1.3.1.2 Hệ thống OFDM-DS-CDMA.
Tƣơng tự hệ thống OFDM-CDMA, mỗi bit của ngƣời dùng sẽ đƣợc trải phổ với mã phân biệt giữa các ngƣời dùng. Nhƣng khác so với OFDM-CDMA là các chip sau trải phổ của cùng một bit sẽ mang bởi cùng một sóng mang (trải phổ miền thời gian). Sơ đồ hệ thống cho nhƣ hình 1.16, hình 1.17.
S/P Luồng dữ liệu ) (t Cj cos(2f1t) ) 2 cos(( fNCt BỘ PH T ) (t Cj ) (t Sj MD j C1 j C2 j C3 Thời gian Thời gian Hình 1.9: Sơ đồ bộ phát OFDM-DS-CDMA.
P/S ) (t Cj ) 2 cos( f1t ) 2 cos( fNCt ) (t Cj Tín hiệu thu LPF LPF Lấy ngƣ ng Lấy ngƣ ng
Hình 1.10: Sơ đồ bộ thu OFDM-DS-CDMA.
Hệ thống OFDM-DS-CDMA với một sóng mang phụ sẽ giống hệ thống DS- CDMA. Do đó OFDM-DS-CDMA gần nhƣ bao gồm nhiều hệ thống DS-CDMA hoạt động song song nhƣng điểm khác là tần số hoạt động của mỗi hệ thống DS- CDMA sẽ trực giao với nhau.
Trong OFDM-DS-CDMA, xét trƣớc bộ nối tiếp song song, chu kỳ bit là Tb, sau bộ này thì chu kỳ bit bằngPTb. Hệ thống có tốc độ thấp hơn làm tăng khả năng chống nhiễu liên ký hiệu, đồng thời dễ đồng bộ hơn.
Đồng thời trong hệ thống OFDM-DS-CDMA thì số sóng mang và độ dài mã trải phổ khơng phụ thuộc nhau. Đây chính là sự mềm dẻo của OFDM-DS-CDMA trong việc sử dụng băng thông. Hệ thống OFDM-DS-CDMA đặc biệt thích hợp cho các tuyến lên trong hệ thống thông tin vô tuyến di động.
Ngồi ra cịn có một sơ đồ khác gọi là MT-CDMA. Đây là sơ đồ cải tiến từ OFDM-DS-CDMA.
1.3.1.3 Hệ thống MT-CDMA.
MT-CDMA vẫn sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp miền thời gian nhƣng khác so với OFDM-DS-CDMA là tồn tại mối quan hệ giữa số sóng mang và độ dài mã trải phổ. Độ lợi xử lý trong MT-CDMA bằng tích số sóng mang và độ lợi xử lý của OFDM-DS-CDMA nên rất lớn so với độ lợi trải phổ của OFDM-DS-CDMA. Do đó, phổ tín hiệu từng sóng mang MT-CDMA cũng bị mở rộng rất lớn, chồng lấn lên sóng mang kế cận. Các sóng mang cho MT-CDMA vẫn trực giao nhau, chính
21 Hệ thống OFDM- CDMA.
điều này làm giảm ảnh hƣởng do việc sử dụng độ lợi xử lý cao hơn gây ra chồng lấn phổ. Đồng thời máy thu sử dụng cho MT-CDMA sử dụng tƣơng tự nhƣ máy thu cho CDMA, đó là máy thu Rake.
Sơ đồ MT-CDMA đƣợc cho nhƣ hình 1.11, hình 1.12 .Trong đó Nc là số sóng mang và
MT DS
c c c
j j N có nghĩa là độ dài mã của MT-CDMA bằng tích số sóng mang và độ dài mã của OFDM-DS-CDMA tƣơng ứng cùng số sóng mang.
BỘ PH T ) (t Sj MD ) (t Cj cos(2f1t) ) 2 cos( fNCt ) (t Cj S/P Luồng dữ liệu Thời gian j C2 j C1 C3j Thời gian C c c j N j DS MT Hình 1.11: Sơ đồ bộ phát hệ thống MT-CDMA. P/S ) (t Cj ) 2 cos( f1t ) 2 cos( f t C N ) (t Cj Tín hiệu thu LPF LPF Lấy ngƣ ng Lấy ngƣ ng
1.3.1.4 SO SÁNH ĐẶC ĐIỂM OFDM-CDMA VÀ OFDM-DS- CDMA.
Hình 1.13: So sánh hệ thống OFDM-CDMA và MC–DS–CDMA.
Thông số OFDM-CDMA OFDM-DS-CDMA
Miền trải phổ Miền tần số Miền thời gian
Khoảng cách các sóng mang con G s c d P F N T G s c d P F N T Các thuật tốn tách
sóng MRC, EGC, ZF cân bằng MMSE, IC, MLD Bộ tách sóng tương quan (Máy thu RAKE) Đặc trƣng riêng biệt Hiệu quả đối với việc đồng bộ kênh đường xuống bằng cách
sử dụng các mã trực giao.
Được thiết kế đặc biệt để dùng trong kênh đường lên
không đồng bộ.
Ứng dụng Đồng bộ kênh đường lên và
đường xuống Bất đồng bộ kênh đường lên và đường xuống
23 Hệ thống OFDM- CDMA.
1.3.2 ƢU NHƢỢC ĐIỂM CỦA HỆ OFDM-CDMA.[16 ]
1.3.2.1 Ƣu điểm.
OFDM-CDMA thừa kế tất cả các đặc điểm của CDMA. Nó có tính bền vững với nhiễu chọn lọc tần số và sử dụng băng thơng hiệu quả. Bên cạnh đó, nó có thể cho phép N ngƣời dùng phát đồng thời trong môi trƣờng đa đƣờng phân tán với BER thấp.
Vì OFDM-CDMA là một dạng của OFDM, nó sẽ làm tăng khoảng ký hiệu để chống lại trễ trải, tận dụng mơ hình phân tập tần số và giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng đƣờng truyền do mỗi sóng mang phụ bị ảnh hƣởng bởi pha-ding phẳng độc lập.
1.3.2.2 Nhƣợc điểm.
Rất nhạy với thay đổi tần số và khuếch đại phi tuyến vì sử dụng kỹ thuật đa sóng mang.
Thay đổi tần số do hiện tƣợng dịch Doppler (sự di chuyển) hay mất phối hợp giữa các bộ tạo dao động sóng mang cao tần ở máy phát và ở máy thu dẫn đến tính trực giao giữa các sóng mang phụ bị mất và gây nên nhiễu liên sóng mang ICI (InterCarrier Interference) và MAI. Một số kết quả mô phỏng đã đƣa đến nhận xét là: offset tần số khoảng 20% sẽ làm giảm dung lƣợng của hệ thống đi 50% với BER 10-4 trong môi trƣờng Pha-đinh Rayleigh.
Việc cộng một số lƣợng lớn sóng mang phụ trƣớc khi phát đã tạo ra đƣờng bao của tín hiệu có giá trị lớn. Các giá trị lớn này có thể đƣa các bộ khuếch đại sang trang thái bảo hịa và gây sai dạng tín hiệu.
Hiệu năng của hệ thống bị suy giảm do MAI. Với kênh truyền lý tƣởng, các mã trải phổ trực giao nhƣ mã Walsh-Hadamard đƣợc áp dụng trên tuyến xuống của hệ thống thông tin di động MC-CDMA sẽ đảm bảo việc khử hoàn tồn nhiễu MAI. Tuy nhiên, trong kênh truyền Pha-đinh có tính chọn lọc tần số, các sóng mang phụ có biên độ và pha khác nhau. Điều này làm mất tính trực giao giữa các ngƣời dùng và tạo ra nhiễu MAI.
TÓM TẮT CHƢƠNG 1
Trong chƣơng này chúng ta đã tìm hiểu kỹ thuật OFDM và CDMA, thấy đƣợc sự kết hợp của hai kỹ thuật OFDM và CDMA, trong đó đã xem xét lại một cách ngắn gọn ba loại trải phổ đa sóng mang kết hợp của kỹ thuật OFDM và CDMA là OFDM–CDMA, OFDM–DS–CDMA, MT –CDMA. Trong khi hệ thống OFDM–CDMA dùng trong miền tần số thì OFDM–DS–
CDMA và MT–CDMA thì sử dụng trong miền thời gian. Do đó OFDM– CDMA có khả năng khai thác tần số một cách đa dạng hơn, năng lƣợng của ký hiệu đƣợc trải phổ ra qua những sóng mang con.
OFDM–CDMA sử dụng phƣơng pháp tổ hợp ở nơi thu theo tiêu chuẩn MMSE (minimum mean square error combining) cho BER thấp nhất trong ba phƣơng pháp trải phổ đa sóng mang nói trên trong tuyến xuống.
MC–CDMA MC–DS–CDMA
Ƣu điểm Nhƣợc
điểm Ƣu điểm
Nhƣợc điểm
o Thực hiện đơn giản với biến đổi Hadamard và FFT o Những máy thu ít phức tạp o Hiệu quả phổ cao o PAPR cao, đặc biệt là đƣờng lên o Vấn đề đồng bộ truyền dẫn. o PAPR thấp trong đƣờng xuống. o Tăng độ lợi phân tập thời gian do đƣợc trải phổ trực tiếp theo thời gian.
o Có thể xảy ra ISI và ICI
25 Một số loại nhiễu…
Chƣơng 2- ẢNH HƢỞNG CỦA NHIỄU PHA LÊN VIỆC ĐỒNG BỘ TRONG HỆ THỐNG OFDM-CDMA.
Chất lƣợng một hệ thống thông tin di động bị ảnh hƣởng rất lớn bởi nhiễu, nhất là trong hệ thống thông tin di động sử dụng OFDM-CDMA. Trong chƣơng này chúng ta sẽ đi tìm một số loại nhiễu và ảnh hƣởng của chúng tới chất lƣợng hệ thống OFDM-CDMA. Chúng ta sẽ đặc biệt quan tâm tới nhiễu pha vì đây có thể đƣợc xem là đối tƣợng gây ra những ảnh hƣởng xấu nhất, làm hệ thống bị lỗi đồng bộ, dẫn đến suy giảm chất lƣợng và hiệu năng của hệ thống OFDM-CDMA. Trƣớc tiên ta sẽ đi vào tìm hiểu một số loại nhiễu chính.
2.1 MỘT SỐ LOẠI NHIỄU TRONG HỆ THỐNG OFDM-CDMA.[1 ] CDMA.[1 ]
2.1.1 NHIỄU GAUSS TRẮNG .
Tạp âm trắng Gauss có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng thông và tuân theo phân bố Gauss. Theo phƣơng thức tác động thì nhiễu Gauss là nhiễu cộng. Nhiễu trắng có thể do nhiều nguồn khác nhau gây ra nhƣ thời tiết, do
bộ khuếch đại ở máy thu, do nhiệt độ, hay do con ngƣời. Nhiễu nhiệt-sinh ra do
sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây ra-là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gauss trắng cộng tính tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể đƣợc coi là nhiễu Gauss trắng cộng tính tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gauss trắng cộng tính.
2.1.2 NHIỄU LIÊN KÝ HIỆU ISI.
ISI gây ra do trải trễ đa đƣờng. Trong môi trƣờng đa đƣờng, ký hiệu phát đến đầu vào máy thu với các khoảng thời gian khác nhau thông qua nhiều đƣờng khác nhau. Sự mở rộng của chu kỳ ký hiệu gây ra sự chồng lấn giữa ký hiệu hiện thời với ký hiệu trƣớc đó và kết quả là có nhiễu liên ký hiệu (ISI). Trong OFDM, ISI thƣờng đề cập đến nhiễu của một ký hiệu OFDM với ký hiệu trƣớc đó.Để giảm ISI, cách tốt
nhất là giảm tốc độ dữ liệu. Nhƣng với nhu cầu hiện nay là yêu cầu tốc độ truyền phải tăng nhanh. Do đó giải pháp này là khơng thể thực hiện đƣợc. Đề nghị đƣa ra để giảm ISI và đã đƣợc đƣa vào ứng dụng thực tế là chèn tiền tố lặp CP vào mỗi ký hiệu OFDM đóng vai trị là khoảng bảo vệ (GI).
2.1.3 NHIỄU LIÊN SÓNG MANG ICI.
Trong OFDM, phổ của các sóng mang chồng lấn nhƣng vẫn trực giao với sóng mang khác. Điều này có nghĩa là tại tần số cực đại của phổ mỗi sóng mang thì phổ của các sóng mang khác bằng khơng. Máy thu lấy mẫu các ký hiệu dữ liệu trên các sóng mang riêng lẻ tại điểm cực đại và điều chế chúng tránh nhiễu từ các sóng mang khác. Nhiễu gây ra bởi các dữ liệu trên sóng mang kế cận đƣợc xem là nhiễu xuyên kênh (ICI) .
ICI xảy ra khi kênh đa đƣờng thay đổi trong khoảng thời gian bằng độ kéo dài khoảng ký hiệu OFDM. Dịch Doppler trên mỗi thành phần đa đƣờng gây ra dịch tần số trên mỗi sóng mang, kết quả là mất tính trực giao giữa chúng. ICI cũng xảy ra khi một ký hiệu OFDM bị nhiễu ISI. Sự lệch tần số sóng mang của máy phát và máy thu cũng gây ra nhiễu ICI trong hệ thống OFDM.
2.1.4 NHIỄU ĐỒNG KÊNH (Co-Channel Interference).
Nhiễu đồng kênh xảy ra khi cả hai máy phát trên cùng một tần số hoặc trên cùng một kênh. Máy thu điều chỉnh ở kênh này sẽ thu đƣợc cả hai tín hiệu với cƣờng độ phụ thuộc vào vị trí của máy thu so với hai máy phát.
Nhiễu đồng kênh thƣờng gặp trong hệ thống thơng tin số ơ, trong đó để tăng hiệu suất sử dụng phổ bằng cách sử dụng lại tần số. Nhƣ vậy có thể coi nhiễu đồng kênh trong hệ thống ô là nhiễu gây nên do các ô sử dụng cùng một kênh tần số.
Đặc trƣng cho loại nhiễu này là tỉ số sóng mang trên nhiễu (C/I). Tỉ số này đƣợc định nghĩa là cƣờng độ tín hiệu mong muốn trên cƣờng độ tín hiệu nhiễu sau lọc cao tần và nó thể hiện mối quan hệ giữa cƣờng độ tín hiệu mong muốn so với nhiễu đồng kênh từ các BTS khác.
27 Một số loại nhiễu…
2.1.5 NHIỄU ĐA TRUY NHẬP (Multiple Access Interference).
Nhiễu đa truy nhập là nhiễu do các tín hiệu của các ngƣời dùng giao thoa với nhau, là yếu tố ảnh hƣởng trực tiếp đến dung lƣợng của hệ thống.
Khả năng giảm thiểu nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference) dựa vào tính tƣơng quan chéo của mã trải phổ. Trong trƣờng hợp truyền đa đƣờng đòi hỏi rất khắt khe của viễn thông di động, khả năng phân biệt một tín hiệu thành phần từ nhiều thành phần khác trong tín hiệu thu tổng hợp đƣợc cung cấp bởi tính tự tƣơng quan của mã trải phổ.
Để khử MAI ngƣời ta thƣờng dùng các phƣơng pháp trực giao nhƣng trên thực tế khơng thể có sự trực giao hồn tồn. Do đó MAI vẫn tồn tại trong các hệ thống đa truy nhập.
Hình 2.1: Nhiễu đa truy cập.
2.1.6 NHIỄU DO KÊNH TRUYỀN.[1 ] 2.1.6.1 Pha-đinh đa đƣờng Rayleigh. 2.1.6.1 Pha-đinh đa đƣờng Rayleigh.
Pha-đinh Rayleigh là loại pha-đinh (pha-đinh phẳng) sinh ra do hiện tƣợng đa đƣờng (Multipath Signal) và xác suất mức tín hiệu thu đƣợc suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh. Loại pha-đinh này thƣờng là pha-
đinh nhanh vì sự suy giảm cơng suất tín hiệu rõ rệt trên khoảng cách ngắn (tại các
nửa bƣớc sóng) từ 10-30dB.
Trong mơi trƣờng đa đƣờng tín hiệu thu đƣợc suy giảm theo khoảng cách do sụ thay đổi pha của các thành phần đa đƣờng (thay đổi pha là do các thành phần tín hiệu đến máy thu vào các thời điểm khác nhau đến trễ lan truyền. Trễ lan truyền sẽ gây ra sự xoay pha của tín hiệu).
Hình 2.2: Các tín hiệu đa đường.
Pha-đinh Rayleigh gây ra do sự giao thoa (tăng hoặc giảm) bởi sự kết hợp của các sóng thu đƣợc. Khi bộ thu di chuyển trong không gian pha giữa các thành phần đa đƣờng khác nhau thay đổi gây ra giao thoa cũng thay đổi, từ đó dẫn đến sự suy hao cơng suất tín hiệu thu đƣợc. Phân bố Rayleigh thƣờng đƣợc sử dụng để mô tả trạng thái thay đổi theo thời gian của cơng suất tín hiệu nhận đƣợc.
Trải trễ
Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu đƣợc cuối cùng tại bộ thu do hiệu ứng đa đƣờng. Trong thông tin vơ tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký hiệu ISI. Điều này là do tín hiệu sau khi trải trễ có thể chồng lấn đến các kí tự lân cận. Nhiễu xuyên kí tự sẽ tăng khi tốc độ tín hiệu tăng. Điểm bắt đầu của hiệu ứng tăng đáng kể khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit. Trong kỹ thuật OFDM, tốc độ tín hiệu giảm sau khi qua bộ S/P làm cho chu kỳ tín hiệu tăng. Từ đó làm giảm nhiễu ISI do trải trễ.
29 Một số loại nhiễu…
Hình 2.3: Trải trễ đa đường.
2.1.6.2 Pha-đinh lựa chọn tần số.
Trong truyền dẫn vô tuyến đáp ứng phổ của kênh là khơng bằng phẳng, nó bị dốc và suy giảm do phản xạ dẫn đến tình trạng có một vài tần số bị triệt tiêu tại đầu thu. Phản xạ từ các vật gần nhƣ mặt đất, cơng trình xây dựng, cây cối có thể dẫn đến các tín hiệu đa đƣờng có cơng suất tƣơng tự nhƣ tín hiệu nhìn thẳng. Điều này sẽ tạo ra các điểm “0”(nulls) trong cơng suất tín hiệu nhận đƣợc do giao thoa.
2.1.6.3 Dịch Doppler.
Khi bộ phát và bộ thu chuyển động tƣơng đối với nhau thì tần số của tín hiệu tại bộ thu khơng giống với tần số tín hiệu tại bộ phát. Cụ thể là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hƣớng vào nhau thì tần số thu đƣợc sẽ lớn hơn tần số phát đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu đƣợc sẽ giảm đi. Hiệu ứng này đƣợc gọi là hiệu ứng Doppler. Độ dịch Doppler có thể tính theo công thức: , , , cos 1 cos 2 c D p D d D p vf v f t c ( 2.1)
Với c c f trong đó fc là tần số nguồn phát và c là tốc độ ánh sáng,