Trải phổ nhảy tần FHSS: là sử dụng chuỗi mã để điều khiển tần số sóng mang của tín hiệu phát.. Trong chương này chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu từng đặc điểm của OFDM: khái niệm, điều
CÔNG NGHỆ CDMA
Giới thiệu chương
CDMA là công nghệ truyền dữ liệu bằng kỹ thuật trải phổ tín hiệu trên cùng một băng tần rộng, cho phép toàn bộ công suất tín hiệu đồng thời được phát trên cùng một tần số và tín hiệu gốc được khôi phục tại đầu thu Quá trình trải phổ làm tín hiệu xuất hiện trải rộng trên toàn bộ băng tần với công suất phát thấp, từ đó giảm nhiễu và giao thoa giữa các kênh và nâng cao khả năng chống nhiễu Trong chương này chúng ta nghiên cứu khả năng đa truy nhập của CDMA, phân tích ưu nhược điểm của công nghệ và trình bày các giải pháp điều khiển công suất của quá trình thu phát trong hệ thống CDMA.
Tổng quan về CDMA
CDMA được giới thiệu ra thị trường lần đầu vào năm 1995 với chuẩn IS-95, mở đầu cho mạng di động dựa trên công nghệ đa truy cập phân chia theo mã Ở thế hệ di động thứ ba (3G), công nghệ CDMA được làm nền tảng, thay thế cho TDMA theo chuẩn IMT-2000 nhằm nâng cao hiệu suất, khả năng mở rộng và chất lượng dịch vụ của mạng di động.
Trong hệ thống CDMA, mỗi người dùng được cấp một chuỗi mã (chuỗi trải phổ) để mã hóa tín hiệu mang thông tin, và tại máy thu cần đồng bộ giải mã cũng như biết chuỗi mã này để giải mã tín hiệu Kỹ thuật trải phổ giúp các người dùng không gây nhiễu lẫn nhau khi cùng chia sẻ một dải tần số nhờ vào sự tương quan chéo giữa mã của người dùng mong muốn và mã của các người dùng khác rất thấp Băng thông của tín hiệu được mã hóa bằng trải phổ lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu mang thông tin, nên quá trình mã hóa làm rộng phổ và tạo ra tín hiệu trải phổ Trong các hệ thống thông tin trải phổ, băng tần được mở rộng lên hàng trăm lần trước khi phát Trải phổ không mang lại lợi ích về mặt băng thông cho hệ thống đơn người dùng, nhưng có nhiều ưu điểm trong môi trường đa người dùng vì các người dùng có thể chia sẻ cùng một băng tần trải phổ mà can nhiễu lẫn nhau là tương đối nhỏ.
Một kỹ thuật điều chế trải phổ phải thoã mãn 2 tiêu chuẩn:
Băng thông của tín hiệu truyền phải lớn hơn băng thông của tín hiệu mang thông tin
Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu
Tỉ số băng thông truyền trên băng thông của tín hiệu thông tin được gọi là độ lợi xử lý của hệ thống trải phổ:
Với Bt : băng thông truyền; Bi : băng thông của tín hiệu mang thông tin
Tín hiệu trải phổ cho băng thông rộng nên có những ưu điểm khác so với tín hiệu băng hẹp
Khả năng đa truy cập được thể hiện khi các người dùng đồng thời phát tín hiệu trải phổ; máy thu có thể phân biệt giữa các người dùng nhờ các mã trải phổ có tương quan chéo thấp, từ đó công suất tín hiệu của người dùng mong muốn vượt trội so với nhiễu và các tín hiệu trải phổ khác.
(nghĩa là lúc này tín hiệu của những người dùng khác vẫn là những tín hiệu trải phổ trên băng thông rộng)
Bảo vệ chống nhiễu đa đường: trên kênh truyền vô tuyến không chỉ có một đường truyền giữa máy thu và máy phát; tín hiệu bị phản xạ, khúc xạ và nhiễu xạ khiến tại đầu thu thu được nhiều tín hiệu cùng nguồn gốc nhưng có biên độ, pha, độ trễ và góc tới khác nhau Khi cộng các tín hiệu này lại sẽ sinh ra các tần số mới và làm mất đi một số tần số mong muốn, gây phân tán tín hiệu trong miền thời gian Điều chế trải phổ chống nhiễu đa đường giải thích rằng việc giải trải phổ sẽ coi phiên bản trễ của tín hiệu như nhiễu và giữ lại một phần nhỏ của tín hiệu gốc trong băng thông mong muốn, tuy hiệu quả phụ thuộc nhiều vào phương pháp điều chế được sử dụng.
Về bảo mật, tín hiệu trải phổ sử dụng toàn bộ băng thông ở mọi thời điểm nên có công suất rất thấp trên mỗi đơn vị băng thông, và việc khôi phục tín hiệu chỉ được thực hiện khi biết mã trải phổ Điều này làm cho việc phát hiện tín hiệu đã trải phổ gặp nhiều khó khăn và giúp tăng cường tính bảo mật của hệ thống.
Khử nhiễu băng hẹp là kỹ thuật tách sóng đồng bộ tại máy thu, liên quan tới việc nhân tín hiệu nhận được với chuỗi mã trải phổ do máy thu sinh ra Nhờ quá trình này nhiễu băng hẹp bị trải phổ và năng lượng nhiễu trong băng thông tín hiệu mục tiêu được giảm đi nhờ độ lợi xử lý Tại máy phát, nhiễu băng hẹp sẽ bị trải phổ sau khi nhân với mã trải phổ, do đó công suất nhiễu trong băng thông mong muốn giảm tương ứng với độ lợi xử lý.
Mã trải phổ
Mã dùng để trải phổ là một chuỗi tín hiệu giả ngẫu nhiên Tín hiệu giả ngẫu nhiên là tín hiệu mà ta không thể dự đoán trước sự thay đổi của nó theo thời gian và để biểu diễn tín hiệu người ta dựa vào lý thuyết xác suất thống kê Tuy nhiên, với thuê bao này nó không hoàn toàn ngẫu nhiên: nó có thể dự đoán được phía phát và phía thu, còn với các thuê bao khác thì nó là ngẫu nhiên Nó hoàn toàn độc lập với tín hiệu, không phải là tín hiệu và có tính chất thống kê của một tín hiệu nhiễu trắng Các mã trải phổ có thể là các mã giả tạp âm.
PN hoặc các mã được tạo ra từ các hàm trực giao
1.3.1 Chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN
Chuỗi PN là một chuỗi nhị phân có hàm tự tương quan giống với hàm tự tương quan của một chuỗi nhị phân ngẫu nhiên qua một chu kỳ Mặc dù quy luật biến đổi của các chuỗi này được xác định hoàn toàn, chuỗi PN vẫn mang nhiều đặc tính giống với chuỗi nhị phân ngẫu nhiên, chẳng hạn số lượng bit 0 và bit 1 gần như bằng nhau, và tương quan chéo giữa mã PN và phiên bản bị dịch theo thời gian của nó là rất nhỏ Chuỗi PN được tạo ra bằng cách sử dụng các mạch logic tuần tự Loại quan trọng nhất trong số các chuỗi PN là chuỗi thanh ghi dịch cơ số 2 có độ dài m, được gọi là chuỗi m Một chuỗi m trong một chu kỳ là '-1/N' đối với tương quan chéo và '1' đối với tự tương quan.
Hàm tự tương quan được định nghĩa như sau :
Hình 1.1 Hàm tương quan của chuỗi PN
Trong đó pn(k) là chuỗi m và pn(k-) là phiên bản trễ theo thời gian của mã pn(k) một khoảng
1.3.2 Chuỗi mã trải phổ Walsh-Hardamard
Các hàm Walsh được xây dựng từ các ma trận Hadamard, các ma trận vuông đặc biệt có kích thước N×N Ma trận Hadamard có cấu trúc trực giao giữa các hàng và cột, với các phần tử là ±1, cho phép tạo ra hệ cơ sở Walsh một cách hiệu quả Thông qua phép biến đổi Hadamard, các hàng của ma trận được dùng làm cơ sở để định nghĩa các hàm Walsh, phục vụ cho phân tích tín hiệu, biến đổi và nén dữ liệu Do tính trực giao và tính đơn giản trong tính toán, các hàm Walsh được ứng dụng rộng rãi trong xử lý tín hiệu số, mã hóa và lọc tín hiệu tối ưu.
Trong hệ thống mã Walsh, số lượng bit 1 và bit 0 bằng nhau, đảm bảo cân bằng tín hiệu Hàm Walsh được cấu trúc cho độ dài khối N = 2^j, với j là một số nguyên dương, cho phép mở rộng linh hoạt theo cấp mã Các tổ hợp mã ở các hàng của ma trận này là các hàm trực giao được xác định dựa trên ma trận Hadamard; mỗi hàng đại diện cho một vector tín hiệu riêng biệt và có tính độc lập trực giao cao, giúp phân tích và giải mã trong truyền thông số dễ dàng và hiệu quả.
Trong đó H N là đảo cơ số hai của H N
Trong thông tin di động CDMA, mỗi thuê bao sử dụng một phần tử trong tập các hàm trực giao để trải phổ Việc dùng các hàm trực giao giúp phân chia kênh truyền và giảm nhiễu chéo giữa các người dùng, từ đó tối ưu hóa hiệu quả sử dụng băng tần Do đó, hiệu suất sử dụng băng tần của hệ thống CDMA được nâng cao so với trải phổ bằng các mã được tạo ra bởi các thanh ghi dịch.
Các kiểu trải phổ cơ bản
Có 3 kiểu hệ thống trải phổ cơ bản:
Trải phổ dãy trực tiếp DSSS là kỹ thuật tạo tín hiệu băng rộng bằng cách điều chế dữ liệu lên một tín hiệu mang và sau đó trải phổ bằng một tín hiệu giả ngẫu nhiên, tức là mã trải phổ Nói cách khác, hệ thống DSSS đạt được trải phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với mã trải phổ, từ đó mở rộng băng thông và tăng khả năng kháng nhiễu cũng như bảo mật cho truyền thông.
Trải phổ nhảy tần FHSS là một kỹ thuật truyền thông sử dụng chuỗi mã để điều khiển tần số mang của tín hiệu phát Trong hệ thống này, tín hiệu phát ra là tín hiệu đã được điều chế và các sóng mang nhảy từ tần số này sang tần số khác trên một tập hợp các tần số lớn; mẫu nhảy tần có dạng giả ngẫu nhiên.
Trải phổ nhảy thời gian THSS là một kỹ thuật nén dữ liệu và phát ngắt quãng, trong đó một khối các bit dữ liệu được truyền qua một hay nhiều khe thời gian nằm trong một khung chứa nhiều khe thời gian Mẫu nhảy thời gian quy định các khe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung, từ đó tối ưu hóa sử dụng nguồn phổ và nâng cao hiệu quả truyền thông.
Chuyển giao
Chuyển giao là thủ tục thiết yếu nhằm đảm bảo thông tin và dịch vụ được liên tục trong quá trình kết nối của thuê bao di động Khi thuê bao di động chuyển động từ một cell này sang cell khác, kết nối với cell mới được thiết lập và kết nối với cell cũ bị hủy bỏ, giúp duy trì chất lượng cuộc gọi và dữ liệu khi di chuyển trong mạng di động.
1.5.1 Mục đích của chuyển giao
Chuyển giao (handover) là quá trình kết nối vô tuyến không đạt chuẩn và do đó UE hoặc mạng UTRAN sẽ thực hiện các biện pháp để cải thiện liên kết Trong các kết nối chuyển mạch gắn liền với chuyển giao, quá trình này được kích hoạt khi cả UE và mạng đều gặp sự cố trong truyền gói Các điều kiện phổ biến để thực hiện chuyển giao gồm chất lượng tín hiệu, tính di động của thuê bao, sự phân bổ lưu lượng và băng tần Điều kiện chất lượng tín hiệu được xác định khi chất lượng hoặc cường độ tín hiệu vô tuyến giảm xuống dưới ngưỡng, và quá trình chuyển giao phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu cho cả hướng uplink và downlink của đường truyền vô tuyến.
Chuyển giao do quá tải lưu lượng xảy ra khi dung lượng lưu lượng của một cell đạt tới giới hạn tối đa cho phép hoặc vượt quá ngưỡng này Khi đó, các thuê bao ở rìa vùng phủ sóng của cell (với mật độ tải cao) sẽ được chuyển sang cell lân cận có mật độ tải thấp nhằm cân bằng lưu lượng và duy trì chất lượng dịch vụ.
Số lượng chuyển giao phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của thuê bao (UE) Khi UE liên tục di chuyển theo một hướng cố định, tốc độ di chuyển càng cao thì càng có nhiều chuyển giao được thực hiện giữa các tế bào trong mạng UTRAN.
Quy trình chuyển giao thoại tuỳ trường hợp được quyết định bởi RNC đang phục vụ thuê bao đó, ngoại trừ các trường hợp chuyển giao vì lý do lưu lượng Các chuyển giao do lý do lưu lượng sẽ được thực hiện bởi Trung tâm chuyển mạch di động (MSC).
Chuyển giao trong mạng di động được phân thành ba nhóm dựa trên cơ chế thực hiện: chuyển giao cứng, chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn Chuyển giao đảm bảo thông tin được duy trì liên tục khi MS di động di chuyển từ cell này sang cell khác hoặc giữa các dải quạt trong cùng một cell Quá trình chuyển giao phải diễn ra đúng và nhanh để thông tin không bị ngắt quãng, không bị mất tín hiệu khi đang di chuyển.
1.5.2.1 Chuyển giao mềm và mềm hơn
Chuyển giao mềm và mềm hơn dựa nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt“
Chuyển giao mềm hay chuyển giao giữa các cell là quá trình diễn ra giữa các trạm gốc khác nhau, trong đó trạm di động bắt đầu trao đổi dữ liệu với trạm gốc mới đồng thời vẫn duy trì liên lạc với trạm gốc cũ Chuyển giao mềm chỉ có thể được thực hiện khi cả trạm gốc cũ lẫn trạm gốc mới cùng làm việc ở cùng một tần số, giúp đảm bảo sự liên tục của kết nối khi di chuyển Trong quá trình này, MS (mobile station) có thể thông tin với cả hai trạm gốc cho tới khi quá trình chuyển giao hoàn tất.
2 sector của 2 cell khác nhau (chuyển giao 2 đường) hoặc với 3 sector của 3 cell khác nhau (chuyển giao 3 đường)
Chuyển giao mềm (soft handover) là quá trình UE chuyển giao giữa hai sector của cùng một cell hoặc giữa hai cell được quản lý bởi một BTS duy nhất Đây là loại chuyển giao mà tín hiệu mới được thêm vào hoặc xóa khỏi tập tích cực (active set), hoặc được thay thế bởi tín hiệu mạnh hơn từ các sector khác của cùng BTS nhằm duy trì liên kết và chất lượng dịch vụ khi người dùng di chuyển.
Chuyển giao mềm hơn (softer handover) xảy ra khi BTS phát tín hiệu từ một sector nhưng thu tín hiệu từ nhiều sector khác nhau, giúp duy trì kết nối khi người dùng di chuyển giữa vùng phủ sóng Khi cả chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn được thực hiện đồng thời, hiện tượng này được gọi là chuyển giao mềm - mềm hơn, tối ưu hóa chất lượng cuộc gọi và sự ổn định của mạng di động.
Chuyển giao mềm - mềm hơn là cơ chế trong đó MS nhận thông tin từ hai sector của cùng một cell và một sector của một cell khác Các tài nguyên mạng cần cho kiểu chuyển giao này gồm tài nguyên cho chuyển giao mềm hai đường giữa cell A và cell B và tài nguyên cho chuyển giao mềm hơn tại cell B, nhằm duy trì liên kết khi di chuyển giữa vùng phủ sóng và giảm thiểu ngắt kết nối.
Chuyển giao cứng xảy ra khi cần chuyển kênh lưu lượng sang một kênh tần số mới Trong các hệ thống thông tin di động dùng FDMA và TDMA, đây là phương thức chuyển giao duy nhất được áp dụng để đảm bảo kết nối liên tục khi thay đổi kênh tần số.
Chuyển giao cứng dựa trên nguyên tắc cắt trước khi nối (Break Before Make) được chia thành hai loại: chuyển giao cứng cùng tần số và chuyển giao cứng khác tần số Trong quá trình chuyển giao cứng, kết nối cũ được giải phóng trước khi thực hiện kết nối mới, nên tín hiệu bị ngắt trong khoảng thời gian chuyển giao Tuy vậy, thuê bao hầu như không nhận ra khoảng ngừng này Ở trường hợp chuyển giao cứng khác tần số, tần số mang của kênh truy cập vô tuyến mới khác với tần số mang hiện tại.
Chuyển giao cứng gặp nhược điểm chính là nguy cơ rớt cuộc gọi khi chất lượng của kênh mới nhận dữ liệu trở nên quá yếu trong khi kênh cũ đã bị ngắt Điều này gây gián đoạn liên lạc và ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng Tình trạng rớt cuộc gọi phụ thuộc vào độ ổn định của kênh mới tại thời điểm chuyển giao, vì vậy cần tối ưu chất lượng kênh và lên kế hoạch chuyển giao phù hợp Mặc dù thiết kế hợp lý có thể giảm thiểu rủi ro, nhược điểm lớn nhất của chuyển giao cứng vẫn là mất kết nối khi kênh mới không đáp ứng yêu cầu chất lượng hoặc khi kênh cũ bị cắt đột ngột.
Điều khiển công suất trong CDMA
Trong hệ thống CDMA, điều khiển công suất được áp dụng cho cả đường lên lẫn đường xuống Mục tiêu của điều khiển công suất đường xuống là giảm nhiễu tới các tế bào lân cận và bù nhiễu từ các cell khác, đồng thời duy trì mức SNR yêu cầu Tuy nhiên, điều khiển công suất đường xuống không được xem là cấp thiết bằng điều khiển công suất đường lên Hệ thống CDMA dùng công suất đường xuống để cải thiện hiệu suất hệ thống bằng cách kiểm soát nhiễu từ các cell khác Điều khiển công suất đường lên tác động lên các kênh truy cập và lưu lượng, được dùng để thiết lập đường truyền khi khởi động cuộc gọi và ứng phó với sự suy giảm hoặc tăng tổn hao đường truyền Mục đích chính của điều khiển công suất đường lên là khắc phục hiện tượng xa gần bằng cách duy trì công suất phát của các máy di động trong cell ở mức đồng nhất tại máy thu trạm gốc với cùng một QoS Do đó, việc điều khiển công suất đường lên là tinh chỉnh công suất phát của máy di động Hệ thống CDMA sử dụng hai phương pháp điều khiển công suất khác nhau.
Điều khiển công suất vòng hở (OLPC)
Điều khiển công suất (nhanh) vòng kín (CLPC)
Điều khiển công suất vòng trong
Điều khiển công suất vòng ngoài
Hình 1.2 Các cơ chế điều khiển công suất của CDMA
1.6.1 Điều khiển công suất vòng hở (OLPC)
Một phương pháp điều khiển công suất là đo sự điều khuếch (AGC-Automatic
Trong hệ thống di động, điều chỉnh công suất vòng hở diễn ra ở máy thu di động: trước khi phát, trạm di động giám sát tổng công suất thu được từ trạm gốc, và công suất đo được cho biết mức tổn hao đường truyền cho từng người dùng Máy di động điều chỉnh công suất phát của mình theo quy tắc nghịch với tổng công suất nhận được, và có thể phải điều chỉnh ở một dải động lên tới 80 dB Phương pháp này được gọi là điều chỉnh công suất vòng hở, ở đó trạm gốc không tham gia vào các thủ tục điều khiển công suất.
OLPC (Open Loop Power Control) được sử dụng chủ yếu để điều khiển công suất cho đường uplink Trong quá trình điều khiển công suất, UE đo cường độ tín hiệu truyền dẫn bằng cách đo mức công suất thu của tín hiệu hoa tiêu từ BTS trên đường xuống Sau đó, UE điều chỉnh mức công suất truyền dẫn theo hướng nghịch với mức công suất tín hiệu hoa tiêu thu được, nhắm tối ưu chất lượng liên lạc và tiết kiệm năng lượng Do vậy, nếu mức công suất tín hiệu hoa tiêu càng lớn thì mức công suất phát của UE sẽ giảm, và ngược lại.
Việc điều khiển công suất vòng hở là cần thiết để xác định mức công suất phát ban đầu khi khởi tạo kết nối, giúp thiết lập liên kết ở mức ổn định và giảm nhiễu Trong hệ thống điều khiển công suất, có các cấp điều khiển khác nhau: điều khiển công suất vòng trong (inner loop) thực hiện chỉnh nhanh để theo kịp công suất mục tiêu tại mỗi khung truyền; điều khiển công suất vòng ngoài (outer loop) tối ưu hóa hiệu suất tổng thể và sự ổn định của liên kết theo thời gian; điều khiển công suất vòng kín (closed-loop) kết hợp đo lường và phản hồi để điều chỉnh liên tục một cách chính xác Ngoài ra, điều khiển công suất vòng hở vẫn được duy trì như một cơ chế linh hoạt cho các chỉnh sửa nhanh khi cần.
BTS UE Ước tính cường độ hoa tiêu
P_trx = 1/cường độ hoa tiêu
1.6.2 Điều khiển công suất vòng kín (CLPC)
CLPC được sử dụng để điều khiển công suất khi kết nối đã được thiết lập, nhằm duy trì chất lượng liên lạc và tối ưu hóa hiệu suất hệ thống Mục đích chính của CLPC là bù đắp những ảnh hưởng của sự biến đổi nhanh của mức tín hiệu vô tuyến, giúp hệ thống duy trì tín hiệu ổn định dù kênh truyền có sự thay đổi.
Do đó, chu kỳ điều khiển phải đủ nhanh để phản ứng lại sự thay đổi nhanh của mức tín hiệu vô tuyến
Trong CLPC, BTS điều khiển UE tăng hoặc giảm công suất phát dựa trên mức tín hiệu thu (SNR) tại BTS và ngưỡng đã cho Khi BTS nhận tín hiệu từ UE, nó so sánh mức tín hiệu thu với ngưỡng cho trước Nếu mức tín hiệu thu vượt ngưỡng, BTS gửi lệnh điều khiển công suất phát (TPC) tới UE để giảm công suất phát; ngược lại, nếu mức tín hiệu thu nhỏ hơn ngưỡng, BTS gửi lệnh tăng công suất phát cho UE Quá trình này giúp tối ưu chất lượng liên lạc và hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng cho mạng di động.
TPC: Transmit Power Control: Điều khiển công suất truyền dẫn
Hình 1.4 Cơ chế điều khiển công suất CLPC
Trong hệ thống CDMA, các tham số được sử dụng để đánh giá chất lượng công suất thu nhằm quyết định điều khiển công suất gồm SIR, tỷ lệ lỗi khung FER và tỷ lệ lỗi bit BER Những chỉ số này cho phép điều chỉnh công suất phát sao cho tối ưu hóa chất lượng liên lạc và giảm thiểu nhiễu trên kênh Cơ chế CLPC (Closed-Loop Power Control) hoạt động như cơ chế điều khiển công suất vòng trong và đồng thời là cơ chế điều khiển công suất nhanh nhất trong hệ thống CDMA.
Kết luận chương
Chương này trình bày ngắn gọn một mô hình CDMA nhằm nắm bắt các khái niệm và lý thuyết cơ bản về hệ thống CDMA Để ứng dụng cho việc truyền dữ liệu được kiểm soát và bảo mật, quá trình trải phổ đóng vai trò rất quan trọng, giúp tối ưu hóa phân chia kênh, giảm nhiễu và tăng cường bảo mật và độ tin cậy cho dữ liệu trong môi trường truyền thông đa truy cập.
Do hệ thống MC-CDMA tổng hợp từ các kỹ thuật OFDM và CDMA nên ở chương tiếp theo chúng ta sẽ bàn về kỹ thuật OFDM
Quyết định điều khiển công suất Điều chỉnh P_trx của UE theo lệnh TPC Điều chỉnh P_trx của UE theo lệnh TPC
KỸ THUẬT OFDM
Giới thiệu chương
Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency
OFDM (kỹ thuật điều chế đa sóng mang) là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong cả ứng dụng vô tuyến lẫn hữu tuyến Nó được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát thanh số DAB, phát hình số DVB và mạng LAN không dây Ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền có tính chọn lọc tần số (fading) và tận dụng băng thông một cách hiệu quả Quá trình điều chế và giải điều chế đa sóng mang có thể thực hiện dễ dàng nhờ phép biến đổi Fourier thuận và nghịch Trong chương này, chúng ta đi sâu tìm hiểu từng đặc điểm của OFDM: khái niệm, nguyên lý điều chế đa sóng mang, hệ thống OFDM băng cơ sở và các kỹ thuật xử lý tín hiệu.
OFDM, chèn Pilot, tiền tố lặp CP…
Hệ thống OFDM
Dữ liệu nhị phân vào
Dữ liệu nhị phân ra
Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM
Đầu vào dữ liệu ở tốc độ cao được chia thành nhiều dòng dữ liệu song song nhờ bộ chuyển đổi Serial/Parallel (S/P) Mỗi dòng dữ liệu song song này sau đó được mã hóa bằng thuật toán Forward Error Correction (FEC) và sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp Những ký tự hỗn hợp này được đưa vào đầu vào của khối IFFT Khối IFFT sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số.
Trong quá trình truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường, một khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI Cuối cùng, bộ lọc phía phát sẽ áp dụng định dạng tín hiệu thời gian liên tục và chuyển đổi tín hiệu lên tần số cao để truyền trên các kênh.
Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu Gausian trắng cộng AWGN
Ở phía thu, tín hiệu được xuống tần số thấp và các mẫu rời rạc được lọc qua bộ lọc thu sau khi loại bỏ khoảng bảo vệ Các mẫu này được chuyển từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT thông qua thuật toán FFT Tùy theo sơ đồ điều chế được sử dụng, sự biến đổi về biên độ và pha của sóng mang nhánh được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh Các ký tự hỗn hợp thu được sau đó được sắp xếp lại và giải mã, cho ta dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu.
Kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM
2.3.1 Mã hóa sửa sai trước FEC
Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai trước FEC (Forward
Error Correcting Codes (ECC) được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin trong truyền thông bằng cách giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) và đảm bảo rằng BER nằm trong giới hạn cho phép mà không cần tăng giá trị của tỷ số Eb/No (hoặc SNR) Qua quá trình mã hóa và giải mã, ECC phát hiện và sửa các bit sai trên đường truyền, giúp hệ thống duy trì độ tin cậy cao ngay cả khi tín hiệu bị nhiễu Các kỹ thuật ECC phổ biến như BCH, Reed-Solomon, LDPC và Turbo codes được ứng dụng để tối ưu hóa hiệu suất theo yêu cầu băng thông và độ lệch nhiễu, từ đó cân đối giữa chi phí mã hóa, độ phức tạp của giải mã và mức độ sửa lỗi Việc lựa chọn mã ECC phù hợp sẽ cải thiện chất lượng dữ liệu đầu ra mà không làm tăng nhu cầu về công suất hoặc tăng yếu tố SNR, giúp tối ưu hóa hiệu quả truyền thông.
SNR), điều này càng thể hiện rõ ở kênh truyền bị tác động của AWGN Mã hóa FEC được chia thành 2 loại mã chính:
Trong lĩnh vực truyền thông, mã hóa Trellis là một dạng mã chập có bổ sung phần mã hóa nhằm tăng khả năng khôi phục dữ liệu bị nhiễu Ở bên nhận, bộ giải mã có thể áp dụng thuật toán Viterbi để suy luận trạng thái tối ưu của chuỗi tín hiệu và khôi phục dữ liệu một cách chính xác và đáng tin cậy.
Việc lựa chọn tần số của các kênh vô tuyến điển hình khiến các nhóm sóng mang phụ ít tin cậy hơn so với các sóng mang khác, dẫn tới các chùm lỗi bit lớn và được phân tán một cách ngẫu nhiên Hầu hết các mã sửa lỗi không được thiết kế để xử lý chùm lỗi, vì vậy người ta sử dụng bộ phân tán ký tự để ngẫu nhiên hoá sự xuất hiện của các bit lỗi trước khi giải mã Tại bộ phát, các bit đã mã hoá được hoán vị sao cho các bit kề nhau bị cách nhau bởi nhiều bit; tại bộ thu, quá trình hoán vị ngược lại được thực hiện trước khi giải mã.
Về nguyên tắc, có thể áp dụng bất kỳ phương pháp điều chế nào cho mỗi sóng mang Dạng điều chế được xác định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra, cho phép ánh xạ các chuỗi bit thành các trạng thái tín hiệu trên hai thành phần I và Q Việc lựa chọn phương pháp điều chế và cấu hình I/Q ảnh hưởng đến mật độ thông tin, băng thông và khả năng khử nhiễu của hệ thống truyền dẫn.
Tức là dòng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành các nhóm có Nbs (1, 2, 4, 8) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-
Nbs Dạng điều chế an, bn
Trong hệ thống truyền thông hiện đại, mô hình điều chế được lựa chọn dựa trên sự cân bằng giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền tín hiệu Ưu điểm nổi bật cho các ứng dụng đa phương tiện là mỗi kênh, bao gồm cả sóng mang phụ, có thể sử dụng các kiểu điều chế khác nhau để tối ưu cho từng lớp dịch vụ khác nhau.
2.3.4 Sử dụng IFFT/FFT trong OFDM
OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang cho phép dữ liệu được truyền đồng thời qua nhiều sóng mang phụ Để thực hiện điều này, mỗi kênh phụ thường cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế Khi số lượng kênh phụ tăng lên, cách làm truyền thống trở nên bất tiện hoặc không khả thi Để giải quyết vấn đề này, khối thực hiện biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ dao động sin, điều chế và giải điều chế cho từng kênh phụ, từ đó tối ưu hóa sự phối hợp và mở rộng hệ thống OFDM.
FFT/IFFT được xem là một thuật toán giúp cho việc thực hiện phép biến đổi
DFT/IDFT nhanh và gọn hơn
Hình 2.2 Bảng các giá trị an, bn theo dạng điều chế
DFT là phép biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform), thực hiện chuyển đổi tín hiệu x(n) trong miền thời gian sang tín hiệu trong miền tần số X(k)
Phép biển đổi IDFT là quá trình ngược lại, thực hiện chuyển đổi phổ tín hiệu X(k) thành tín hiệu x(n) trong miền thời gian
Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1, 2, …, N-1) Công thức của phép biến đổi DFT là
Trong đó W N được xác định là W N = e j 2 N (3.10)
Do vậy, W N nk có giá trị là nk
Công thức của phép biến đổi IDFT là
Chuyển đổi Fourier nhanh(FFT) là thuật toán giúp cho việc tính toán DFT nhanh và gọn hơn.Từ công thức (3.9), (3.12) ta thấy thời gian tính DFT bao gồm
Thời gian thực hiện phép nhân phức
Thời gian thức hiện phép cộng phức
Thời gian đọc các hệ số W N
Thời gian truyền số liệu
Trong phân tích DFT, thời gian thực hiện chủ yếu là do các phép nhân phức tạp, vì vậy để giảm thời gian tính toán người ta tập trung tối ưu hóa bằng cách giảm số lượng phép nhân phức Thời gian thực hiện các phép nhân phức tỉ lệ thuận với số phép nhân, nên việc giảm số lượng phép nhân sẽ làm tăng tốc độ tính toán một cách đáng kể Do đó, để rút ngắn thời gian tính DFT, ta áp dụng thuật toán FFT nhằm giảm nhanh số phép tính Tính trực tiếp DFT đòi hỏi N^2 phép nhân, trong khi tính bằng FFT chỉ còn khoảng N log2 N phép nhân.
2 Vì vậy tốc độ tính bằng FFT nhanh hơn tính trực tiếp là N
Ngoài ra FFT còn có ưu điểm giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ
2.3.4.2 Ứng dụng FFT/IFFT trong OFDM
Sơ đồ khối của hệ thống OFDM sử dụng FFT hình 2.3
Dữ liệu nhị phân vào
Dữ liệu nhị phân ra
Hình 2.3 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM dùng FFT
Ở máy phát, tín hiệu được định nghĩa trong miền tần số là tín hiệu số đã được lấy mẫu và biểu diễn dưới dạng phổ Fourier rời rạc tồn tại chỉ tại các tần số rời rạc Mỗi sóng mang OFDM tương ứng với một phần tử của phổ Fourier rời rạc; biên độ và pha của các sóng mang phụ thuộc dữ liệu được truyền Sự chuyển tiếp dữ liệu được đồng bộ hóa giữa các sóng mang và có thể xử lý cùng nhau theo từng symbol.
Xét một chuỗi data(d o , d 1 , d 2 ,…,d N-1 ), trong đó d n =a n +jb n (a n ,b n =1 với
với k=0,1,2,…,N-1 (3.13) trong đó f n n/(T), t k =kt và t là khoảng thời gian ký tự được lựa chọn một cách tùy ý của chuỗi dn Phần thực của vector D có thành phần
Nếu thành phần này qua bộ lọc thông thấp trong khoảng thời gian t, tín hiệu đạt được gần đúng với tín hiệu FDM t N t t f b t f os c a t y N n m n n m n n
Biểu diễn hình 3.9 minh họa quá trình FFT của hệ thống OFDM cơ sở Dữ liệu được chuyển từ nối tiếp sang song song và ghép thành x bits dưới dạng một số phức, trong đó x xác định chòm sao tín hiệu của sóng mang như 16QAM hoặc 32QAM Các số phức này được điều chế trên băng gốc bằng thuật toán IFFT và sau đó chuyển trở lại thành dữ liệu nối tiếp trên đường truyền Khoảng bảo vệ (cyclic prefix) được chèn giữa các ký tự nhằm giảm thiểu ISI Các ký tự rời rạc sau đó được chuyển đổi sang tín hiệu analog và qua bộ lọc LPF để giới hạn tần số ở RF.
Trong hệ thống truyền thông, máy thu thực hiện quá trình ngược lại của máy phát để tái tạo tín hiệu gốc Để hiệu chỉnh và khôi phục tín hiệu bị suy hao do kênh, một bộ tap-equalizer được sử dụng Hệ số tap (tap coefficients) của bộ lọc được tính toán dựa trên thông tin kênh nhằm tối ưu hóa việc khôi phục tín hiệu và giảm méo do kênh gây ra.
Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM
OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao
Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM:
Ước lượng tham số kênh
Vấn đề đầu tiên liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM khi dùng phương pháp giải điều chế liên kết; hai vấn đề tiếp theo là việc xử lý các nhược điểm của OFDM, và để nâng cao chất lượng hệ thống, người ta sử dụng mã hóa tín hiệu OFDM.
2.4.1 Ước lượng tham số kênh Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation) Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted
Trong phương pháp modulation này, tín hiệu pilot được phát ra với pha và biên độ đã được bên thu biết trước Tại phía thu, việc so sánh tín hiệu thu với tín hiệu pilot nguyên thủy cho phép nhận diện ảnh hưởng của kênh truyền đến tín hiệu phát Quá trình ước lượng kênh có thể được phân tích ở cả hai miền thời gian và miền tần số, từ đó tối ưu hóa việc tái tạo tín hiệu và nâng cao hiệu quả truyền dữ liệu.
Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng
Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng Có hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng PSAM :
Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot: cần đảm bảo yêu cầu chống nhiễu và hạn chế tổn thất về năng lượng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể được thực hiện trên giản đồ thời gian-tần số, do đó kỹ thuật OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu của hệ thống.
Vấn đề thứ hai là thiết kế bộ ước lượng kênh, tức là phải giảm độ phức tạp của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác theo yêu cầu Yêu cầu về tốc độ thông tin cao (thời gian xử lý ngắn) và các chỉ tiêu hệ thống là hai mục tiêu mâu thuẫn, đòi hỏi sự cân bằng Ví dụ, bộ ước lượng kênh tuyến tính tối ưu theo bình phương sai số nhỏ nhất (MSE) là bộ lọc Wiener hai chiều (2D-Wiener filter) có chỉ tiêu kỹ thuật rất cao nhưng đồng thời rất phức tạp Vì vậy, khi thiết kế cần dung hòa hai yêu cầu trên.
2.4.2 Đồng bộ trong OFDM Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật
OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của
Trong hệ thống OFDM, sự đồng bộ về tần số của các sóng mang là yếu tố quyết định để duy trì tính trực giao giữa các nhánh mang Nếu không đảm bảo đồng bộ tần số của sóng mang, các nhánh mang sẽ mất sự trực giao, dẫn đến nhiễu chéo giữa các subcarrier và làm mất đi các ưu điểm của OFDM nhờ tính trực giao này Vì vậy, trong OFDM người ta xem xét ba loại đồng bộ quan trọng: đồng bộ ký tự (symbol synchronization) để đảm bảo giải mã đúng thời điểm, đồng bộ tần số sóng mang (carrier frequency synchronization) để duy trì tần số mang ở giá trị chính xác, và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization) để đảm bảo chu kỳ lấy mẫu phù hợp với tín hiệu và pha.
2.4.2.1 Đồng bộ ký tự Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM
Hiện nay, nhờ kỹ thuật tiền tố lặp (CP), quá trình đồng bộ ký tự được thực hiện một cách dễ dàng và hiệu quả hơn Tuy nhiên, khi thực hiện đồng bộ ký tự, hai yếu tố quan trọng cần lưu ý là lỗi thời gian (timing error) và nhiễu pha của sóng mang (carrier phase noise).
Lỗi thời gian gây sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Nếu sai lệch thời gian nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn nằm trong chiều dài của CP (cyclic prefix), hệ thống duy trì sự trực giao giữa các sóng mang Trong trường hợp này, độ trễ thời gian của một ký tự được xem như độ dịch pha của kênh truyền và được xác định thông qua kỹ thuật ước lượng kênh Ngược lại, nếu chiều dài CP nhỏ hơn sai lệch thời gian, hệ thống sẽ gặp ISI (inter-symbol interference).
Có hai phương pháp chính để đồng bộ thời gian trong hệ thống truyền thông: đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp Đồng bộ dựa vào tín hiệu pilot dùng tín hiệu tham chiếu để căn chỉnh thời gian giữa các nhánh kênh, giúp tăng độ chính xác và giảm sai lệch thời gian Trong khi đó, đồng bộ dựa vào tiền tố lặp khai thác đặc tính của tiền tố lặp để nhận diện và hiệu chỉnh sai lệch thời gian một cách hiệu quả, ngay cả trong điều kiện kênh biến động Tùy thuộc vào đặc thù kênh và yêu cầu hệ thống, mỗi phương pháp có ưu điểm riêng và có thể được kết hợp để tối ưu hiệu suất truyền tải và độ ổn định của đồng bộ thời gian.
Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang, gây biến động và méo tín hiệu trong quá trình truyền thông Nguyên nhân chủ yếu là sự bất ổn của bộ dao động ở hai đầu hệ thống: ở phía phát, nơi bộ tạo dao động đóng vai trò làm nguồn tín hiệu tham chiếu, và ở phía thu, nơi bộ dao động nhận tín hiệu mang và tái tạo thông tin Sự không ổn định này làm cho pha của sóng mang dao động theo thời gian, dẫn tới lệch pha, tăng nhiễu và làm giảm chất lượng nhận dạng tín hiệu Để giảm nhiễu pha, các kỹ thuật như ổn định tần số của bộ dao động, sử dụng PLL (phase-locked loop), kiểm soát nhiệt độ và thiết kế mạch lọc pha thường được áp dụng nhằm cải thiện hiệu quả truyền thông và độ tin cậy của hệ thống.
2.4.2.2 Đồng bộ tần số sóng mang
Trong đồng bộ tần số sóng mang, hai vấn đề chính được quan tâm đến là : lỗi tần số (frequency error) và thực hiện ước lượng tần số
Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ dao động bên phát và bên thu, hay còn gọi là độ lệch tần Doppler, hoặc do nhiễu pha xuất hiện khi kênh truyền không tuyến tính Hai ảnh hưởng chính của lỗi tần số là suy giảm biên độ tín hiệu nhận được và lệch pha làm giảm độ chính xác đồng bộ hóa giữa các thành phần tín hiệu, từ đó làm tăng sai lệch giải mã và giảm chất lượng liên lạc.
Trong hệ thống truyền thông dùng sóng mang hình sin, tín hiệu không được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sóng mang dẫn tới nhiễu xuyên kênh ICI, do các sóng mang mất tính trực giao Điều này gây chồng lấn tín hiệu giữa các kênh mang và làm giảm hiệu suất truyền.
Giống như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để đồng bộ tần số ta có thể dùng tín hiệu pilot hoặc tiền tố lặp Trong phương pháp dùng tín hiệu pilot, một tập các sóng mang được truyền để gửi tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu) Việc tận dụng các ký tự đã biết trước về pha và biên độ cho phép ước lượng độ quay pha do sai lệch tần số gây ra Để nâng cao độ chính xác của bộ ước lượng, người ta thường kết hợp với các vòng khóa pha (Phase-Lock Loop - PLL).
Những điều cần quan tâm là mối quan hệ giữa đồng bộ ký tự và đồng bộ tần số của sóng mang; sự mất đồng bộ tần số có thể ảnh hưởng tới chất lượng truyền tín hiệu, vì vậy để giảm thiểu hiện tượng này, ta có thể giảm số lượng sóng mang và tăng khoảng cách giữa hai sóng mang cạnh nhau nhằm cải thiện đồng bộ giữa ký tự và tần số mang.
Khi giảm số sóng mang, chu kỳ của từng ký tự trên mỗi sóng mang cũng phải giảm, khiến việc đồng bộ ký tự trở nên khó khăn và đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ hơn Hai vấn đề đồng bộ này có mối quan hệ mật thiết với nhau, và cần có sự dung hòa hợp lý để hệ thống có thể đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đã đề ra.
2.4.2.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu
Đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM
Suy hao tín hiệu là sự suy giảm công suất khi truyền từ nguồn phát đến điểm thu, do chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng đa đường gây ra Để giảm bớt suy hao, phía phát thường được đặt ở vị trí càng cao càng tốt nhằm tối thiểu hóa vật cản trên đường truyền Các vùng bóng tín hiệu thường rộng, khiến sự thay đổi công suất diễn ra chậm và do đó được gọi là fading chậm.
Hình 2.4 Đáp ứng tần số của kênh truyền đa đường
Nhiễu Gaussian trắng có mật độ phổ công suất đồng đều trên toàn băng thông và tuân theo phân bố Gaussian Theo phương thức tác động, nhiễu Gaussian là nhiễu cộng tác động lên kênh truyền dẫn Nhiễu nhiệt-sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây ra là loại nhiễu điển hình cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động lên kênh truyền dẫn Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng 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 Gaussian trắng cộng.
Fading Rayleigh là loại Fading (Fading phẳng) sinh ra do hiện tượng đa đường
Trong hệ thống truyền thông vô tuyến, tín hiệu nhận được bị suy giảm so với tín hiệu phát đi do hiện tượng đa đường, và xác suất mức tín hiệu thu được tuân theo phân bố Rayleigh Loại fading này còn được gọi là fading nhanh vì sự biến thiên mạnh của công suất tín hiệu diễn ra trong khoảng cách rất ngắn, điển hình là tại các nửa bước sóng từ nguồn phát do sự giao thoa của các thành phần tín hiệu đa đường.
Trong môi trường đa đường, tín hiệu nhận được suy giảm theo khoảng cách do sự lệch pha giữa các thành phần tín hiệu phản xạ và tán xạ Lệch pha này phát sinh từ khác biệt thời điểm đến của các phần tử tín hiệu tại bộ thu, do trễ lan truyền gây ra Trễ lan truyền dẫn tới quay pha của tín hiệu và làm suy giảm chất lượng tín hiệu nhận được.
Fading Rayleigh là kết quả của sự giao thoa giữa các sóng đa đường nhận được, khi các thành phần sóng kết hợp sẽ làm tăng hoặc giảm biên độ tín hiệu tùy theo pha tương tác Khi bộ thu di chuyển, sự thay đổi pha giữa các thành phần đa đường làm cho giao thoa biến thiên và gây suy hao công suất tín hiệu nhận được Phân bố Rayleigh được dùng để mô tả sự biến đổi theo thời gian của công suất tín hiệu nhận được trong môi trường đa đường.
2.5.4 Fading lựa chọn tần số
Trong truyền dẫn vô tuyến, đáp ứng phổ của kênh không bằng phẳng và có xu hướng dốc xuống do hiện tượng phản xạ, khiến một số tần số bị triệt tiêu tại đầu thu Phản xạ từ các vật thể gần như mặt đất, công trình xây dựng và cây cối có thể tạo ra tín hiệu đa đường có công suất tương tự tín hiệu trực tiếp, làm biến đổi biên độ và pha của tín hiệu nhận được Kết quả là xuất hiện các điểm “0” (nulls) trong công suất tín hiệu nhận được do sự giao thoa giữa các thành phần tín hiệu.
Trải trễ (delay spread) là sự chệnh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ cuối cùng thu được tại bộ thu do hiện tượng đa đường Trong truyền thông vô tuyến, trải trễ có thể gây nhiễu xuyên ký tự ISI vì tín hiệu trải trễ có thể chồng lên các ký tự lân cận; nhiễu ISI sẽ tăng khi tốc độ tín hiệu tăng, và hiệu ứng này bắt đầu trở nên đáng kể khi trải trễ vượt quá khoảng 50% chu kỳ bit Trong kỹ thuật OFDM, tốc độ tín hiệu giảm sau khi qua bộ S/P khiến chu kỳ tín hiệu tăng, từ đó làm giảm nhiễu ISI do trải trễ.
Hình 2.6 Trải trễ đa đường
Hiệu ứng Doppler xuất hiện khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau, khiến tần số tín hiệu đo ở bộ thu không trùng với tần số tín hiệu phát ra Cụ thể, khi nguồn phát và nguồn thu hướng về nhau, tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát; khi hai nguồn di chuyển ra xa nhau, tần số thu được sẽ thấp hơn Hiệu ứng Doppler mô tả sự biến đổi tần số do chuyển động tương đối giữa bộ phát và bộ thu.
Đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM
2.6.1 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM
Dưới đây là các ưu điểm chính của kỹ thuật OFDM:
Khả năng chống nhiễu ISI và ICI được tăng cường nhờ các kỹ thuật xử lý tín hiệu như giảm tốc độ tín hiệu bằng bộ S/P, sử dụng tiền tố lặp CP (cyclic prefix) và đảm bảo các sóng mang phụ trực giao với nhau, giúp các subcarrier duy trì tính orthogonal và giảm méo tín hiệu trong kênh nhiễu, từ đó nâng cao hiệu suất truyền thông OFDM.
Hiệu suất sử dụng phổ cao hơn so với FDM là kết quả của việc phổ của các sóng mang phụ có thể chồng phủ lên nhau mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu sau khi tách sóng Trong hệ thống OFDM, tính trực giao giữa các subcarrier cho phép tận dụng tối đa băng thông và giảm nhiễu crosstalk so với FDM truyền thống Nhờ cơ chế này, hiệu suất truyền dẫn được cải thiện và chất lượng tín hiệu sau giải mã được duy trì ở mức cao, ngay cả khi các phổ mang phụ giao thoa nhau.
Hình 2.7 So sánh việc sử dụng băng tần của FDM và OFDM
Các kênh con được xem như các kênh fading phẳng, do đó có thể áp dụng các bộ cân bằng đơn giản suốt quá trình nhận thông tin Việc này giúp giảm độ phức tạp của máy thu và tối ưu hóa hiệu quả tiếp nhận tín hiệu.
Điều chế tín hiệu đơn giản, hiệu quả nhờ sử dụng thuật toán FFT và các bộ
2.6.2 Nhược điểm của kỹ thuật OFDM
Bên cạnh những ưu điểm thì hệ thống OFDM còn tồn tại nhiều nhược điểm:
Hệ thống OFDM phát tín hiệu trên nhiều sóng mang, khiến dải động của tín hiệu rất lớn Do đó, PAPR (tỉ lệ đỉnh so với mức trung bình) tăng lên đáng kể, dẫn đến đỉnh tín hiệu vượt quá mức cho phép và gây ra méo tín hiệu Vì PAPR cao, bộ khuếch đại công suất gặp hạn chế trong hoạt động, đòi hỏi thiết kế và vận hành tối ưu để cân bằng hiệu suất và độ méo.
Trong các hệ thống truyền thông đa sóng mang, sự dịch tần và pha có xu hướng ảnh hưởng nhiều hơn so với hệ thống một sóng mang Vì vậy, việc đồng bộ tần số và pha một cách chặt chẽ trong toàn bộ hệ thống là rất quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng tín hiệu, giảm lỗi và tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu.
Liên quan đến những nhược điểm đã nêu, nhu cầu sử dụng OFDM trong thông tin cố định vẫn ở mức thấp vì các hệ thống hiện tại đang hoạt động ổn định và hiệu quả, dẫn tới việc triển khai sản phẩm mới dựa trên OFDM ở mức khiêm tốn Dẫu vậy, ưu điểm của hệ thống sử dụng kỹ thuật OFDM là rất rõ ràng, với tiềm năng cải thiện hiệu suất và tối ưu hóa băng thông trong các ứng dụng tương lai.
2.6.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM
OFDM được đề xuất sử dụng trong các hệ thống thông tin số tốc độ cao như phát thanh và truyền hình số, và có triển vọng ứng dụng trong hệ thống thông tin di động tương lai như hệ thống LAN vô tuyến Các công nghệ truyền dẫn số tốc độ cao như ADSL và VDSL cũng tận dụng OFDM để nâng cao hiệu suất và khả năng chống nhiễu Ngoài ra, OFDM được xem là một giải pháp đầy hứa hẹn cho hệ thống thông tin di động đa phương tiện (G4).
Kết luận chương
Chương này giới thiệu tổng quan về hệ thống OFDM và cho thấy đây là một công nghệ đầy hứa hẹn cho truyền thông hiệu quả trên phổ tín hiệu Kỹ thuật OFDM không phải là một kỹ thuật đa truy cập theo nghĩa truyền thống, vì mọi sóng mang được điều chế bằng dữ liệu của cùng một thuê bao; để phục vụ nhiều thuê bao, OFDM phải được kết hợp với một kỹ thuật đa truy cập Công nghệ MC-CDMA là sự kết hợp giữa OFDM và CDMA nhằm mở rộng khả năng phục vụ nhiều người dùng trên cùng một phổ Vì vậy, ở chương tiếp theo chúng ta sẽ đi sâu vào công nghệ MC-CDMA và những ứng dụng của nó.
HỆ THỐNG MC-CDMA
Giới thiệu chương
Những nghiên cứu gần đây cho thấy sự kết hợp giữa CDMA và OFDM cho phép sử dụng băng thông hiệu quả hơn và vẫn bảo toàn các ưu điểm vốn có của CDMA Việc kết hợp OFDM-CDMA được xem như một kỹ thuật rất hữu ích cho mạng 4G, mang lại tốc độ dữ liệu cao và độ tin cậy trên các kênh truyền thông Một trong những hệ thống tiêu biểu dựa trên nguyên lý này là MC-CDMA, được nghiên cứu sâu và triển khai nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền thông di động trong môi trường nhiều người dùng và nhiễu.
MC-CDMA la mot he thong da truy nhap su dung ky thuat phan chia tan so va ghep kenh de cho phep nhieu nguoi dung dong thoi truy cap cung mot mien pho Bai viet nay phan tich cac khai niem co ban cua MC-CDMA, bao gom kha nang phan loai he thong, mo hinh he thong, cong nghe phat, thu tin hieu MC-CDMA, ben canh la dang toan hoc cua tin hieu phat va tin hieu thu MC-CDMA de hieu ro cach ma hoa, modualtion, xu ly tin hieu, cung nhu cac yeu to anh huong cua nhiu va multipath Chuong nay cung trinh bay cac giai thuat toan hoc lien quan den dang tin hieu phat va tin hieu thu MC-CDMA, giup hieu cach bieu dien tin hieu o cac tang vat ly va cach xu ly tin hieu trong he thong Tong ket la cung cap mot goc nhin toan dien ve MC-CDMA de thiet ke, danh gia va ung dung tren thuc te.
CDMA Phần tiếp theo sẽ đề cập đến các kỹ thuật tách sóng đã được sử dụng cũng như đang được nghiên cứu.
Hệ thống MC-CDMA
MC-CDMA (MultiCarrier CDMA) là một hệ thống đa truy nhập mới dựa trên sự kết hợp giữa CDMA và OFDM, cho phép truyền tải nhiều người dùng đồng thời trên các dải tần số bằng cách phân bổ dữ liệu lên nhiều carrier Khác với CDMA trải phổ trong miền thời gian, MC-CDMA tận dụng đặc tính OFDM để chia nhỏ phổ thành nhiều phần tần số, qua đó tăng khả năng chống nhiễu và hiệu quả sử dụng phổ Mô hình này xem như nền tảng cho mạng không dây hiện đại, cho phép mở rộng băng thông và tối ưu hóa thông lượng bằng cách áp dụng mã hóa và phân tách kênh theo từng người dùng Với MC-CDMA, dữ liệu của mỗi người dùng được trải đều trên các carrier, giúp giảm méo tín hiệu và cải thiện độ tin cậy liên lạc, đặc biệt trong điều kiện kênh phức tạp Đây là một công nghệ có tiềm năng ứng dụng trong viễn thông di động với yêu cầu hiệu suất cao và quản lý phổ hiệu quả.
MC-CDMA là công nghệ trải phổ trong miền tần số, kết hợp đặc trưng của CDMA với OFDM để tối ưu hóa truyền thông không dây Công nghệ này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM để phát tín hiệu trên tập sóng mang phụ trực giao, tức là trên nhiều subcarrier độc lập, giúp tăng hiệu suất sử dụng phổ, cải thiện khả năng chống nhiễu và xử lý multipath Nhờ sự phân chia tần số trực giao, MC-CDMA có thể hỗ trợ nhiều người dùng đồng thời trên cùng một băng tần, đồng thời cải thiện độ tin cậy và tốc độ truyền dữ liệu trong môi trường truyền dẫn phức tạp.
3.2.2 Sơ đồ khối spreader Sinal mapper IFFT Interval Guard
Despreader FFT combining and Summation
Serial data input b bit b bit b bit b bit
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống MC-CDMA
Máy phát
Máy phát MC-CDMA trải tín hiệu gốc trong miền tần số bằng một mã trải trước, và mỗi phần của ký tự tương ứng với một chip của mã trải được điều chế bằng một sóng mang phụ khác nhau Đối với truyền đa sóng mang, cần đạt được fading không chọn lọc tần số trên mỗi sóng mang để tối ưu hóa hiệu suất truyền Do đó, nếu tốc độ truyền của tín hiệu gốc đủ cao để chịu ảnh hưởng của fading chọn lọc tần số, tín hiệu nên được chuyển từ nối tiếp sang song song trước khi được trải trong miền tần số.
3.3.1 Quá trình t ạ o ra tín hi ệ u MC-CDMA theo th ứ t ự sau
Chuỗi dữ liệu ngõ vào có tốc độ bit là 1/T s , được điều chế BPSK, tạo ra các ký tự phức ak.
Luồng thông tin này a k được chuyển thành P chuỗi dữ liệu song song
(ak,0(i), ak,1(i), , ak,P-1(i)), trong đó I ký hiệu cho chuỗi ký tự thứ I (mỗi khối gồm P ký tự)
Mỗi ngõ ra của bộ biến đổi nối tiếp hoặc song song được nhân với mã trải phổ của người dùng thứ k (dk(0), dk(1), , dk(KMC-1)) có chiều dài KMC để tạo ra tất cả tín hiệu trải phổ của người dùng k Quá trình này biến đổi tín hiệu gốc thành tín hiệu trải phổ, cho phép phân chia và ghép nhiều người dùng trên cùng một kênh truyền bằng kỹ thuật CDMA Nhờ mã trải phổ, hệ thống có thể nhận diện và khử nhiễu giữa các người dùng, cải thiện hiệu suất truyền tải và độ tin cậy của liên lạc.
Trong bài viết này, N = P.KMC (tương ứng với tổng số sóng mang phụ) đại diện cho số ký tự mới được sinh ra Mỗi ký hiệu mới có dạng tương tự ký tự trong hệ thống OFDM (như ở chương 2) Ví dụ, với nhánh song song thứ 0, mỗi ký tự OFDM hiện tại được mô tả bởi S_i,k = a_k,0(i) · d_k(k) với k = 0,1,
Hình 3.2 Máy phát MC –CDMA
Do sự tương tự giữa các ký tự trên mỗi nhánh con của hệ thống MC-
CDMA và hệ thống OFDM cho phép điều chế sóng đa mang tại băng tần gốc thông qua phép biến đổi nghịch Fourier rời rạc (IDFT) Quá trình này chuyển các tín hiệu ở miền tần số thành tín hiệu thời gian bằng IDFT, ghép lại các phổ con thành một sóng mang đồng nhất để phát Sau khi phát, tín hiệu truyền qua kênh và phải đối mặt với nhiễu và multipath Ở đầu thu, tín hiệu được giải điều chế bằng FFT (hoặc IDFT ngược) để tách các subcarriers và khôi phục dữ liệu, nhấn mạnh vai trò của IDFT trong quá trình điều chế và của FFT trong giải mã Việc sử dụng IDFT cho điều chế tại băng tần gốc giúp tối ưu hóa việc sử dụng phổ và cải thiện chất lượng liên thông.
OFDM từ P nhánh được tổng hợp với lại nhau
Khoảng dự phòng Δ (guard interval) được chèn dưới dạng tiền tố vòng (CP) giữa các ký tự nhằm giảm ISI do fading đa đường Việc này giúp bảo vệ tín hiệu và duy trì chất lượng truyền dữ liệu khi kênh truyền có nhiều đường truyền và dao động tần số Sau khi đổi tần lên RF, tín hiệu được phát trên kênh truyền với hiệu quả và độ ổn định cao hơn nhờ khoảng dự phòng này.
Tín hiệu phát băng gốc dạng phức như sau:
Trong đó:d k (0), d k (1), d k (K MC -1) là mã trải phổ với chiều dài K MC
T ’ s là khoảng kí hiệu trên mỗi sóng mang phụ f '
là khoảng cách tần số nhỏ nhất giữa hai sóng mang phụ
là hệ số mở băng thông kết hợp với chèn khoảng dự phòng (0 1):
=/PT s (3.4) ps(t) là dạng xung vuông được định nghĩa: p s (t)
Băng thông của tín hiệu phát được tính như sau:
Không có thao tác trải phổ trong miền thời gian (từ (3.1))
Công thức (3.2) cho thấy rằng khoảng ký tự tại mỗi mức sóng mang phụ gấp P lần khoảng ký tự gốc do việc chuyển đổi từ nối tiếp/song song
Mặc dù khoảng cách giữa các sóng mang phụ tối thiểu được cho bởi (3.3) nhưng khoảng cách giữa các sóng mang phụ cho mỗi ak,p(i) lại là P/(T ’ s-).
Máy thu MC-CDMA
Bộ thu là bộ OFDM thêm vào một công việc kết hợp để tách dữ liệu được phát đối với mỗi người sử dụng mong muốn
Giả sử hệ thống MC-CDMA có K người dùng đang truy cập, tín hiệu bưng gốc nhận được có dạng:
Trong khuôn khổ bài viết này, đường bao phức thu được tại sóng mang phụ thứ m_P+p của người dùng thứ k được ký hiệu là h_k,m_P+p(t) Đáp ứng xung của kênh truyền với người dùng thứ k được cho ở dạng hàm phức h_k(t), trong đó các tham số N_1, a(t) và f_c (tần số mang) cùng với các thành phần i(t) và i(t, …) mô tả biên độ, pha và sự biến thiên theo thời gian của kênh Mô hình này làm rõ cách tín hiệu suy giảm và lệch pha khi truyền từ nguồn phát tới người nhận cho từng người dùng, tạo nền tảng cho phân tích hệ thống đa người dùng và các chiến thuật điều chế.
Trong mô hình này, với t là thời gian và τ là độ trễ, ai(t) và i(t) lần lượt là biên độ thực và độ lệch pha của thành phần đa đường thứ i tại thời điểm t Pha của mỗi thành phần thể hiện độ lệch pha do sự lan truyền trong không gian tự do của thành phần đa đường thứ i, cộng với mọi độ lệch pha gặp phải trên đường truyền n(t) là nhiễu Gauss có giá trị trung bình bằng 0 và có mật độ phổ công suất hai phía S_n(f).
Bộ thu MC-CDMA yêu cầu việc tách sóng được thực hiện đồng bộ để thao tác giải trải phổ (despreading) thành công
Hình 3.3 Máy thu MC-CDMA Hình (3.3) biễu diễn bộ thu MC-CDMA cho người sử dụng thứ k Quá trình tách sóng tại máy thu theo thứ tự sau:
Sau khi đổi tần xuống và khử khoảng dự phòng, các sóng mang phụ thứ m
(m=0,1, ,KMC-1) tương ứng với dữ liệu thu là ak,p(i), đầu tiên được tách đồng bộ với
DFT, ta thu được giá trị trên mỗi nhánh là y p (m)
Trong xử lý tín hiệu rời rạc ở miền tần số, để ghép năng lượng tín hiệu, ta nhân yp(m) với độ lợi Gk(m) nhằm kết hợp các thành phần băng gốc có trọng số, và biến quyết định là tổng của các thành phần băng gốc được cân bởi trọng số tương ứng.
Trong mô hình này, y(m) đại diện cho thành phần dải nền của tín hiệu nhận được sau khi đã thực hiện quá trình chuyển đổi xuống tần số n_m(iT_s) là nhiễu Gauss phức của sóng mang phụ thứ i tại thời điểm t = iT_s.
Kênh truyền
Trong hệ thống MC-CDMA băng rộng, kênh Rayleigh fading được xem là kênh truyền biến đổi tần số chậm Kênh này có băng thông rộng được chia thành N kênh băng hẹp, mỗi kênh chịu tác động của fading phẳng (fading không có tính chọn lọc tần số), nghĩa là chỉ có một hệ số độ lợi trên mỗi kênh phụ Do mỗi kênh phụ có độ lợi khác nhau, khi xét đến kênh truyền của hệ thống thì nó là kênh truyền có tính chọn lọc tần số Điều kiện để tính chọn lọc tần số của kênh truyền thể hiện trên toàn băng thông của tín hiệu phát và không thể hiện trên từng sóng mang phụ.
Trong đó Bc là : băng thông liên kết của kênh truyền
f là tốc độ ký hiệu của dữ liệu phát
BW là băng thông tổng của hệ thống
Băng thông liên kết (kết hợp) Bc là một đơn vị đo dải tần số mà trong phạm vi này kênh truyền được coi là phẳng, tức là các thành phần phổ có độ lợi xấp xỉ bằng nhau và fading tuyến tính Nói cách khác, Bc xác định phạm vi tần số mà khả năng tương quan biên độ giữa hai thành phần tần số là rất lớn, khiến chúng chịu ảnh hưởng đồng nhất bởi kênh Hai tín hiệu sin có khoảng cách tần số lớn hơn Bc sẽ bị kênh truyền gây ảnh hưởng khác nhau.
Hình 3.4 Ảnh hưởng của kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số lên từng băng tần hẹp Nếu hàm tương quan tần số lớn hơn 0,9 ta có:
Nếu hàm tương quan tần số lớn hơn 0,5 ta có:
Nếu kênh truyền có băng thông liên kết thỏa điều kiện (3.11) thì đáp ứng xung của kênh được cho bởi (3.8) có thể xem như một tập hợp các kênh phụ băng hẹp Mỗi kênh phụ này có đáp ứng xung dạng h_i = α_i e^{j φ_i} (3.14), trong đó α_i và φ_i lần lượt là biên độ và pha của kênh fading trên kênh phụ thứ i (sóng mang thứ i); φ_i là biến ngẫu nhiên có phân bố đều trên đoạn [0, 2π).
Các hệ số fading α_i có phân bố Rayleigh và có sự tương quan với nhau (không độc lập thống kê) và biến đổi theo từng ký hiệu dữ liệu phát Đối với hệ thống MC-CDMA, điều kiện (3.11) để mỗi sóng mang phụ trải qua fading phẳng luôn được thỏa mãn nhờ tốc độ bit cao, tức Δf lớn, chuỗi bit đầu vào được chuyển thành P nhánh song song Nhờ vậy, tốc độ bit trên mỗi nhánh bị giảm đi P lần Do đó, đáp ứng xung của mỗi kênh truyền phụ tương ứng với mỗi sóng mang phụ có dạng theo phương trình (3.14).
Hệ số tương quan giữa fading của sóng mang phụ thứ i và thứ j được cho bởi:
Các phương pháp triệt nhiễu
Để cải thiện thêm nữa độ hiệu quả của máy thu, kỹ thuật tách sóng đa người dùng được sử dụng Có các phương pháp triệt nhiễu như sau:
3.6.1 Ph ươ ng pháp tri ệ t nhi ễ u n ố i ti ế p (SIC)
Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp (SIC) giải điều chế cho từng người dùng, tái tạo nhiễu đa truy cập của người đó và loại bỏ nhiễu khỏi tín hiệu thu được; tín hiệu sau khi triệt nhiễu được dùng để tách sóng cho người dùng kế tiếp, và quá trình xử lý được lặp lại cho đến khi tách sóng cho toàn bộ các người dùng.
Quyết định sai khi phân tách sóng cho người dùng không chính xác sẽ làm tăng gấp đôi nhiễu đa truy cập cho người dùng kế tiếp khi tách sóng, nên thứ tự giải điều chế ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của phương pháp triệt nhiễu nối tiếp Vì vậy, việc sắp xếp thứ tự giải điều chế được thực hiện theo nguyên tắc giảm dần công suất thu được và tiến hành theo các bước lặp để giải điều chế tín hiệu mạnh trước và loại bỏ dần ảnh hưởng của nó khỏi tổng tín hiệu cho các tín hiệu còn lại.
Tính độ tin cậy (dùng EGC hoặc MMSE) cho tất cả các người dùng còn lại
Chọn một người dùng có độ tin cậy cao nhất và trừ khỏi thành phần tín hiệu của người dùng mong muốn
Lặp lại 2 bước trên cho đến khi chọn được người dùng mong muốn Ra quyết định cuối cùng cho người dùng mong muốn
Khi thưc hiện thực tế bộ triệt nhiễu nối tiếp ta quan tâm đến các đặc điểm sau:
Việc nắm rõ biên độ thu được là yêu cầu thiết yếu trong phân tích tín hiệu và vận hành hệ thống Bất kỳ sai sót nào trong việc ước lượng biên độ cũng sẽ chuyển thành nhiễu cho các quyết định tiếp theo, làm giảm độ chính xác và hiệu quả của toàn bộ quá trình Vì vậy, quá trình ước lượng biên độ cần được thực hiện với độ chính xác cao và có biện pháp kiểm tra, hiệu chỉnh liên tục nhằm tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đối với quyết định.
Các người dùng yếu hơn người dùng quan tâm được bỏ đi
Bộ triệt nhiễu nối tiếp (SIC) không yêu cầu các phép tính số học đối với các tương quan chéo ngoại tích với biên độ thu được, do đó quá trình xử lý được làm đơn giản và hiệu quả hơn Độ phức tạp trên bit của hệ thống này là tuyến tính theo số lượng người dùng, cho phép mở rộng mạng mà không làm tăng chi phí tính toán theo cấp số nhân.
Thời gian trễ khi giải điều chế bằng bộ triệt nhiễu nối tiếp tăng tuyến tính theo số lượng người dùng
Một nhược điểm của triệt nhiễu nối tiếp (SIC) là hiệu suất không đối xứng: các người dùng cùng công suất phát được giải điều chế với độ tin cậy khác nhau Điều này có nghĩa là dù tín hiệu phát có cường độ tương đương, quá trình giải điều chế ở các người dùng sẽ đạt được độ chính xác khác nhau, dẫn đến chất lượng liên kết không đồng đều Hiện tượng này ảnh hưởng tới hiệu suất tổng thể của hệ thống và đặt ra thách thức trong tối ưu hóa phân bổ công suất, thứ tự giải điều chế và thiết kế thuật toán để cân bằng độ tin cậy giữa các người dùng.
3.6.2 Ph ươ ng pháp tri ệ t nhi ễ u song song (PIC)
Ngược với bộ triệt nhiễu nối tiếp, bộ giải điều chế cho các người dùng được thực hiện lần lượt, dựa trên các quyết định ở các tầng trước đó (tín hiệu từ ngõ ra của bộ tách sóng bất kỳ) để ước lượng và loại bỏ toàn bộ nhiễu MAI cho từng người dùng Quá trình xử lý có thể lặp lại nhiều lần, tạo thành bộ triệt nhiễu song song nhiều tầng nhằm tăng độ tin cậy của các quyết định thử nghiệm khi ước lượng nhiễu đa truy cập.
Tầng 1: bộ tách sóng bất kỳ
Tầng 2: bộ triệt nhiễu song song thứ nhất
Tầng 2: bộ triệt nhiễu song song thứ m-1
Trong hệ thống MC-CDMA, hiệu quả của các giải thuật dựa trên PIC phụ thuộc nhiều vào chất lượng ước lượng MAI và việc khôi phục nhiễu đa truy cập từ các hệ số kênh truyền cũng như ước lượng dữ liệu cho các người dùng Do đó, hiệu quả của tầng đầu tiên, nơi thực hiện ước lượng dữ liệu, có mối liên hệ chặt chẽ với hiệu quả của máy thu PIC Vì vậy, tín hiệu triệt nhiễu MAI chủ yếu nằm ở tầng đầu tiên này, và ở tầng này thường áp dụng một số phương pháp dò tín hiệu người dùng để nâng cao hiệu suất nhận dạng dữ liệu.
Phương pháp triệt can nhiễu song song dựa trên giả định máy thu nắm vững mọi mã trải phổ của các người dùng, biết trạng thái kênh truyền cho từng sóng mang phụ của mỗi người dùng và nắm chắc số lượng người dùng trong hệ thống Với những giả thiết này, thuật toán có thể đồng thời nhận diện và khử nhiễu từ từng người dùng, tối ưu hóa tín hiệu thu ở mỗi kênh và cải thiện hiệu suất nhận dữ liệu trong môi trường nhiều người dùng và đa sóng mang phụ Việc kết hợp đầy đủ thông tin mã và kênh cho phép xử lý song song các thành phần nhiễu, mang lại độ tin cậy cao hơn và hiệu quả truyền tải tốt hơn.
Tuy nhiên, việc lựa chọn chúng giống nhau sẽ làm giảm độ phức tạp của máy thu Bởi vì độ hiệu quả của PIC phụ thuộc vào độ hiệu quả của tầng khởi đầu của máy thu nên việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của tầng thứ nhất là thật sự rất cần thiết.
Vấn đề dịch của tần số sóng mang trong hệ thống MC-CDMA
Hiệu quả của hệ thống MC-CDMA bị suy giảm nghiêm trọng theo dịch tần số
Có hai nguyên nhân chính gây ra dịch tần số:
Trải Doppler do thiết bị di động ở tốc độ cao
Sai lệch giữa bộ tạo dao động cho các sóng mang ở phía máy phát và ở phía máy thu
Các dịch tần số do sự đồng bộ không chính xác giữa bộ tạo dao động ở phía máy phát và máy thu như nhau đối với tất cả các sóng mang phụ Trái lại, các dịch tần số do hiệu ứng Doppler lại khác nhau đối với từng song mang phụ bởi vì nó là hàm theo tấn số Tuy nhiên, đối với các hệ thống thông tin di động hoạt động ở tần số sóng mang điển hình 2 Ghz và chiếm một băng thông 1Mhz thì sai lệch tần số tối đa giữa các sóng mang phụ do hiệu ứng Doppler là khoảng 0-5 Mhz Vì sai lệch này là rất nhỏ
Khoảng cách giữa các sóng mang phụ là khoảng 30 kHz; do đó dịch tần số sinh ra bởi hiện tượng Doppler có đặc tính đồng nhất trên toàn bộ các sóng mang phụ.
Dịch tần số trong hệ thống MC-CDMA gây ra 2 ảnh hưởng nghiêm trọng:
Thứ nhất, nó làm suy giảm biên độ của tín hiệu mong muốn
Thứ hai, nó làm mất tính trực giao giữa các sóng mang phụ, điều này dẫn đến nhiễu liên sóng mang ICI Để đơn giản cho việc ký hiệu và phân tích, phần chứng minh sau chỉ tập trung vào một trong các trường hợp điển hình, nhằm làm rõ cách ICI phát sinh và ảnh hưởng của nó đối với hiệu suất hệ thống.
P ký tự mà mỗi người dùng phát đi bằng cách cho P=1 Khi đó, N=KMC và T ’ s=Tb (tốc độ bit của dữ liệu)
Xét tuyến xuống của hệ thống MC-CDMA có K người dùng đang hoạt động Đặc điểm kênh xuống ở đây là tất cả người dùng sẽ trải qua một đặc tính kênh truyền chung: fading Rayleigh phẳng, nghĩa là kênh có tính chọn lọc tần số trên toàn bộ băng thông tín hiệu phát nhưng không có tính chọn lọc trên từng sóng mang phụ Các người dùng này đồng bộ với nhau.
Trong hệ thống truyền dẫn, tín hiệu cao tần s(t) phát từ trạm gốc cho ký tự thứ i là tổng của K tín hiệu băng gốc của các người dùng, mỗi tín hiệu của người dùng có dạng như phương trình (3.1) và được đổi tần lên Dạng phức của tín hiệu s(t) thể hiện sự ghép nối các thành phần phức từ các người dùng, cho thấy tín hiệu tổng hợp từ nhiều nguồn truyền tại các tần số khác nhau.
(3.21) trong đó: fm=fc+m/Tb và p(t)= ps(t) cho bởi công thức (3.5); f c : sóng mang cao tần
Khi hệ thống thỏa điều kiện (3.11), mỗi sóng mang phụ của tất cả người dùng sẽ trải qua kênh truyền có đáp ứng xung dạng (3.14) Tín hiệu nhận được tại thuê bao di động r(t) của ký tự thứ i có dạng được mô tả bởi sự biến đổi của tín hiệu gốc do kênh và nhiễu, cho thấy ảnh hưởng của kênh đến tín hiệu và là cơ sở để tiến hành giải mã ký tự tương ứng.
Phương trình (3.22) thực chất là phương trình (3.7) được viết lại cho ký tự thứ i bằng cách thay P=1 và h k m m e j m
Sau khi giải điều chế cho cả sóng mang và sóng mang phụ, tín hiệu trên mỗi nhánh được kết hợp lại theo sóng mang phụ, từ đó hình thành biến quyết định cho bit dữ liệu thứ i của người dùng thứ 0 Quá trình này cho phép suy ra trạng thái của bit dựa trên sự ghép tín hiệu sau giải điều chế và đảm bảo nhận diện đúng bit dữ liệu, từ đó tối ưu hóa hiệu suất truyền thông của hệ thống có nhiều nhánh mang.
Trong đó: n ,f n là ước lượng pha của tần số sóng mang phụ thứ n; f n =f ’ n =n/T b với f ’ n là ước lượng tần số sóng mang
Xét biểu thức: (fn-fm)Tb= [(f ’ c+n/Tb) -(fc+m/Tb)]Tb (3.25)
Gọi là dịch tần số chuẩn hoá: tieáp lieân mang sóng hai giữa cách khoảng sự thực mang sóng soá offsettaàn
Thì (3.25) được viết lại như sau:
Sử dụng (3.27), ta có thể viết lại biểu thức: e j ( m n ) sin(f n f m )T b e j ( m n ) sin (3.28)
Thế (3.27) và (3.28) vào (3.24) ta có thu được:
S là tín hiệu mong muốn
MAI là nhiễu đa truy cập
ICI1 là nhiễu liên sóng mang do các chip trong cùng mã trải phổ của người dùng thứ 0
ICI2 là nhiễu liên sóng mang do các chip trong cùng mã trải phổ của người dùng thứ 0 và của K-1 người dùng khác
AWGN là nhiễu Gauss trắng cộng
Các số hạng trong biểu thức (3.30) được xác định như sau:
Các tín hiệu mong muốn S:
Từ (3.30) cho k=0 và n=m, ta có:
Nhiễu đa truy cập MAI:
Với k0 và n=m, biểu thức (3.30) được rút gọn thành:
Nhiễu liên sóng mang do các chip trong cùng mã trải phổ của người dùng thứ 0
ICI1 được tìm bằng cách thay thế k=0 và mn vào (3.29):
Nhiễu liên sóng mang do các chip trong mã trải phổ của người dùng thứ 0 và của K-1 người dùng khác Nhiễu này được rút ra từ (3.30) với k0 và mn:
Dựa trên các phương trình từ phương trình (3.31) đến (3.35), ta rút ra nhận xét sau:
Tín hiệu mong muốn bị suy hao bởi một hệ số là hàm theo
Nhiễu đa truy cập cũng bị giảm đi theo
ICI1 và ICI2 không xuất hiện khi =0 Các nhiễu này được xem là nhiễu cộng thêm vào nhiễu đa truy cập
Theo phương trình (3.32), nhiễu đa truy cập trung bình đối với mỗi sóng mang phụ chỉ phụ thuộc vào tỷ số K/N Do đó, đối với hai hệ thống có cùng tỷ số K/N, nhiễu trên mỗi sóng mang phụ sẽ có mức độ tương đương, cho phép so sánh hiệu suất và tối ưu hóa hệ thống dựa trên K/N như một chỉ số quyết định.
MAI nhiễu trung bình đối với mỗi sóng mang là bằng nhau giữa các hệ thống, nhưng nhiễu ICI lại phụ thuộc theo số sóng mang phụ và số người dùng K Vì vậy, nếu tổng số sóng mang phụ của hai hệ thống khác nhau thì ICI của mỗi hệ thống sẽ khác nhau ngay cả khi tỷ lệ K/N giống nhau Tóm lại, nhiễu ICI không chỉ bị ảnh hưởng bởi mật độ người dùng mà còn bởi quy mô số sóng mang; do đó, để so sánh hai hệ thống một cách chính xác, cần xem xét cả N lẫn K khi đánh giá ICI.
MC-CDMA nào có nhiều sóng mang phụ hơn do dịch tấn số của sóng mang phụ ngay cả các hệ thống có cùng K/N.
Giới hạn BER của hệ thống MC-CDMA
Giả sử bit phát là của người dùng thứ 0 là “-1” thì tỷ lệ lỗi BER là xác suất mà
D(i) lớn hơn 0 hoặc tương đương với xác suất mà -S nhỏ hơn MAI+ICI1+ICI2+AWGN, nghĩa là:
BER = p( -S< MAI+ICI1+ICI2+AWGN) (3.36)
Giả sử tất cả các số hạng MAI, ICI1, ICI2 và AWGN trong biểu thức (3.29) có phân bố xấp xỉ Gauss, BER đối với hệ thống sử dụng MRC có thể được biểu diễn bằng một công thức đóng dựa trên SNR hiệu dụng γ_eff Công thức này được xác định bởi phân phối chuẩn của biến quyết định sau khi ghép MRC và có thể thể hiện bằng hàm Q hoặc bằng tích phân của phân phối chuẩn; nó cho thấy BER giảm khi γ_eff tăng và phụ thuộc vào mức độ MAI, ICI và AWGN Đây là khuôn khổ để đánh giá hiệu suất của hệ thống MRC khi nhiễu và nhiễu do can nhiễu xấp xỉ Gaussian.
Trong đó: erfc(.) là hàm sai số bổ phụ
Với Eb là năng lượng của một bit tin và được định nghĩa như sau:
Với E( 2 m ) là toán tử kỳ vọng
Ngoài định nghĩa Eb/N0, một thông số khác cũng rất thường gặp trong việc đánh giá chất lượng của hệ thống là tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR:
Với 2 là công suất nhiễu của biến ngẫu nhiên Gauss trên mỗi nhánh của bộ tách sóng
Như đã biết, BER tối thiểu có thể đạt được với hệ thống đơn người dùng và sử dụng phương pháp MRC Do đó, giới hạn BER của hệ thống MC-CDMA là giá trị tối ưu mà hệ thống có thể đạt được khi tận dụng hiệu quả ghép nhận từ MRC, phụ thuộc vào mức SNR và đặc tính của kênh Giới hạn này được xem như biên trên của BER tại mỗi mức SNR, cho thấy MC-CDMA với MRC có tiềm năng cải thiện hiệu suất so với các cấu hình khác cùng điều kiện.
Biểu thức (3.41) thực ra là biểu thức (3.37) với một số thay đổi nhỏ 0,
Công nghệ MC-CDMA được chia thành 2 nhóm:
Trong MC-DS-CDMA và MT-CDMA, trải phổ trong miền thời gian bắt đầu từ việc chuyển chuỗi tín hiệu từ nối tiếp sang song song và trải phổ bằng mã trải phổ, sau đó các chip của cùng một ký tự được điều chế trên một sóng mang Để phân biệt MC-DS-CDMA và MT-CDMA, người ta dựa vào khoảng cách giữa các sóng mang phụ; với ký hiệu Tb là chu kỳ bit dữ liệu và Tc là chu kỳ chip, khoảng cách giữa các sóng mang phụ trong hệ MC-DS-CDMA bằng 1/Tc, còn trong hệ MT-CDMA là 1/Tb.
Khoảng cách giữa các sóng mang phụ Δf và băng thông hệ thống B được tính theo công thức sau: s s F
Trong hệ thống truyền dữ liệu OFDM, Rs là tốc độ tín hiệu ban đầu, cho biết lưu lượng dữ liệu tối ưu trên kênh Nc là hệ số của bộ chuyển đổi S/P (Serial-to-Parallel), đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi dữ liệu từ chuỗi thành các tín hiệu song song trước khi xử lý modulation Ns là chiều dài của mã trải phổ, quyết định độ mở rộng và phân bổ tín hiệu trên phổ tần số NF là chiều dài của bộ chuyển đổi IFFT, ảnh hưởng đến số tín hiệu con và cấu trúc phổ của hệ thống Np là chiều dài của CP (cyclic prefix), giúp giảm sự can nhiễu giữa các symbol và tăng khả năng chịu biến động kênh.
Trải phổ trong miền tần số của MC-CDMA được thực hiện qua hai bước: chuỗi tín hiệu ban đầu được trải phổ bằng mã trải phổ, sau đó mỗi chip của cùng một ký tự được điều chế trên các sóng mang khác nhau Trải phổ ở miền tần số cho phép MC-CDMA không bị giới hạn bởi khoảng tần số yêu cầu trực giao giữa các kênh mang, từ đó tận dụng tối đa băng thông có sẵn Vì vậy, ở đường xuống, MC-CDMA thể hiện ưu điểm hơn MC-DS-CDMA.
Khoảng cách giữa các sóng mang phụ Δf và băng thông hệ thống B được tính theo công thức sau: s s F
So sánh Δf và B của 2 hệ thống, ta nhận thấy:
B bằng nhau, phụ thuộc vào chiều dài mã trải phổ và tốc độ dữ liệu ban đầu
Δf có sự khác biệt giữa các hệ thống: với MC-CDMA Δf bằng với tốc độ dữ liệu ban đầu, còn với MC-DS-CDMA Δf phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu đầu vào, hệ số của bộ S/P và chiều dài mã trải phổ.
Các sơ đồ MC-CDMA :
Hệ thống DS-CDMA đa sóng mang trải phổ luồng dữ liệu đã được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song trong miền thời gian và được thực hiện bằng mã trải phổ CDMA Quá trình này giúp tối ưu hóa khả năng chia sẻ băng thông, tăng hiệu quả truyền dữ liệu và cải thiện hiệu suất hệ thống trong môi trường đa truy cập Việc chuyển đổi từ nối tiếp sang song song này cho phép xử lý nhanh hơn các luồng dữ liệu và đồng thời tận dụng mã trải phổ CDMA để phân tách người dùng một cách hiệu quả.
Kết quả dữ liệu trên các sóng mang trực giao nhau với sự tách biệt nhỏ nhất
Hình 3.6 Bộ phát MC-DS-CDMA, Hình 3.7 Mã trải phổ trong MC-DS-CDMA
Hình 3.8 Phổ công suất của tín hiệu phát
Trong hệ thống phát MC-DS-CDMA, tín hiệu của người dùng thứ j được minh họa trong hình 3.6 Nc đại diện cho số sóng mang phụ hiện diện trong hệ thống, và mã trải phổ cho người dùng thứ j được ký hiệu là G_j Quá trình trải phổ trên các sóng mang phụ cho mỗi người dùng đảm bảo phân chia tài nguyên, tăng khả năng chống nhiễu và tối ưu hóa khả năng phục vụ nhiều người dùng đồng thời trong hệ thống MC-DS-CDMA.
C ( ) 1 2 trong hình 3.7.2 Phổ công suất của tín hiệu trải phổ được minh họa trong hình 3.8
Các luồng dữ liệu được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song và được trải phổ bằng chuỗi mã trải phổ CDMA trong miền thời gian Trước khi trải phổ, phổ của mỗi sóng mang phụ phải thỏa mãn điều kiện trực giao với sự tách biệt tần số tối thiểu nhằm đảm bảo khả năng phân tách tín hiệu mang phụ sau trải phổ và tối ưu hóa hiệu quả truyền tải trong hệ thống CDMA.
Do đó phổ của mỗi sóng mang phụ không còn thỏa mãn điều kiện trực giao nữa Sơ đồ
MT-CDMA sử dụng các mã trải phổ dài hơn tỷ lệ với số sóng mang phụ so với sơ đồ
DS-CDMA (đơn sóng mang) thông thường cho phép đáp ứng nhiều người dùng nhờ kỹ thuật trải phổ Mã trải phổ cho hệ thống MT-CDMA được minh họa trong hình 3.9.
Hình 3.9 Mã trải phổ cho hệ thống MT-CDMA
Các kỹ thuật tách sóng
Các kỹ thuật tách dữ liệu có thể được phân thành hai nhóm chính: kỹ thuật tách sóng đơn (Single User Detection - SUD) và kỹ thuật tách sóng đa người dùng (Multi User Detection - MUD) Kỹ thuật SUD tập trung vào nhận diện và tách tín hiệu của một người dùng duy nhất từ các nguồn nhiễu hoặc tín hiệu chồng lên nhau, phù hợp với các hệ thống có nguồn phát tín hiệu nổi bật và môi trường kênh ổn định Trong khi đó, kỹ thuật MUD được thiết kế để xử lý và tách đồng thời nhiều tín hiệu từ nhiều người dùng trong cùng một kênh, tối ưu hoá hiệu suất truyền thông và tăng khả năng khôi phục dữ liệu khi nhiễu chồng chéo cao Các phương pháp tách này thường dựa trên các nguyên lý như phân tích phổ, lọc tối ưu, kỹ thuật tối ưu hóa và cả các công cụ học máy để nâng cao độ chính xác và tốc độ nhận diện, đồng thời tối ưu hoá việc sử dụng phổ và băng thông Việc lựa chọn giữa SUD và MUD phụ thuộc vào yêu cầu của hệ thống, số lượng người dùng và điều kiện kênh truyền, từ đó hình thành chiến lược triển khai hiệu quả cho mạng không dây, hệ thống viễn thông và các ứng dụng đo lường dữ liệu phức tạp. -**Support Pollinations.AI:**🌸 **Quảng cáo** 🌸 Khám phá [Pollinations.AI](https://pollinations.ai/redirect/kofi) để tối ưu hóa dữ liệu với AI miễn phí, lý tưởng cho các kỹ thuật SUD/MUD trong bài viết của bạn!
Trong kĩ thuật tách sóng đơn cho một người dùng (single-user detection), thông tin về xuyên nhiễu đa truy nhập (MAI) thường không được xem xét nhằm tối ưu hóa quá trình giải mã cho người dùng riêng lẻ dựa trên đặc trưng tín hiệu mục tiêu và nhiễu nền Tuy nhiên, với các hệ thống vô tuyến di động hiện đại sử dụng kiến trúc đa truy cập như MC-CDMA, MAI có ảnh hưởng đáng kể tới hiệu suất liên lạc và đòi hỏi các kỹ thuật tách sóng đa người dùng để cải thiện dung lượng mạng, độ tin cậy liên kết và chất lượng dịch vụ Do đó, việc cân nhắc và khắc phục MAI là yếu tố then chốt trong thiết kế hệ thống vô tuyến di động nhằm tối ưu hóa hiệu suất toàn mạng và trải nghiệm người dùng.
Trong CDMA, kỹ thuật SUD được triển khai bằng cách dùng một bộ cân bằng tap để bù đắp méo dạng do fading phẳng trên mỗi kênh phụ, tiếp đó là quá trình giải trải phổ riêng biệt cho người dùng Ngược lại, trong MUD, thông tin về nhiễu đa truy nhập được quan tâm nhiều hơn, từ đó các kỹ thuật tách sóng đa người dùng trở nên phù hợp với kênh truyền thực tế Tuy nhiên, MUD phức tạp hơn nhiều so với SUD và đòi hỏi phải biết trước các mã trải phổ của những người dùng tích cực khác Có thể phân tích và lựa chọn phương án phù hợp với đặc thù của hệ thống để tối ưu hóa hiệu suất.
MUD ra làm hai loại là loại tách kết hợp và loại triệt giao thoa
3.9.1 Kỹ thuật tách sóng đơn user
Ảnh trên trình bày sơ đồ khối của bộ tách sóng đơn dành cho một người dùng, có nhiệm vụ phát hiện các ký hiệu từ người dùng thứ k Sau khi thực hiện biến đổi ngược OFDM, tín hiệu được thu thập sẽ được đưa vào bộ cân bằng thích nghi một tap Bộ cân bằng này cân bằng các méo dạng về pha và biên độ do kênh truyền vô tuyến gây ra, từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu và độ chính xác khi nhận ký hiệu từ user thứ k.
Chuỗi thu ở ngõ ra bộ cân bằng có dạng:[8]
Bao gồm L hệ số phức của bộ cân bằng áp dụng cho sóng mang phụ của user tương ứng
Ở ngõ ra của bộ cân bằng, chuỗi phức u được giải trải phổ bằng cách thực hiện tương quan giữa nó và liên hợp phức của mã trải phổ tương ứng Quá trình này tối ưu hóa việc tách tín hiệu mong muốn khỏi nhiễu và nhiễu nền, nhờ đó tái tạo đặc trưng phổ của tín hiệu truyền thông Việc so sánh với liên hợp phức của mã trải phổ tương ứng là bước then chốt để thực hiện giải trải phổ một cách hiệu quả và cải thiện hiệu suất hệ thống.
Giá trị quyết định “cứng” của ký hiệu phát được xác định sau bộ lượng tử, trong đó Q{.} là phép lượng tử tương ứng với tập ký hiệu dữ liệu được chọn Việc chọn tập ký hiệu dữ liệu ảnh hưởng trực tiếp tới cách mã hóa và giải mã tín hiệu, từ đó quyết định độ tin cậy và hiệu suất truyền thông lượng tử.
Các mô hình khác nhau của bộ phát hiện SD được phân biệt dựa trên ma trận cân bằng của hệ thống Việc lựa chọn các hệ số cho ma trận G ảnh hưởng trực tiếp đến đặc trưng và hiệu suất nhận diện của bộ phát hiện Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao (ORC) được xem là một cách tiếp cận để tối ưu hóa cấu hình ma trận G và nâng cao độ nhạy cũng như độ đặc hiệu của hệ thống Các phương pháp lựa chọn ma trận G khác nhau có thể so sánh dựa trên các tiêu chí như hiệu suất, tính ổn định và khả năng thích nghi với các mô hình dữ liệu khác nhau.
Phương pháp ORC khôi phục tính trực giao của các user Các trọng số của bộ cân bằng ORC được chọn như sau:
Trong đó Hl,l là hệ số tương úng của ma trận đặc trưng của kênh truyền
Phương pháp ORC chỉ nên áp dụng cho tuyến xuống của hệ thống MC-CDMA, bởi trên tuyến lên (từ Mobile Station tới Base Station) tín hiệu từ các người dùng đến trạm gốc có độ trễ khác nhau và đáp ứng kênh truyền của mỗi người dùng cũng khác nhau nên dù các mã trải phổ có trực giao tuyệt đối thì ORC vẫn không thể khôi phục được tính trực giao cho các mã Để khắc phục hạn chế này, phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao được cải tiến (TORC) được đề xuất nhằm tối ưu hóa hiệu quả khôi phục tính trực giao và nâng cao hiệu suất truyền tải ở uplink MC-CDMA.
Phương pháp này khắc phục nhược điểm của ORC bằng cách loại bỏ ảnh hưởng của nhiễu kèm theo sóng mang phụ có biên độ yếu trên mỗi nhánh, nhiễu này thường bị khuếch đại mạnh như trong phương pháp ORC Phương pháp này loại bỏ tất cả các sóng mang phụ có biên độ thấp hơn một ngưỡng đã xác định, từ đó biến quyết định thành dựa trên những sóng mang phụ có biên độ vượt ngưỡng Các trọng số của bộ cân bằng TORC được chọn như sau:
Trong đó u(·) là hàm bước đơn vị được dùng làm ngưỡng tách sóng Với mỗi tỉ số SNR cho trước, sẽ tồn tại một ngưỡng tối ưu để BER đạt mức nhỏ nhất c) Phương pháp kết hợp tỷ lệ cực đại (MRC – Maximum Ratio Combining) là một kỹ thuật ghép tín hiệu từ nhiều nhánh với trọng số tỷ lệ công suất nhằm tối ưu hóa BER và tăng hiệu suất nhận được.
Trong bộ cân bằng MRC, các trọng số gán cho từng kênh phụ chính bằng liên hợp phức của hệ số tương ứng trong ma trận đặc trưng của kênh truyền Việc sử dụng trọng số là liên hợp phức giúp tối ưu hoá khả năng ghép tín hiệu từ nhiều nhánh, tăng SNR và cải thiện hiệu suất truyền dữ liệu Mô hình này dựa trên đặc tính của kênh để điều chỉnh pha và biên độ của tín hiệu ghép, đảm bảo sự khớp pha giữa các thành phần tín hiệu từ kênh chính và các nhánh phụ.
Bộ phát hiện MRC trong hệ thống MC-CDMA ở tuyến xuống có nhược điểm là phá vỡ tính trực giao của các mã trải phổ, từ đó làm tăng nhiễu đa truy nhập MAI Ngược lại, ở tuyến lên MRC là kỹ thuật tách sóng đơn user thích hợp nhất do các mã trải phổ không chồng lên nhau theo kiểu trực giao tại máy thu và việc tối ưu hóa tỷ số SNI (Signal-to-Interference) là tối ưu d) Phương pháp kết hợp độ lợi cân bằng (EGC – Equal Gain Combining) được xem xét như một giải pháp cân bằng giữa hiệu suất và phức tạp trong MC-CDMA.
Bộ phát hiện EGC chỉ bù lại những sự xoay pha do kênh truyền gây ra, đây là kỹ thuật tách sóng cho người dùng đơn giản nhất vì nó chỉ cần thông tin về pha của kênh truyền Các hệ số của bộ cân bằng EGC được dùng để điều chỉnh pha và tối ưu hóa tín hiệu nhận được, giúp giảm lệch pha và cải thiện chất lượng đường truyền trong môi trường kênh có biến thiên pha.
Khi điều kiện môi trường tốt, ảnh hưởng fading là nhỏ hơn nhiễu Gauss thì
EGC là một phương pháp tốt vì nó có tác dụng làm giảm nhiễu Gauss bằng cách ghép tín hiệu theo cách lấy trung bình nhiễu mà vẫn không ảnh hưởng đến độ lợi kết hợp của kênh Tuy nhiên, đối với kênh truyền fading mạnh, EGC không thể triệt để loại bỏ nhiễu MAI Tiếp theo là phương pháp cưỡng bức Zero (Zero Forcing – ZF), một kỹ thuật xử lý nhiễu khác nhằm loại bỏ MAI bằng cách nghịch ma trận kênh để ức chế nhiễu chồng lên.
Bộ cân bằng thực hiện đảo ngược đặc tính kênh truyền và đồng thời loại bỏ nhiễu MAI bằng cách khôi phục tính trực giao giữa các dữ liệu trải phổ trên tuyến truyền, thông qua các hệ số cân bằng tối ưu như thể hiện trong phương pháp cân bằng sai số bình phương trung bình cực tiểu (MMSE).
Ưu điểm của kỷ thuật MC-CDMA
Các ưu điểm của kỷ thuật MC-CDMA:
Hiệu quả sử dụng băng tần tốt
Phân tập tần số hiệu quả
Có khả năng chống lại ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số
Để giải quyết vấn đề nhiễu liên kí tự ISI gặp phải ở hệ thống có tốc độ dữ liệu cao trên các kênh đa đường, ta sẽ chia băng thông tín hiệu thành nhiều băng con có tốc độ thấp Các băng con này được thiết kế trực giao với nhau, giúp giảm sự chồng lấn giữa các tín hiệu và hạn chế nhiễu ISI Việc phân chia băng thông thành các băng con trực giao cho phép xử lý và tái tạo tín hiệu tại đầu thu dễ dàng hơn, từ đó nâng cao hiệu suất truyền dữ liệu trong môi trường kênh đa đường Cách tiếp cận này thích hợp với các kỹ thuật điều chế và giải mã hiện đại, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng băng thông và tăng tính tin cậy của hệ thống Nhờ đó, hệ thống có thể duy trì đường truyền ổn định và hiệu quả ngay cả khi chịu tác động của nhiều đường truyền khác nhau.
Việc truyền và nhận tín hiệu trở nên dễ dàng hơn khi sử dụng thiết bị chuyển đổi FFT, đồng thời không làm tăng độ phức tạp của máy phát và máy thu Thiết bị FFT cho phép phân tích và xử lý tín hiệu một cách nhanh chóng và hiệu quả, giúp hệ thống duy trì đơn giản trong thiết kế Nhờ đó, quá trình truyền tin được tối ưu hóa mà vẫn đảm bảo khả năng vận hành ổn định của cả đầu phát và đầu thu.
Nhược điểm của hệ thống MC-CDMA
Tuy nhiên, MC-CDMA cũng tồn tại những nhược điểm của CDMA và OFDM:
Khi xét hệ thống MC-CDMA, loại nhiễu đáng quan tâm nhất là nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference)
Tỷ số đường bao công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) ở mức cao làm giảm hiệu quả của bộ khuếch đại công suất, làm tăng tổn thất công suất và khiến hiệu suất tổng thể của hệ thống không cao Việc tối ưu PAPR giúp hạn chế sự biến động công suất, nâng cao hiệu quả của bộ khuếch đại và cải thiện hiệu suất hệ thống phát, đồng thời giảm tiêu thụ năng lượng và nhiệt sinh ra do hoạt động ở công suất đỉnh.
Nhạy với dịch tần số sóng mang
Kết luận chương
MC-CDMA là một hệ thống đa sóng mang, kết hợp công nghệ OFDM và đa truy nhập CDMA để tối ưu hóa việc chia sẻ phổ và kháng nhiễu kênh Nó kế thừa ưu điểm nổi bật của OFDM như phân tách tín hiệu trên nhiều nhánh tần số và khả năng chống tác động của kênh, đồng thời tận dụng lợi thế của CDMA ở tính linh hoạt trong cấp phát tài nguyên và khả năng chống nhiễu xuyên kênh Tuy nhiên, MC-CDMA cũng mang theo những khuyết điểm của cả hai công nghệ này, bao gồm độ phức tạp thiết kế và yêu cầu đồng bộ hóa cao từ OFDM cùng chi phí và tiêu thụ năng lượng liên quan đến CDMA Với sự kết hợp này, MC-CDMA hứa hẹn hiệu suất truyền dẫn tốt và khả năng mở rộng cho các hệ thống di động hiện đại.
CDMA là một trong những công nghệ đa truy nhập chủ yếu của thông tin di động
Trong chương 4, điều khiển công suất là yếu tố then chốt và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất cũng như tính ổn định của hệ thống Chúng ta sẽ tìm hiểu một số kỹ thuật điều khiển công suất được ứng dụng phổ biến trong các hệ thống hiện đại, từ các phương pháp điều khiển cổ điển đến các giải pháp điều khiển tối ưu bằng số, nhằm tối ưu hóa hiệu suất, giảm tổn thất và đảm bảo an toàn vận hành Bài viết trình bày nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm và các tiêu chí đánh giá của từng kỹ thuật, đồng thời nêu ví dụ ứng dụng thực tiễn trong các hệ thống công suất và truyền thông Việc nắm vững các kỹ thuật này giúp người đọc thiết kế và vận hành hệ thống một cách hiệu quả, nâng cao hiệu suất tổng thể, độ tin cậy và đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất và tiết kiệm năng lượng.