Kênh truyền . 45 2.5. Các kỹ thuật phát hiện . 47 2.5.1. Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao ORC . 48 2.5.2. Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao ORC đỉnh (TORC)…………………………………………………………… .48 2.5.3. Phương pháp kết hợp độ lợi bằng nhau (EGC)…………… .49 6 2.5.4. Phương pháp kết hợp tỷ số cực đại (MRC) . 49 2.5.5. Phương pháp kết hợp sai số trung bình bình phương tối thiểu (MMSE) .50 2.6. Nhiễu MAI và nhiễu ICI . 50 2.6.1. Nhiễu MAI . 51 2.6.2. Nhiễu ICI . 51 2.7. Các phương pháp triệt nhiễu………………………………… .51 2.7.1. Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp . 51 2.7.2. Phương pháp triệt nhiễu song song …………………………53 2.8. Vấn đề dịch tần số sóng mang trong hệ thống MC - CDMA . 54 2.9. Giới hạn BER của hệ thống MC-CDMA…………………… . 58 2.10. Ưu nhược điểm của công nghệ MC-CDMA 59 2.10.1. Ưu điểm của công nghệ MC-CDMA……………………. 59 2.10.2. Nhược điểm của hệ thống MC- CDMA………………….60 2.11. Kết luận…………………………………………………………60 Chương 3. Điều khiển công suất trong hệ thống MC – CDMA .61 3.1. Mục đích của điều khiển công suất trong hệ thống MC - CDMA . 61 3.2. Điều khiển công suất trong hệ thống MC - CDMA . 62 3.3. Hồi tiếp dương trong điều khiển công suất đường lên 7 . 67 3.4. Cơ chế điều khiển công suất trong các hệ thống MC-CDMA 68 3.5. Các phương pháp điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA 71 3.5.1. Điều khiển công suất cố định và đa mức . 71 3.5.2. Điều khiển công suất dự đoán . 72 3.5.3. Dự đoán công suất thu được kế tiếp 73 3.5.4. Phân tích BER . 76 3.6. Hệ thống MC-CDMA với băng chọn lọc thích nghi 77 3.6.1. Truyền dữ liệu trên băng chọn lọc thích nghi . 77 3.6.2 Phương pháp xác định hệ số chọn lọc băng tần . 79 3.7. Kết luận . 82 Kết luận và hướng phát triển đề tài .83 Tài liệu tham khảo .85 Danh sách các hình vẽ Hình 1.1. Đa truy nhập phân chia theo mã 12 8 Hình 1.2. Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS) .14 Hình 1.3. Trải phổ nhảy tần (FH/SS) 15 Hình 1.4. Trải phổ nhảy thời gian (TH/SS) .15 Hình 1.5. Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN 17 Hình 1.6. Mạch thanh ghi dịch tạo chuỗi PN tốc độ cao .18 Hình 1.7. Điều khiển công suất vòng hướng lên .21 Hình 1.8. Điều khiển công suất vòng kín 22 Hình 1.9. Sơ đồ hệ thống OFDM 24 Hình 1.10. Kỹ thuật đa sóng mang .26 Hình 1.11. Cấu trúc trong miền thời gian một tín hiệu OFDM .27 Hình 1.12. Đáp ứng tần số của các sóng mang 28 Hình 1.13. Đáp ứng tần số của kênh truyền đa đường 33 Hình 1.14. Các tín hiệu đa đường 34 Hình 2.1. Nguyên tắc chung của kỹ thuật MC - CDMA .38 Hình 2.2. Sơ đồ khối mô hình hệ thống MC-CDMA 41 Hình 2.3. Sơ đồ máy phát của hệ thống MC - CDMA 42 Hình 2.4. Máy thu MC - CDMA .44 Hình 2.5. Ảnh hưởng của kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số lên từng băng tần hẹp .46 Hình 2.6. Sơ đồ triệt nhiễu song song nhiều tầng .53 Hình 3.1. Mô hình hệ thống với các users tích cực 63 Hình 3.3. Điều khiển công suất dựa vào người sử dụng 69 Hình 3.3. ĐKCS dựa vào băng tần trong các hệ thống MC-CDMA .70 Hình 3.4. Nhóm điều khiển công suất đường lên 73 Hình 3.5. Dự đoán công suất thu với D=6 74 Hình 3.6. Thuật toán dự đoán để điều khiển công suất .76 Hình 3.7. Sơ đồ khối truyền trên băng lọc thích nghi của hệ thống MC-CDMA 78 9 Danh sách bảng biểu Bảng 1.1. So sánh giữa DS/SS, FH/SS và TH/SS .16 Bảng 2.1. Những đặc tính chính của MC - CDMA và MC - DS - CDMA .40 10 . chế điều khiển công suất trong các hệ thống MC- CDMA 68 3.5. Các phương pháp điều khiển công suất trong hệ thống MC- CDMA 71 3.5.1. Điều khiển công suất. công suất trong MC - CDMA. Và tìm hiểu 3 thuật toán điều khiển công suất cho hướng lên: Điều khiển công suất bước cố định, điều khiển công suất đa mức, điều