Ứng dụng của giải điều chế tín hiệu trong hệ thống thông tin di động CDMA
MỤC LỤC
Nguyên lý CDMA
Nếu mô hình hoá kênh thu bởi tạp âm n(t) là tạp âm trắng cộng Gaussian (AWGN) có phương sai là σn2, trên kênh chỉ có nhiễu đa truy nhập gây ra bởi những người sử dụng khác và bản chất kênh là cộng thì tất cả các tín hiệu phát đều trễ và tạp âm cộng với nhau ở máy thu. Tín hiệu này được nén phổ bằng cách nhân với mã trải phổ c1(t) được tạo ra ở máy thu thứ nhất (giả thiết mã trải phổ tạo ra ở máy thu đồng bộ với mã trải phổ bên phát), loại bỏ sóng mang bằng phương pháp nhất quán (nhân với. Máy thu tương quan thực hiện tương quan tích cực, ta có thể thực hiện nó ở dạng một bộ lọc thích ứng là phần tử thụ động, tuy vậy thực hiện được điều này rất khó nếu độ dài của chuỗi trải phổ khá lớn.
∞∫ π (2.8) Từ phương trình (2.7) ta thấy rằng xác suất lỗi bit tăng khi số người sử dụng đồng thời K tăng và giảm cùng với thừa số trải phổ N, đồng thời khi biết trước E0/N0 và thừa số trải phổ N ta có thể ước lượng được số người sử dụng cho phép trong hệ thống. Công thức (2.12) chỉ phụ thuộc vào việc chọn K chuỗi, với PN dài ta có thể mô hình hoá chúng như các chuỗi ngẫu nhiên trong đó mỗi chip của chuỗi là một biên ngẫu nhiên rời rạc độc lập nhận các giá trị “-1” hay “+1” với xác suất như nhau.
CDMA ở các kênh fading nhiều tia
Như vậy ta có thể mô hình hoá rl(t) bởi một quá trình ngẫu nhiên Gaussianian giá trị phức và điều đó có nghĩa là đáp ứng xung thay đổi theo thời gian c(τ;t) cũng là một quá trình ngẫu nhiên giá trị phức theo biến thời gian t. Do hiện tượng fading nên các thành phần tín hiệu nhận được có thể làm suy yếu nhau hay tăng cường nhau gây ra sự thay đổi về biên độ của tín hiệu nhận được, hay tính fading của tín hiệu nhận được là do sự thay đổi về các thông số của các đường truyền. Biểu thức trên bao gồm thành phần truyền thẳng và thành phần phân tán, trong đó α là hằng số suy hao, τ là trễ tuyệt đối, δ là pha không đổi, β là biến ngẫu nhiên Gaussian trung bình không và γ là pha ngẫu nhiên có phân.
Giả sử chỉ có tín hiệu thứ nhất trong L tia phân giải được máy thu thu còn (L-1) tia còn lại đều bị dịch thời gian lớn hơn thời gian một chíp và chúng thể hiện là nhiễu tự giao thoa hay tự tạp âm đối với máy thu. Công suất tín hiệu tới theo góc dα là công suất Doppler S(f).df trong đó df là vi phân theo α của lượng dịch tần Doppler fdi dẫn đến việc truyền một sóng mang không điều chế sẽ được thu như một tín hiệu nhiều tia, có phổ không còn là một tần số fc đơn mà nó được trải trên dải tần ( fc ± fm).
Máy thu RAKE
Từ sự đánh giá đó ta đưa ra giải pháp nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của fading nhiều tia đến dung lượng của hệ thống bằng cách kết hợp tối ưu các tín hiệu đa tia phân giải được. Dung lượng của hệ thống tế bào CDMA phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hệ số tích cực thoại, việc chuyển vùng mềm trong hệ thống, số đoạn Ns ở anten trạm gốc, độ lợi xử lí hay giới hạn dải động của máy thu, tỉ số năng lượng bít và mật độ phổ tạp âm (Eb/N0), khả năng tắt mở công suất của máy thu CDMA, khả năng phân tập đường truyền và điều khiển công suất để chống lại ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh…. Việc tính dung lượng hệ thống bao gồm tính dung lượng tuyến xuống và dung lượng tuyến lên, có nhiều phương pháp tính dung lượng hệ thống CDMA dựa trên các thông số khác nhau.
Nhìn chung ở các phương pháp truyền thống là tính toán dựa trên việc phân tích tỉ số C/I (sóng mang trên nhiễu) là hàm bậc nhất của dung lượng (theo đơn vị số kênh/cell hay số kênh/sectơ). Ở hệ thống tế bào mặt đất, lợi lớn nhất của CDMA so với hệ thống bình thường đó là có thể sử dụng toàn bộ dải phổ trên tất cả các tế bào khi mà không có một khái niệm nào về sự phân bố tần số trong CDMA.
Mô hình tổn hao đường truyền
Từ khi CDMA trải phổ băng rộng trên tần số giới hạn rộng, kênh truyền di động xuất hiện có tính chọn lọc tần số và cái này cho phép phân tích đa đường(sử dụng máy thu RAKE). Phân đoạn được thực hiện bằng cách tạo ra 3 thiết bị vô tuyến trong 3 đoạn và sự giảm nhiễu lẫn nhau do sự xắp xếp chuyển thành khe làm tăng dung lượng. Nhìn chung bất kì một sự phân cách không gian sử dụng anten đa đoạn hoặc đa chùm đều đưa ra sự tăng dụng lượng cho hệ thống CDMA.
Mặt khác, công suất tín hiệu thu được tại một điểm xác định trong tế bào tỉ lệ nghịch với khoảng cách theo quy luật truyền dẫn công suất, nên tổn hao đường truyền giữa trạm di động với trạm gốc tỉ lệ với rà, trong đú r là khoảng cỏch và à là hằng số. LP= rà.10Pd/10 (3.3) Với LP là biến ngẫu nhiên đặc trưng cho sự thay đổi tổn hao công suất đo bằng dB, à là hằng số nhận cỏc giỏ trị khỏc nhau tuỳ thuộc vào mụi trường truyền sóng bằng 2 ở vùng nông thôn đến 6 trong môi trường đô thị có che khuất.
Điều khiển công suất
Đối với đường xuống không cần thực hiện điều khiển công suất trong hệ thống một tế bào vì nhiễu gây ra do tín hiệu của các người sử dụng khác luôn ở mức không đổi đối với tín hiệu hữu ích. Ngoài việc làm giảm được hiện tượng gần xa, điều khiển công suất còn được sử dụng để giảm hiện tượng che tối và duy trì công suất phát trên một người sử dụng, điều này cần thiết để bảo đảm tỉ số lỗi bit ở mức cho trước. Tuy vậy, do che khuất mà mức công suất này có thể thay đổi, vì thế cần có thêm một vòng điều chỉnh công suất được gọi là vòng ngoài để điều chỉnh mức công suất danh định đến tỉ số lỗi bit yêu cầu.
Trong thực tế, ở các hệ thống di động việc điều khiển công suất không thể đạt được như lí thuyết, các thay đổi của tín hiệu thu ở trạm gốc sau khi điều chỉnh công suất tuân theo quy luật gần giống phân bố loga chuẩn. Trong các hệ thống CDMA đa tế bào, ở đường xuống máy thu của các máy di động thu nhiễu từ các tế bào khác nên việc điều chỉnh công suất ở đường xuống là cần thiết để ấn định công suất cho từng người sử dụng theo công suất thực tế mà họ cần để hạn chế mức nhiễu mà họ gây ra.
So sánh dung lượng vô tuyến giữa FDMA, TDMA, CDMA .1 Môi trường giới hạn theo tạp âm
Môi trường giới hạn bởi tạp âm cũng có thể được gọi là môi trường chỉ có nhiễu kênh lân cận, trong môi trường này không có can nhiễu cùng kênh. Trong một hệ thống (SDM) tái sử dụng tần số, hệ thức tổng quát là:. trong đó D/R được tính dựa vào C/I, tức là dựa vào chất lượng thoại hay chỉ tiêu lỗi được chấp nhận, với FDMA và TDMA C/I luôn lớn hơn 1. Dung lượng trong các hệ thống CDMA được tính:. Vì tổng số kênh lưu lượng M2 thay đổi theo C/I nên với một hệ thống ô đẳng hướng là:. Trong trường hợp hệ thống ô có 3 vùng thì tổng số kênh lưu lượng M3 là:. c) Dung lượng của CDMA lớn hơn. Do sử dụng băng tần chung gây lên nhiễu đồng kênh đối với nhau, nên điều chỉnh công suất ở CDMA là cần thiết để đảm bảo tỉ số (Eb/N0) không đổi và lớn hơn mức ngưỡng và đòi hỏi điều chỉnh công suất phải nhanh để dung lượng của hệ thống không bị giảm.
Trên cơ sở có và không có điều khiển công suất để đưa ra công thức tính dung lượng đường lên và đường xuống của hệ thống CDMA trong từng trường hợp cụ thể. Lưu đồ tính dung lượng của hệ thống CDMA được viết trên ngôn ngữ Visual Basic nhằm dơn giản hoá quá trình tính toán phục vụ cho việc thiết kế hệ thống một cách hiệu quả.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Nhìn chung, xu thế phát triển của thông tin di động trên thế giới theo xu hướng sẽ hoặc sử dụng công nghệ đa thâm nhập CDMA hoặc sử dụng công nghệ lai ghép mà chủ yếu là kết hợp giữa CDMA và TDMA. Một ứng dụng khác cũng đang được nghiên cứu và phát triển đó là công nghệ trải phổ CDMA được sử dụng cho các mạng đa truy nhập không phải vô tuyến như mạng thông tin đa thâm nhập quang. Một lần nữa tôi xin bày tỏ lòng cám ơn sâu sắc tới thầy giáo Vũ Văn quyết và các thầy cô giáo trong Khoa Vô Tuyến Điện Tử đã giúp đỡ tôi hoàn thành nội dung của đồ án.
Trần Hồng Quân, Nguyễn Bích Luân “Thông tin di động” Nhà xuất bản khoa học và kĩ thuật Hà Nội -2001. Savo Glisic and Branka Vucetic “Spread Spectrum CDMA System For Wireless Communications”, Artech House, Inc.