kl nguyen anh duc 610276d

Hơn nữa, so với hai phương pháp đa truy cập truyền thống là phân chia theo tần số FDMA và phân chia theo thời gian TDMA thì phương pháp truy cập phân chia theo mã CDMA có những đặc điểm

Mục lục

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3

LỜI NÓI ĐẦU 6

Chương 1 9

Giới thiệu chung 9

1.1 Hệ thống thông tin di động: 9

1.2 Kênh truyền vô tuyến: 11

1.2.1 Suy hao đường truyền 12

1.2.2 Hiện tượng vật che chắn 14

1.2.3 Hiện tượng Doopler 15

1.2.4 Truyền dẫn phân tập đa đường 16

1.2.5 Quan hệ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu: 16

1.2.6 Mô hình kênh truyền vô tuyến 17

1.2.7 Các mô hình kênh truyền phân tán theo thời gian 19

Chương 2 23

Đa truy cập phân chia theo mã CDMA 23

2.1 Giới thiệu về CDMA 23

2.2 Nguyên lý thông tin trải phổ 23

2.2.1 Kỹ thuật trải phổ trực tiếp (DS-CDMA) 24

2.2.2 Kỹ thuật đa truy nhập trải phổ nhảy tần (FH-CDMA) 26

2.2.3 Kỹ thuật đa truy nhập trải phổ nhảy thời gian (TH-CDMA) 27

2.3 Các chuỗi trải phổ thông dụng 28

2.3.2 Chuỗi mã Gold 29

2.3.3 Chuỗi mã Kasami 30

2.3.4 Mã Walsh-Hadamard 31

2.3.5 Mã trực giao hệ số trải rộng thay đổi 32

Kĩ thuật điều chế OFDM 34

3.1 Giới thiệu về OFDM: 34

3.1.1 Nguyên lí cơ bản của OFDM: 34

3.1.2 Các ưu nhược điểm: 35

3.2 Lý thuyết điều chế OFDM 36

3.2.1 Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu: 36

3.2.2 Bộ điều chế OFDM: 36

3.2.3 Bộ giải điều chế OFDM 41

3.3 Khôi phục kênh truyền và cân bằng tín hiệu 44

3.3.1 Tổng quan về OFDM 44

3.3.2 Nguyên tắc chèn mẫu tin dẫn đường ở miền tần số và miền thời gian 45

3.3.3 Khôi phục kênh truyền 46

3.3.4 Cân bằng kênh: 47

Kết hợp OFDM và CDMA 48

4.1 Giới thiệu 48

4.2 MC-CDMA ( Multicarrier CDMA) 48

4.2.1 Cấu trúc tín hiệu 48

4.2.2 Các kỹ thuật tách sóng: 52

4.3 MC-DS-CDMA (Multicarrier DS-CDMA) 64

4.3.1 Cấu trúc tín hiệu 64

4.3.2 Các kỹ thuật tách sóng: 68

Chương 5 70

MÔ PHỎNG 70

5.1 Đặc tính tương quan của các chuỗi mã 70

5.1.1 Chuỗi mã Gold 70

5.1.2 Chuỗi mã Kasami 71

5.1.3 Chuỗi mã Hadamard 72

5.1.4 Chuỗi mã giả ngẩu nhiên PN 74

5.1.4 Mô phỏng kênh truyền Rayleigh 74

5.1.5 Khảo sát BER theo E b /N 0 cho hệ thống DS-CDMA ứng với số user khác nhau ( trong môi trường nhiều Gausian) 76

5.1.6 BER theo E b /N 0 cho hệ thống MC-CDMA tuyến xuống với các phương pháp dò tìm đơn user khác nhau 76

5.1.7 BER theo số user cho hệ thống MC-CDMA tuyến xuống với các phưong phap dò tìm đơn user khác nhau 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

HSPDA High Speed Downlink Packet Access

MTC-MC-CDMA Multicode-Multicarrier-Code Division Multi Access

OVSF Orthogonal Variable Spreading Factor

LỜI NÓI ĐẦU

Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đỗi thông tin là một nhu cầu thiết yếu Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi lúc mọi nơi và truy cập đa phương tiện Nhu cầu ngày càng lớn thể hiện qua số lượng khách hang sử dụng thông tin di động ngày càng tăng Để đáp ứng lại, các mạng thông tin di động được mở rộng nhanh chóng và ngày càng nâng cao chất lượng dịch vụ Chính vì vậy, cần phải có biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động hiện có Hệ thống CDMA ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hổ trợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đó Hơn nữa, so với hai phương pháp đa truy cập truyền thống là phân chia theo tần số FDMA và phân chia theo thời gian TDMA thì phương pháp truy cập phân chia theo mã CDMA có những đặc điểm nỗi trội hơn là: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hổ trợ truyền dữ liệu với nhiều tốc độ khác nhau… Trong tương lai, nhu cầu về dịch vụ truyền dữ liệu ngày càng tăng; mạng thông tin di động không những đáp ứng nhu cầu mang tính di động (mobile) ngoài khả năng đàm thoại (voice) hiện có mà còn có thể có các dịch vụ đa dạng khác như truyền

dữ liệu (data) tốc độ cao hay là các hình ảnh và video như truy cập internet, giải trí trực tuyến…

Những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến cũng như hữu tuyến Một vấn đề gặp phải trong hệ thống thông tin di động là trải trễ của tín hiệu và nhiễu ISI gây ra bởi kênh truyền fading đa đường và biện pháp khắc phục cũng

chính là ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền chọn lọc tần số Biến chuỗi dữ liệu nối tiếp có tốc độ cao thành nhiều chuỗi con song song có tốc độ thấp hơn, mỗi chuỗi con này sẽ được điều chế trên một sóng mang phụ Vì tốc độ ký hiệu trên mỗi ký hiệu nhỏ hơn nhiều so với tốc

độ ký hiệu của chuỗi ban đầu nên các hiệu ứng trải trễ và nhiễu ISI đều được giảm bớt Nó cho phép tiết kiệm băng thông và đây là hệ thống ít phức tạp do việc điều chế và giải điều chế đa sóng mang bằng giải thuật IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) và FFT (Fast Fourier Transform)

sự kết hợp của CDMA và OFDM MC-CDMA kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM như: tốc độ truyền cao, tính bền vững với fading chọn lọc tần

số, sử dụng băng thông hiệu quả, tính bảo mật cao và giảm được độ phức tạp của

hệ thống Chính vì vậy, MC-CDMA xứng đáng là một ứng cử viên cho thế hệ kế tiếp trong tương lai gần

từng chương như sau:

 Chương 1 : Trình bày những khái niệm tổng quan về: Các kỹ thuật đa truy cập ; Lịch sử phát triển và cấu trúc hệ thống thông tin di động ; Kênh truyền vô tuyến và các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

 Chương 2 : Trình bày kỹ thuật trãi phổ và phương pháp truy cập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multi Access)

 Chương 3 : Trình bày kỹ thuật OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

 Chương 4 : Sự kết hợp OFDM và CDMA, MC-CDMA (Multi Carrier – CDMA )

 Chương 5 : Trình bày kết quả mô phỏng hệ thống MC-CDMA

- Trong quá trình thực tập, nghiên cứu luận văn, em đã thu thập được nhiều kinh nghiệm và kiến thức bổ ích dưới sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn Tuy nhiên, do thời gian có hạn nên sự chuẩn bị về mặt kiến thức cũng như tài liệu còn nhiều hạn chế và thiếu sót Vì vậy, rất mong sự tham khảo, giúp sức

và đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn để đề tài được mang tính xây dựng mở rộng ngày càng hoàn thiện thêm vể mặt chất lượng và mở rộng về hướng phát triển

Chương 1 Giới thiệu chung

1.1 Hệ thống thông tin di động:

Hệ thống thông tin di động ngày nay hầu như không còn xa lạ nhất là đối với một nước có tốc độ phát triển hệ thống thông tin di động vào loại nhanh nhất thế giới như nước ta Để có diện mạo như ngày nay hệ thống thông tin di động đã trải qua những bước phát triển cực kì mạnh mẽ Mạng điện thoại vô tuyến đầu tiên ra đời từ những năm 1946 nhưng đến năm 1980 thì hệ thống thông tin di động đầu tiên (1G) mới ra đời dựa trên kĩ thuật analog.Đến thập niên 1990, thì hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) đã được phát triển dựa trên nền kĩ thuật số và áp dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian Hệ thống thế hệ 2G này bao gồm 3 hệ thống ở 3 nơi, đó là hệ thống Global Systems for Mobile Communications (GSM) ở châu Âu, hệ thống Personal Digital Cellular (PDC) ở Nhật Bản và hệ thống cdmaONE- Interim Standard (IS-95) thuộc vùng Bắc Mỹ Hệ thống 2G này chỉ được dùng cho các dịch vụ thoại và dữ liệu băng hẹp

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) lần đầu tiên được giới thiệu ở Nhật Bản vào tháng 10 năm 2001 Hệ thống này cũng dựa trên công nghệ

số nhưng có khả năng tích hợp các dịch vụ thoại, dữ liệu và multimedia và

sử dụng cả chuyển mạch mạch lẫn chuyển mạch gói

Hình vẽ 1.1 sau mô tả các hệ thống thông ti di động hiện tại và xu thế phát triển của chúng trong tương lai

Hình 1.1 Hệ thống thông tin di động trong hiện tại và tương lai

Trên hình vẽ, ta thấy hệ thống IMT-2000 (International Mobile Communications), tương ứng với thế hệ 3G có khả năng truyền dữ liệu với tốc

độ tối thiểu là 144Kbps trên các phương tiện di chuyển thông thường (ví dụ ô tô) hoặc có thể đạt tới tốc độ tối thiểu 2Mbps đối với thông tin trong phạm vi một toà nhà Ở hệ thống thế hệ 3.5G thì hệ thống HDR (High Data Rate), với khả năng hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu hướng xuống lên đến 2.4 Mbps, và hệ thống HSDPA (High-Speed Downlink Packet Access), hỗ trợ tốc độ trên 2 Mbps, đã được chuẩn hóa Trong tương lai, các hệ thống 4G sẽ có khả năng đạt tới tốc độ >100Mbps trên các phương tiện di chuyển với tốc độ cao

Trong khi các hệ thống 3G còn chưa được sử dụng rộng rãi, nhiều nghiên cứu về hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 (4G) đã được tiến hành và đạt được nhiều kết quả quan trọng Theo dự đoán, các hệ thống 4G sẽ được đưa vào

sử dụng vào năm 2010 hoặc có thể sớm hơn Các công nghệ truy nhập mới vẫn

sẽ dựa trên cơ sở những băng tần đã được cấp phát và những băng tần dự trữ cho các ứng dụng mới theo như các chuẩn đã quy định

Công nghệ chủ yếu được nghiên cứu trong các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) là các kỹ thuật đa sóng mang kết hợp với kĩ thuật đa truy nhập Trong đó sự kết hợp giữa Orthognal Frequency Devision Multiplexing (OFDM) và kĩ thuật Code Division Multiple Access (CDMA) tạo nên một kỹ thuật đa truy nhập mới cho phép tăng thêm dung lượng của hệ thống một cách đáng kể so với hệ thống CDMA trước đây mà vẫn không làm ảnh hưởng gì đến những tài nguyên đã được cấp phát Kỹ thuật này gọi là Đa truy nhập phân chia theo mã – đa sóng mang MC-CDMA (MultiCarrier Code Division Multiple Access)

Trong nội dung luận văn này chúng ta sẽ tập trung phân tích mô hình hệ thống thông tin di động MC-CDMA và đưa ra một số phương pháp cải tiến cho hệ thống này

1.2 Kênh truyền vô tuyến:

Khi nghiên cứu hệ thống thông tin, việc tạo ra mô hình kênh đóng một vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng hoạt động của hệ thống Bản chất thay đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng không thể lường trước làm cho cấu trúc bộ thu, kĩ thuật sửa lỗi ngày càng phức tạp Khi nghiên cứu các thuật toán, giải thuật để hạn chế những ảnh hưởng của kênh truyền, điều cần thiết là phải xây dựng các mô hình có thể xấp xỉ môi trường truyền dẫn một cách hợp lý

Khi truyền qua kênh vô tuyến di động, tín hiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát Ngoài nguyên nhân gây bởi nhiễu nhiệt (

được mô hình hóa bởi AWGN), còn phải xét đến những ảnh hưởng quan trọng của các đặc tính kênh truyền vô tuyến như:

- Hiện tượng đa đường (multipath)

- Hiện tượng Doppler

- Hiện tượng vật che chắn (shadowing)

- Suy hao trên đường truyền (path loss)

1.2.1 Suy hao đường truyền

Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa

là sóng được mở rộng theo hình cầu) Ngay cả khi dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế Vì thế, mật

độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích hình cầu Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách

Phương trình (1.1) tính công suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một khoảng cách R [1]:

r T R

T R

T

G G f R c G

G

R P

Nói chung truyền dẫn trong không gian tự do đơn giản, và có thể xây dựng

mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp

(không bị vật cản) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi

ngắn Tuy nhiên, cho hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di

động, mạng LAN không dây,… môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó

việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn Trường hợp tín hiệu bị phản xạ dưới

mặt đất như hình vẽ dưới đây, gọi là tín hiệu đa đường thẳng đứng, tín hiệu này

bị suy giảm nhiều trên đường truyền

Khi đó công suất thu chỉ còn:

R T R R T

R

h b P P

2 2

với hT, hR << R là độ cao anten phát và thu

Hình 1.2 Mô hình đa đường thẳng đứng

1.2.2 Hiện tượng vật che chắn

Shadowing là hiện tượng gây ra bởi sự hiện diện của các chướng ngại vật

cố định trong môi trường truyền dẫn của tín hiệu Tốc độ di chuyển của mobile không ảnh hưởng đến các đặc tính ngắn hạn (short-term) của hiện tượng shadowing Thay vào đó, địa hình xung quanh trạm phát sóng và thu sóng cũng như chiều cao của anten là các yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng shadowing Hiện tượng này được mô hình hóa như là một quá trình ngẫu nhiên thay đổi chậm theo thời gian Giả sử bỏ qua tất cả các hiện tượng làm suy yếu tín hiệu khác, tín hiệu nhận được ở phía thu sẽ là :

Trong đó s(t) là tín hiệu phát, và g(t) là quá trình ngẫu nhiên mô tả hiệu ứng shadow Với một khoảng cách quan sát cho trước, giả sử g(t) là một giá trị hằng số g, được mô hình hóa bởi một biến ngẫu nhiên phân bố log-normal có hàm mật độ cho bởi [2]:

(1.6)

Chú ý rằng lng là một biến ngẫu nhiên phân bố Gauss với trung bình μ và

mất mát công suất đo được tính bằng decibel gây ra bởi hiện tượng

shadowing Trong môi trường tế bào, σ là một hàm phụ thuộc vào địa hình và độ

cao anten, có giá trị trong khoảng từ 4 đến 12 dB

1.2.3 Hiện tượng Doopler

Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và

máy thu như trình bày ở hình 1.4 Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín

hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trung tâm một khoảng gọi là tần số

Doppler

Hình 1.3 Mô hình hiệu ứng Doppler

Giả thuyết góc tới của tuyến k so với hướng chuyển động của máy thu là kf

,

khi đó tần số Doppler tương ứng của tuyến này là [2]:

) cos(

tần số Doppler sẽ cực đại:

o k

c

v

Nếu các luồng đến có biên độ bằng nhau ở mọi hướng thì phổ của tín

hiệu tương ứng với tần số Doppler sẽ được biểu diễn như sau:

Ý nghĩa của phổ này được giải thích như sau: nếu tín hiệu được phát đi ở

ra sự phụ thuộc thời gian của kênh vô tuyến

1.2.4 Truyền dẫn phân tập đa đường

Ở mô hình truyền dẫn đa đường (multipath) tín hiệu phát có thể bị phản xạ, tán xạ hoặc khúc xạ theo nhiều hướng khác nhau rồi mới đến máy thu Do đó anten thu sẽ có sự tập hợp giũa các sóng khác nhau với các thời gian trể khác nhau, độ suy hao khác nhau và độ lệch pha khác nhau Kết quả là tín hiệu thu sẽ

có biên độ và pha thay đổi rất nhiều so với tín hiệu phát

Hình 1.4 Mô hình truyền dẫn đa đường

1.2.5 Quan hệ giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu:

· Tín hiệu phát là hàm xác định:

Khi tín hiệu thu là một hàm xác định thì tín hiệu phát khi đó là:

· Tín hiệu phát là quá trình xác suất:

Nếu tín hiệu phát là quá trình xác suất ξ(t) thì tín hiệu thu khi đó cũng sẽ là

mốt quá trình xác suất Khi đó để xây dựng mối quan hệ giữa tín hiệu phát và tín

hiệu thu người ta sử dụng hàm tự tương quan và hàm tương quan chéo của các

quá trình xác suất này

Ở miền thời gian mối quan hệ này được viết[3]:

( )

(

) ( ).

( )

j H j j

1.2.6 Mô hình kênh truyền vô tuyến

Đáp ứng của kênh truyền là một quá trình xác suất phụ thuộc vào cả thời

gian và tần số Biên độ của hàm truyền đạt của kênh tại một tần số nhất định sẽ

tuân theo các phân bố như phân bố Rayleigh, phân bố Ricean Trong phần này

chúng ta sẽ đề cập đến các loại phân bố đó

1.2.6.1 Phân bố Rayleigh

Được xác định khi tồn tại nhiều đường tán xạ độc lập thống kê và không có

tán xạ nào chiếm ưu thế hơn các tán xạ còn lại, tức là không có đường

truyền thẳng (LOS)

Hàm mật độ xác suất của biên độ và pha hàm truyền được xác định

như ở phương trình dưới đây[4]:

x

h

h h

h h

1.2.6.2 Phân bố Ricean

Xác định khi có tín hiệu truyền trực tiếp (LOS) chiếm ưu thế so với các

đường tán xạ độc lập thống kê khác

Tương tự hàm mật độ xác suất của biên độ hàm truyền được xác định như

ở phương trình dưới đây[4]:

(1.17)

Với I0 là hàm Bessel lọai 1, bậc 0 Tham số A là biên độ của thành phần chiếm ưu thế Ta thường hay dùng tỉ số K để biểu diễn tỉ số công suất giữa tín hiệu trực tiếp và đa đường

Khi K >>1, công suất tín hiệu trực tiếp rất trội hơn đa đường nên kênh truyền trở thành kênh AWGN Khi K<<1, tín hiệu trực tiếp biến mất và trở thành kênh truyền Fading Rayleigh biểu diễn theo công thức Trong môi trường

tế bào, K thường rất nhỏ hơn 1

Hình 1.5 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rice và Rayleigh

1.2.7 Các mô hình kênh truyền phân tán theo thời gian

Sự dịch chuyển tương đối của máy phát và máy thu gây ra hiệu ứng Doppler

là một nguyên nhân chủ yếu làm cho kênh truyền biến đổi theo thời gian Đáp ứng của

kênh truyền vô tuyến khi đó sẽ phụ thuộc vào thời gian Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu một số mô hình phân tán theo thời gian

Hình 1.6 Mô hình hàng trễ theo khâu Kênh truyền tán xạ không tương quan và dừng theo nghĩa rộng (WSSUS) được xây dựng từ một hàng trễ theo “khâu” (hình 1.7), trong đó: các hệ số nhân

với ngõ ra từ mỗi khâu thay đổi theo thời gian Đáp ứng xung có thể viết dưới

dạng [5]:

1

i i

N i

trễ giữa ngõ vào và ngõ ra của “khâu” thứ i

Có hai khả năng để chọn ti:

tới của tín hiệu thực trên đường truyền vật lý

giữa các “khâu” t D~được xác định bởi lý thuyết lấy mẫu Trong trường hợp

này, các hệ số khâu thường không độc lập thống kê mặc dù đã có giả sử

WSSUS (các đường tán xạ độc lập thống kê)

phần LOS Đối với các mô hình này, thường giả sử thêm là các hệ số chỉ thay

đổi suốt khoảng thời gian lớn hơn nhiều khoảng thời gian của ký hiệu dữ liệu

phát Ngoài ra, kênh truyền hầu như không đổi qua một vài bit tin Các kênh

truyền như vậy được biết như là kênh truyền fading chậm hoặc kênh truyền giả

tĩnh Mô hình kênh truyền có thể được đơn giản thêm nữa nếu giới hạn số khâu

N về một số nhỏ hơn Mô hình 2 đường trễ có N=2 Đây là mô hình fading

Rayleigh 2-đường trễ phổ biến nhất bởi vì là mô hình đơn giản nhất có tính đến

ảnh hưởng của phân tán theo thời gian của kênh truyền Mô hình này đã được đề

nghị như là một mô hình chuẩn[5]

1.2.7.2 Mô hình COST 207

Trường hợp đặc biệt của mô hình hàng trễ theo “khâu” (bộ lọc ngang) là

mô hình COST 207 mà xác định hàm PDP (Power Delay Profile) hoặc hệ số

“khâu” và phổ Doppler cho 4 loại môi trường điển hình Các hàm PDP này

được đánh giá qua các đo thử được thực hiện ở Pháp, Anh, Hà Lan, Thụy Điển

(1.22)

· Vùng đồi núi HT (Hilly Terrain)

(1.23)

Chương 2

Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

2.1 Giới thiệu về CDMA

Đa truy cập phân chia theo mã - Code Devision Multiple Access (CDMA) là một kĩ thuật trong đó các người dùng (user) cùng chia sẻ một môi trường vật lý, tức là cùng dùng chung một băng tần tại cùng một thời điểm Thành phần chính cấu thành nên CDMA là kĩ thuật trải phổ- sử dụng một tín hiệu xung tốc độ cao để mở rộng băng thông của tín hiệu thông tin ban đầu Nguyên lí của kĩ thuật trải phổ sẽ được đề cập trong phần 2.1

Trong hệ thống CDMA, các người dùng khác nhau có thể được xác định và phân biệt bởi đặc tính tách biệt của các chuỗi xung cá nhân hay còn gọi

là các mã cá nhân Trong phần 2.2 ta sẽ đề cập đến các chuỗi mã thích hợp cho trải phổ Ngày nay, CDMA đã được ứng dụng trong các hệ thống thông tin di động như cdmaOne (IS95) và UMTS hay la cdma2000 Để thực tiễn CDMA trong môi trường vô tuyến thì một số phương pháp được yêu cầu sử dụng như điều khiển công suất và soft handover Các kĩ thuật này sẽ được đề cập ở phần 2.3

2.2 Nguyên lý thông tin trải phổ

Trải phổ tức là mở rộng băng thông của tín hiệu, cùng lúc giảm mật độ công suất của tín hiệu có ích để nó có thể nằm dưới mức nhiễu Kỹ thuật này ra đời từ nhu cầu bảo mật thông tin trong quân sự

Để thực hiện điều này một chuỗi ngẫu nhiên PN ( Pseudo – Noise ) chuyển đổi tín hiệu có băng thông hẹp thành tín hiệu tương tự như nhiễu có băng thông rộng Chuỗi này có tốc độ chip cao hơn nhiều tốc độ dữ liệu của tín hiệu mang tin và có hàm tự tương quan và hàm tương quan chéo tốt Do tính tương quan tốt của chuỗi PN, tất cả các người dùng trong một cell sử dụng cùng một tần số sóng mang và có thể phát các tín hiệu đồng thời với can nhiễu lẫn nhau rất

Các kỹ thuật trải phổ được phân thành ba nhóm chính:

· Trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS – Direct Sequence SS)

· Trải phổ nhảy tần (FHSS – Frequency Hopper SS)

· Trải phổ nhảy thời gian (THSS – Time Hopper SS)

2.2.1 Kỹ thuật trải phổ trực tiếp (DS-CDMA)

Trong DS-CDMA tín hiệu mang tin tức (tín hiệu dữ liệu) được điều chế trực tiếp bằng cách nhân vời một tín hiệu mã giả ngẫu nhiên Tốc độ của tín hiệu

mã được gọi là tốc độ chip Một chip biểu thị cho một ký tự (symbol) trong các

tín hiệu mã trải rộng Tín hiệu dữ liệu có thể là tương tự hoặc số Tốc độ chip thường rất lớn hơn so với tốc độ của tín hiệu Việc giải mã tín hiệu được thực hiện dễ dàng bằng cách lấy tín hiệu thu được nhân với tín hiệu mã Hình sau mô

tả việc truyền dữ liệu 2 người dùng qua một kênh cộng đồng bộ

Hình 2.1 Mô tả truyền dữ liệu 2 người dùng a) Sơ đồ nguyên lí máy phát:

Máy phát sẽ tạo nên tín hiệu mã từ một bộ tạo mã, sau đó nhân tín hiệu mã với tín hiệu dữ liệu để thực hiên việc trải phổ Tín hiệu được cho qua một bộ điều chế băng rộng trước khi phát lên anten

b) Sơ đồ nguyên lí bộ thu:

Bộ thu (hình 2.3) dùng sự giải điều chế đồng bộ để giải trải phổ tín hiệu Để

dùng để trải rộng phổ của tín hiệu mà mã được tạo ra bên trong bộ thu cũng phải được đồng bộ với các mã của tín hiệu nhận được

Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lí bộ thu

2.2.2 Kỹ thuật đa truy nhập trải phổ nhảy tần (FH-CDMA)

Trong FH-CDMA, tần số sóng mang không cố định mà thay đổi một cách tuần hoàn Suốt khoảng thời gian c

T tần số sóng mang không thay đổi, nhưng sau mỗi khoảng thời gian này sóng mang sẽ nhảy sang tần số khác (có thể vẫn ở tần số cũ) theo qui luật được quyết định bởi tín hiệu mã Tập các tần số mà sóng mang có thể dùng gọi

là tập nhảy

Sự chiếm dụng tần số trong một hệ thống FH-CDMA thì rất khác so với

hệ thống DS-CDMA Một hệ thống DS-CDMA sẽ chiếm toàn bộ dải tần khi nó truyền trong khi một hệ thống FH-CDMA chỉ sử dụng một phần nhỏ của dải tần khi truyền tuy nhiên vị trí của dải tần này sẽ thay đổi theo thời gian Sự khác nhau giữa FH-CDMA và DS-CDMA trong việc sử dụng tần số được minh họa ở hình sau

Hình 2.4 Trải phổ nhảy tần FH-CDMA được chia làm hai loại tùy thuộc vào tốc độ nhảy tần của sóng mang Nếu tốc độ nhảy tần lớn hơn (nhiều) so với tốc độ ký tự, ta có

sự nhảy tần nhanh Trong trường hợp này, tần số sóng mang thay đổi vài lần trong thời gian truyền một ký tự, vì vậy một bit sẽ được truyền lần lượt trên các tần số khác nhau Nếu tốc độ nhảy tần nhỏ hơn (nhiều) so với tốc độ ký tự,

ta có sự nhảy tần chậm

Trong trường hợp này, nhiều ký tự sẽ được truyền lần lượt trên cùng một tần số Băng thông chiếm dụng của tín hiệu tại một tần số sóng mang không chỉ phụ thuộc vào băng thông tín hiệu mang tin mà còn phụ thuộc vào dạng của tín hiệu nhảy tần và tốc độ nhảy tần Nếu tốc độ nhảy tần nhỏ hơn nhiều so với băng thông tín hiệu mang tin, băng thông của tín hiệu mang tin sẽ là nhân tố chính quyết định băng thông chiếm dụng Tuy nhiên, nếu tốc độ nhảy tần lớn hơn rất nhiều so với băng thông của tín hiệu mang tin thì hình dạng xung của tín hiệu nhảy tần sẽ quyết định băng thông chiếm dụng tại một tần số sóng mang

2.2.3 Kỹ thuật đa truy nhập trải phổ nhảy thời gian (TH-CDMA)

Trong TH-CDMA, tín hiệu dữ liệu được truyền thành từng cụm trong những khoảng thời gian được quyết định bởi mã của người dùng Trục thời gian được chia thành các khung (frame) và mỗi khung được chia thành các khe thời

gian Trong mỗi khung một người dùng sẽ chiếm giữ một khe thời gian để truyền, tuy nhiên vị trí của khe sẽ phụ thuộc vào tín hiệu mã của người dùng Hình sau miêu tả đồ thị tần số-thời gian trong hệ thống TH-CDMA cho một người dùng

Hình 2.5 Trải phổ nhảy thời gian

2.3 Các chuỗi trải phổ thông dụng

Trong CDMA các mã trải rộng giữ một vị trí quan trọng Các tiêu chí để lựa chọn một tập mã được dựa trên các hàm tự tương quan và các hàm tương quan chéo của những mã này Tính tự tương quan tốt thì rất hữu ích trong các hệ thống thông tin di động cho việc phân chia các đường truyền dẫn khác nhau và như vậy tránh được xuyên nhiễu liên ký tự Với các hệ thống CDMA, các tín hiệu mã khác nhau được sử dụng để phân biệt các kết nối khác nhau Sự xuyên nhiễu lẫn nhau giữa các kết nối thì tỉ lệ với tích vô hướng của các mã, vì vậy các ứng dụng này đòi hỏi tính trực giao giữa các mã Tuy nhiên chỉ riêng một mình tính trực giao thôi thì không đủ trong những trường hợp các tín hiệu mã không được truyền đồng bộ hay ở những nơi có sự giãn thời gian trễ cao do truyền dẫn đa đường Trong trường hợp đó, hàm tương quan chéo giữa các mã phải có giá trị nhỏ.(Xem lại công thức 1.11 về tương quan chéo của hai tín hiệu).Sau đây ta sẽ nghiên cứu các chuỗi trải phổ thông dụng.[6]

Hình 2.7 Bộ tạo chuỗi chiều dài cực đại

2.3.2 Chuỗi mã Gold

Chuỗi chiều dài cực đại có tính tự tương quan tốt tuy nhiên hàm tương

quan chéo giữa hai chuỗi chiều dài cực đại thường có giá trị đỉnh lớn Đây là

điều không mong muốn trong các hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã Một

họ chuỗi khác có đặc tính tương quan chéo tốt hơn họ chuỗi chiều dài cực đại

được đề xuất bởi Gold

Chuỗi Gold được tạo bởi cặp chuỗi chiều dài cực đại thích hợp có cùng chu

hợp khi hàm tương quan chéo giữa chúng là hàm tuần hoàn có ba giá trị {1,

-t(m),t(m)-2} với :

(2.3)

cũng là hàm có ba giá trị {-1, -t(m),t(m)-2}- Hình sau minh họa một bộ tạo

chuỗi Gold chiều dài 7 [6]

Hình 2.8 Mô hình tạo chuỗi GOLD từ đa thức sinh bậc 3

hàng

1≤i≤N

có tương quan chéo bằng zero khi các mã được đồng bộ, tuy nhiên khi không đồng bộ, giá trị tương quan chéo của chúng thì phụ thuộc rất nhiều vào cặp mã

sử dụng, một vài cặp sẽ có tương quan chéo bằng zero trong khi những cặp khác

có giá trị tương quan chéo rất lớn

2.3.3 Chuỗi mã Kasami

cứ 2m/2 + 1

1

Lấy L các bit liên tiếp của chuỗi {ak} và {dk} để hình thành nên một tập

chuỗi Kasami Hình sau minh họa cho sự tạo một tập nhỏ các chuỗi Kasami :

Hàm tương quan chéo giữa hai chuỗi trong tập nhỏ chuỗi Kasami có các giá

tương quan chéo tốt hơn tập chuỗi Gold Tuy nhiên một hạn chế đối với tập nhỏ các chuỗi Kasami là số lượng chuỗi (mã) trong tập là nhỏ, không thích hợp trong các hệ thống thông tin cho phép nhiều người dùng tích cực tại một thời điểm

2.3.4 Mã Walsh-Hadamard

Ma trận Hadamard được định nghĩa theo cong thức đệ qui như sau:

Trong đó kích thước của ma trận là N = 2i, với i là số tự nhiên Mỗi vector

chuỗi này sẽ có tương quan chéo bằng zero khi các mã được đồng bộ, tuy nhiên khi không đồng bộ, giá trị tương quan chéo của chúng thì phụ thuộc rất nhiều vào cặp mã sử dụng, một vài cặp sẽ có tương quan chéo bằng zero trong khi những cặp khác có giá trị tương quan chéo rất lớn

2.3.5 Mã trực giao hệ số trải rộng thay đổi

Mã trực giao hệ số trải rộng thay đổi (Orthogonal Variable Spreading Factor- OVSF) trông giống như mã Walsh-Hadamard tuy nhiên chúng được sắp xếp và đánh số theo một cách khác, đó là theo cấu trúc cây như minh họa ở sau:

Hình 2.10 Cấu trúc cây mã OVSF

Với mỗi hệ số trải rộng SF = 1,2,4 , SF là lũy thừa của 2, ta có SF = M

Để duy trì tính trực giao giữa các kết nối có tốc độ dữ liệu khác nhau việc

không được sử dụng cho các kết nối khác

Tính chất duy trì sự trực giao khi thay đổi hệ số trải rộng bằng cách tuân thủ qui luật chọn mã là một đặc tính tốt của mã OVSF Tuy nhiên mã OVSF có một số nhược điểm là tính tự tương quan kém và sự trực giao sẽ mất đi khi không có sự đồng bộ tốt

Chương 3

Kĩ thuật điều chế OFDM

3.1 Giới thiệu về OFDM:

Kỹ thuật điều chế OFDM là một phương pháp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tín hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lẫn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại được tín hiệu ban đầu

Kỹ thuật này do R.W Chang phát minh năm 1966 ở Mỹ Trong những thập

kỷ vừa qua, nhiều công trình khoa học về kỹ thuật này đã được thực hiện ở khắp nơi trên thế giới Đặc biệt là Weistein và Ebert đã chứng minh được là phép điều chế OFDM có thể thực hiện qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế có thể thực hiện qua phép biến đổi DFT

Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với nhiều phương pháp khác như kết hợp với phương pháp mã kênh và kỹ thuật điều chế tín hiệu thích nghi Các kỹ thuật này hiện đã được sử dụng trong hệ thống WirelessLan và được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a

3.1.1 Nguyên lí cơ bản của OFDM:

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp truyền đa sóng mang là chuyển đổi một chuổi dữ liệu nối tiếp có tốc độ cao thành nhiều chuỗi con song song có tốc

độ thấp hơn Mỗi chuỗi con được điều chế trên một sóng mang phụ Vì tốc độ ký hiệu trên mỗi ký hiệu nhỏ hơn nhiều so với tốc độ ký hiệu của chuổi tuần tự ban

đầu nên các hiệu ứng trải trễ, nhiễu ISI đều được giảm bớt, do đó giảm đi sự phức tạp của bộ cân bằng ở máy thu Các sóng mang phụ được dùng phải trực giao nhau với các sóng mang phụ còn lại Nhờ sự trực giao này mà hiệu quả sử dụng phổ tăng lên rõ rệt Hình sau mô tả quá trình điều chế sóng mang

3.1.2 Các ưu nhược điểm:

Ưu điểm:

sóng mang phụ hẹp nên chỉ chịu fading phẳng, và sử dụng chuỗi bảo vệ để loại

bỏ nhiễu phân tập đa đường)

Nhược điểm:

khuếch đại phía phát và phía thu

 Do yêu cầu về điều kiện trực giao của các sóng mang phụ mà hệ thống OFDM rất nhạy với offset tần số, Doppler và nhiễu pha

3.2 Lý thuyết điều chế OFDM

3.2.1 Khái niệm về sự trực giao của hai tín hiệu:

Tính trực giao là một tính chất quan trọng cho phép nhiều tín hiệu tin tức có thể phát đi chung trên một kênh truyền Không có tính trực giao giữa các tín hiệu, tín hiệu thu sẽ bị nhiễu và giảm chất lượng Về mặt bản chất, phương pháp FDM và TDM đều có tính chất trực giao Phương pháp TDM phân chia khe thời gian, trong mỗi khe chỉ có một tín hiệu được phát đi, do đó có thể dễ thấy là các tín hiệu trực giao với nhau nếu xét trong miền thời gian Tương tự, phương pháp FDM có tính trực giao trong miền tần số

Tuy nhiên, khi nói đến OFDM, ta nói đến một dạng trực giao đặc biệt bởi vì các tín hiệu trong hệ thống OFDM được đặt rất gần nhau, tiến gần đến khoảng cách tối thiểu theo lý thuyết trong khi vẫn giữ được đặc tính trực giao giữa chúng

3.2.2 Bộ điều chế OFDM:

Tập sóng mang phụ trong OFDM có biểu thức:

Trong đó NC là số kênh con Khi đó ta dễ dàng chứng minh được các sóng mang phụ trên trực giao với nhau

Nguyên tắc bộ điều chế được mô tả ở hình trên ( 3.2) Đầu vào được chia

nối tiếp song song Dòng bít trên mỗi luồng song song lại được điều chế thành

mang Sau khi được nhân với xung cơ sở, tín hiệu lại được dịch tần lên kênh con thông qua các sóng mang phụ tương ứng Tín hiệu trên các sóng mang phụ này trực giao với nhau

Mẫu tín hiệu OFDM thứ k được cho bởi công thức:

3.2.2.1 Chèn chuổi bảo vệ trong hệ thống OFDM:

Khi số lượng sóng mang phụ tăng lên, khoảng thời gian của một ký hiệu

tượng ISI, và do đó bảo toàn tính chất trực giao giữa các tín hiệu trên các sóng mang phụ, nghĩa là đồng thời tránh được hiện tượng giao thoa sóng mang ICI, ta

OFDM kế cận Khoảng dự trữ này là một sự mỡ rộng tuần hoàn trên mỗi ký hiệu OFDM Thông thường người ta sử dụng đoạn cuối của chuổi IFFT copy lại vào đoạn đầu để tăng thêm thời gian của một ký hiệu

Không những có khả năng chống nhiễu ISI, khoảng dự trữ này còn có tác dụng giảm sai số do lệch thời gian (time-offset) ở máy thu

đổi của offset thời gian chỉ dẫn đến sự xoay pha của tất cả các sóng mang phụ

Độ xoay pha này tỷ lệ với tần số sóng mang phụ, trong đó sóng mang phụ ở tần

được giữ không đỗi qua các ký hiệu, sự xoay pha gây bởi offset thời gian có thể loại bỏ trong quá trình cân bằng kênh truyền

đường, hiện tượng ISI dẫn đến những quá độ trong biên độ và pha sóng mang ở

những khoảng thời gian đầu trong một chu kỳ ký hiệu Khoảng quá độ này tương ứng với độ trãi trễ của kênh truyền vô tuyến Như vậy, khoảng dự trữ có thể loại

bỏ hiện tượng ISI với điều kiện là khoảng thời gian chèn vào phải lớn hơn độ trải trễ lớn nhất của kênh truyền

3.2.2.2 Phép nhân xung cơ bản và giới hạn băng thông:

Trong bất kì hệ thống viễn thông nào thì tín hiệu trước khi phát đi phải được nhân với xung cơ bản Mục đích của phép nhân này là giới hạn phổ của tín hiệu phát sao cho phù hợp với bề rộng cho phép của kênh truyền Nếu bề rộng của phổ tín hiệu phát lớn hơn bề rộng cho phép của kênh truyền thì nó sẽ gây nên nhiễu xuyên kênh đối với các hệ thống khác Trong OFDM, tín hiệu của kênh con trước khi phát sẽ được nhân với xung cơ bản s'(t) Xung cơ bản có bề rộng bằng của một mẫu tín hiệu OFDM Ta gọi đây là phương pháp cửa sổ Xung cơ

Do biên độ và pha của mỗi sóng mang phụ có thể thay đổi đột ngột sau mỗi

ký hiệu và do mỗi sóng mang phụ bị giới hạn trong cửa sổ chử nhật nên trong miền tần số, phổ của tín hiệu OFDM trên lý thuyết là trải dài vô hạn, dù biên độ của nó sẽ giảm dần khi xa tần số trung tam theo quy luật sinc

Hình trên thể hiện phổ của OFDM với 1536 sóng mang phụ Quan sát ta thấy hai sườn phổ tín hiệu rất lớn, điều này làm tăng hiệu suất phổ tín hiệu của

hệ thống và làm giảm nhiểu xuyên kênh đối với hệ thống khác

3.2.2.3 Thực hiện điều chế OFDM bằng thuật toán IFFT:

Tín hiệu phát sau bộ giải điều chế OFDM đã được nêu trong công thức (3.3) là:

Luồng tín hiệu trên được lấy mẫu với tần số lấy mẫu là: