Tách sóng nhiều người sử dụng dùng kỹ thuật feed forward trong hệ thống cdma,luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật chuyên ngành kỹ thuật điện tử

Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA − Trải phổ trong hệ thống thông tin vô tuyến là khi băng thông cơ sở được trải rộng trên toà

Trang 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Trường Đại Học Giao Thơng Vận Tải 

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số : 60.52.70

DƯƠNG THỊ CẨM TÚ

Trang 2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Trường Đại Học Giao Thơng Vận Tải 

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số : 60.52.70

Người hướng dẫn : TS Võ Xuân Tựu

Học viên thực hiện : Dương Thị Cẩm Tú

Lớp : Cao học K12

Trang 3

BTS : Base Transceiver Station (GSM) Trạm thu phát gốc

CDMA : Code Divison Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo mã DS-CDMA : Direct Sequence – CDMA CDMA chuỗi trực tiếp FDMA : Frequency Divison Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo tần số FER : Frame Error Rate Tỷ lệ lỗi khung

FH : Frequency hopping Nhảy tần

FF : Feed Forward Mạng truyền thẳng

FLPC : Forward Link Power Control Điều khiển cơng suất

đường lên ISI : Intersymbol interference Nhiễu liên ký tự

MF : Matched Filter Mạch lọc phối hợp

MMSE : Minimum Mean – Square Error Bình phương cực tiểu

phương sai

MS : Mobile Station Máy di động

MSK : Minium Shift Keying Khĩa dịch cực tiểu

MUD : Multi – User Detection Tách sĩng nhiều người sử

dụng

PN : Pseudo Noise sequence Chuỗi giả ngẫu nhiên QPSK : Quadrature Phase Shift Keying Khĩa dịch pha cầu phương RIPC : Reverse Link Power Control Điều khiển cơng suất

đường xuống SIR : Signal – to – Interfernce Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR : Signal – to – Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

SS : Spread Spectrum Trải phổ

TDMA : Time Divison Multiple Access Đa truy nhập phân chia

theo thời gian

TH – CDMA : Time hopping CDMA CDMA nhảy thời gian

Trang 4

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 So sánh giữa DS – SS và FH – SS Trang 20 Bảng 3.1 So sánh các thuật toán huấn luyện Backpropagation Trang 107

Trang 5

DANH MỤC HÌNH VẼ

CH ƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG CDMA

Hình 1.1 Hiện tượng đa đường Trang 3 Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thông tin trải phổ Trang 4 Hình 1.3 Trải phổ trực tiếp BPSK Trang 8 Hình 1.4 Bộ thu trải phổ chuỗi trực tiếp BPSK Trang 9 Hình 1.5 Bộ phát trải phổ chuỗi trực tiếp dùng QPSK Trang 10 Hình 1.6 Bộ thu trải phổ chuỗi trực tiếp dùng QPSK Trang 10 Hình 1.7 Bộ thu trải phổ chuỗi trực tiếp dùng MSK Trang 11 Hình 1.8 Khái niệm nhảy tần trong FH – SS Trang 12 Hình 1.9 Bộ phát trải phổ nhảy tần chậm Trang 14 Hình 1.10 Bộ thu trải phổ nhảy tần chậm Trang 14 Hình 1.11 Minh họa trải phổ nhảy tần nhanh dùng MFSK Trang 15 Hình 1.12 Phổ tần của tín hiệu DS – FH Trang 17 Hình 1.13 Bộ điều chế FH/DS Trang 18 Hình 1.14 Khả năng chống tín hiệu gây nhiễu Trang 20 Hình 1.15 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Trang 21 Hình 1.16 Mạch thanh ghi dịch Trang 23 Hình 1.17 Phân bố nhiễu từ các BS lân cận Trang 32 Hình 1.18 Điều khiển công suất phát sao cho phù hợp với vị trí của thuê bao,

phadinh, suy hao đường truyền Trang 39 Hình 1.19 Kênh truyền tổng quát Trang 46 Hình 1.20 Quan hệ giữa ni và nr trong tọa độ cực Trang 48 Hình 1.21 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh với δ2 = 1 Trang 48 Hình 1.22 Hiệu ứng Doppler Trang 51 Hình 1.23 Phổ Doppler cho kênh truyền vô tuyến Trang 52 Hình 1.24 Mô hình kênh với các tập trì hoãn Trang 53

CH ƯƠNG II: KỸ THUẬT TÁCH SÓNG TRONG CDMA

Hình 2.1 Mô hình kênh DS – CDMA đồng bộ Trang 56 Hình 2.2 Các ngõ ra của K bộ lọc phối hợp Trang 60 Hình 2.3 Bộ tách sóng dùng mạch lọc phối hợp Trang 64 Hình 2.4 Ngõ ra bộ lọc phối hợp với K = 2 Trang 68 Hình 2.5 Bộ tách sóng giải tương quan cho hệ thống DS – CDMA

Trang 70 Hình 2.6 Bộ lọc phối hợp đã được biến đổi trong tách sóng giải tương quan

Trang 72

Bộ thu giải tương quan cho kênh đồng bộ 2 người dùng

Trang 6

Trang 73 Hình 2.8 Bộ tách sóng MMSE cho hệ thống DS – CDMA Trang 76 Hình 2.9 Máy thu MMSE cho mô hình kênh DS – CDMA đồng bộ hai

người dùng Trang 77

CH ƯƠNG III: MẠNG NEURON

Hình 3.1 Nơron sinh học Trang 82 Hình 3.2 Mô hình neuron của MCCulloch và Pitts Trang 84 Hình 3.3 Mô hình mạng nơron tổng quát Trang 85 Hình 3.4 Mô hình nơron có ngõ vào vô hướng có bias và không có bias

Trang 86 Hình 3.5 Mô hình nơron một lớp gồm nhiều nút Trang 87 Hình 3.6 Cấu trúc mạng nơron một lớp Trang 87 Hình 3.7 Cấu trúc mạng nơron một lớp mạng được vẽ gọn lại Trang 88 Hình 3.8 Cấu trúc mạng nơron nhiều lớp Trang 88 Hình 3.9 Mô hình hàm truyền – Log – Sigmoid Trang 91 Hình 3.10 Mô hình hàm truyền – hàm truyền tansig và purlin Trang 92 Hình 3.11 Mô hình mạng một lớp feedforward gồm các nơron Logsig có hai

ngõ vào

Trang 92 Hình 3.12 Mô hình mạng feedforward gồm nhiều lớp ẩn Trang 93

CH ƯƠNG IV: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT FEED FORWARD DÙNG MẠNG NEURON

Hình 4.1 Mô hình hệ thống DS – CDMA đồng bộ K người dùng

Trang 109 Hình 4.2 Máy thu dùng mạng nơron không có mạch lọc phối hợp

Trang 112 Hình 4.3 Máy thu dùng mạng nơron có mạch lọc phối hợp Trang 112 Hình 4.4 Mô hình mạng nơron Trang 112 Hình 4.5 Mô hình mạng nơron nhiều lớp Trang 112 Hình 4.6 Mô hình rời rạc của hệ thống CDMA hướng xuống đồng bộ

Trang 114 Hình 4.7 Mô hình mạng truyền thẳng vào tách sóng CDMA Trang 123 Hình 4.8 Mô hình mô tả giải thuật của thuật toán dùng mạng truyền thẳng

cho 1 user Trang 124 Hình 4.9 Mô hình mô tả giải thuật của thuật toán dùng mạng truyền thẳng

cho k user Trang 125 Hình 4.10 Đồ thị BER cho máy thu dùng mạch lọc phối hợp Trang 128

Trang 7

MỤC LỤC

CH ƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG CDMA Trang 1 1.1 Tổng quan về kỹ thuật trải phổ trong CDMA Trang 1

1.1.1 Tổng quát Trang 1 1.1.2 Kỹ thuật trải phổ DS – CDMA Trang 8

1.2 Dung l ượng mạng CDMA Trang 29

1.2.1 Tái sử dụng tần số và chia vùng phủ sóng Trang 31 1.2.2 Khả năng dung lượng mềm dẻo của mạng CDMA Trang 33

1.3 Điều khiển công suất trong CDMA Trang 35

1.3.1 Đường lên (Forward), đường xuống (backforward) Trang 35 1.3.2 Khống chế nhiễu qua cơ chế điều khiển công suất Trang 36

1.4 Đặc điểm của kênh truyền vô tuyến Trang 45

1.4.1 Các kiểu kênh truyền khác nhau Trang 46 1.4.2 Phân bố Rayleigh Trang 47 1.4.3 Phân bố Rician Trang 49 1.4.4 Kênh Fading chọn thời gian Trang 49 1.4.5 Kênh Fading chọn tần Trang 50 1.4.6 Suy hao trên đường truyền vô tuyến Trang 50 1.4.7 Hiện tượng Doppler Trang 51 1.4.8 Mô hình kênh nhiều đường Trang 52

CH ƯƠNG II: KỸ THUẬT TÁCH SÓNG TRONG CDMA Trang 55 2.1 Mô hình hệ thống DS-CDMA Trang 55

2.2 Mô hình hệ thống DS – CDMA đồng bộ rời rạc theo thời gian Trang 57

2.2.1 Hình chiếu trực chuẩn Trang 57 2.2.2 Ngõ ra bộ lọc phối hợp Trang 59

2.3 Kỹ thuật tách sóng trong CDMA Trang 62

2.3.1 Kỹ thuật tách sóng thông thường Trang 63 2.3.2 Kỹ thuật tách sóng giải tương quan Trang 68 2.2.3 Kỹ thuật tách sóng MMSE Trang 75

3.1 Mạng Neuron nhân tạo và sinh học Trang 81

3.2.1 Mô hình nơron Trang 84

Trang 8

3.2.3 Cấu trúc dữ liệu Trang 89 3.2.4 Kiểu huấn luyện Trang 89

3.5 Backpropagation (truyền ngược) Trang 90

3.5.1 Tổng quát Trang 90 3.5.2 Huấn luyện mạng Trang 94 3.5.3 Huấn luyện nhanh Trang 97

3.6 So sánh bộ nhớ và tốc độ Trang 104

CH ƯƠNG IV: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT FEED FORWARD DÙNG MẠNG

4.1 Các phương pháp tách sóng dùng mạng Neuron Trang 108

4.1.1 Tổng quan hệ thống DS – CDMA đồng bộ Trang 108 4.1.2 Phương pháp tách sóng dùng mạng nơron Trang 110

4.2 Ứng dụng kỹ thuật tách sóng Feed forward dùng mạng noron trong hệ

4.2.1 Bộ tách sóng CDMA sử dụng mạng truyền thẳng Trang 113 4.2.2 Tổng quan về thuật toán huấn luyện mạng Trang 117 4.2.3 Ứng dụng để huấn luyện mạng Trang 122

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA ĐỀ

Trang 9

LỜI MỞ ĐẦU

Trong hệ thống thông tin vô tuyến, các hệ thống đều phải hoạt động chung trong một môi trường truyền nên rất dễ bị tác động nhiễu lẫn nhau Do đó, kỹ thuật đa truy nhập đóng vai trò quan trọng trong việc giảm can nhiễu giữa các hệ thống So với các kỹ thuật đa truy cập khác như đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA và đa truy cập phân chia theo tần số thì kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã CDMA có nhiều ưu điểm hơn CDMA có khả năng chống lại hiện tượng đa đường và can nhiễu

Tách sóng đa user là tiến hành thực hiện giải điều chế tín hiệu khi có sự ảnh hưởng của các tín hiệu user khác lên tín hiệu cần thu, sự can nhiễu đó chính là nhiễu đa truy cập trong hệ thống CDMA Ngoài nhiễu đa truy cập ra còn có các loại nhiễu khác tác động vào hệt thống như nhiễu Gauss, nhiễu gai,

Hệ thống thông tin di động DS – CDMA hiện nay còn tồn tại nhiều vấn đề để giải quyết nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống Mục đích của đề tài nhằm nghiên cứu hệ thống thông tin di động CDMA và thực hiện bộ tách sóng đa truy cập dùng mạng Noron truyền thẳng (Feed Forward) để hạn chế của nhiễu tác động lên hệ thống

Trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của Tiến sĩ Võ Xuân Tựu, người trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài Tuy nhiên do đây là công nghệ phức tạp, thời gian nghiên cứu có hạn cũng như khả năng của bản thân nên quyển luận văn này không thể tránh khỏi những sai sót Vì vậy rất mong được sự đóng góp và phê bình của các thầy giáo, cô giáo và các độc giả quan tâm

Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Tiến sĩ Võ Xuân Tựu, các thầy giáo, cô giáo, gia đình và bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Người thực hiện Dương Thị Cẩm Tú

Trang 10

Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward

Trong Hệ Thống CDMA

Chương 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG CDMA

1.1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG CDMA

1.1.1 Tổng quát:

Sự phát triển nhanh chóng của mạng điện thoại tổ ong trên toàn thế giới trong thập kỷ qua cho thấy hệ thống viễn thông có ý nghĩa rất lớn trong việc truyền thông tin trong xã hội ngày nay Kỹ thuật truy cập phân chia theo theo tần số FDMA và phân chia theo thời gian TDMA lần lượt ra đời đã tạo nên bước phát triển rất lớn trong ngành công nghệ viễn thông Tuy nhiên việc phát triển thành một hệ thống thông tin di động trên toàn thế giới thì cần phải có công nghệ mới hơn, cao hơn và đưa ra các chuẩn mới để tăng khả năng tương thích giữa các hệ thống trên toàn thế giới Cùng với nó, tốc độ truyền tin cho các dịch vụ đa phương tiện, dữ liệu, xem phim, ảnh, nghe nhạc với chất lượng và tốc độ tốt nhất Kỹ thuật truy nhập phân chia theo mã là kỹ thuật vượt trội có thể giải quyết được những yêu cầu mà hệ thống thông tin di động 3G đưa ra Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý trải phổ trong phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA

1.1.1.1 Định nghĩa:

Có nhiều kỹ thuật trải phổ (SS – Spread Spectrum) khác nhau Nhưng tất cả đều có đặc điểm chung là sử dụng các mã khác nhau trong kênh thông tin Cách chèn các mã phải thật chính xác là một vấn đề trong kỹ thuật trải phổ Có nhiều định nghĩa khác nhau:

Trang 11

− Trải phổ trong hệ thống thông tin vô tuyến là khi băng thông cơ sở được trải rộng trên toàn băng thông rộng hơn bởi một tín hiệu có tần số cao hơn

Do đó, năng lượng sử dụng trong quá trình truyền tín hiệu đó tương đương với nhiễu Tỷ số giữa tín hiệu đã trải phổ với tín hiệu gốc được gọi là độ lợi – Độ lợi của SS nằm trong khoảng 10dB đến 60dB

− Hoạt động trải phổ được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu thông tin với một chuỗi mã gọi là chuỗi trải phổ trước khi phát lên anten Kết quả khuếch tán tín hiệu trên băng thông rộng hơn Ngược lại, tại bộ thu

ta có thể tách mã trải phổ ra khỏi tín hiệu thông tin trước khi phục hồi dữ liệu Nếu như tại bộ phát và thu có hai mã trải phổ giống nhau khi đó tín hiệu trải phổ sẽ được phát hiện tại bộ thu Còn các tín hiệu khác không có cùng mã trải phổ sẽ giống như nhiễu nền đối với tín hiệu đó Qua đó chúng ta kết luận rằng: SS là kỹ thuật băng rộng

− Khả năng chống nhiễu tốt:

Trong môi trường truyền tin có nhiều loại nhiễu khác nhau gồm:

+ Nhiễu nền (Background Noise) do nhân tạo hoặc tự nhiên

+ Nhiễu giữa các User, các tín hiệu cản trở

Nhờ sử dụng kỹ thuật ghép mã trong tín hiệu thông tin nên sẽ loại bỏ các tín hiệu không có cùng mã trải phổ tại đầu thu, chỉ còn tín hiệu mong muốn Như thế có thể cho phép truyền nhiều tín hiệu SS trên cùng một băng thông đồng thời

− Không cho phép truy cập bất hợp pháp: đây là thuận lợi thứ hai của kỹ thuật trải phổ Bởi vì các tín hiệu khi không có cùng mã trải phổ

Trang 12

sẽ tương đương với nhiễu nền hoặc có thể thấp hơn Do đó sẽ không bị phát hiện bởi các bộ nhận khác

− Chống hiện tượng fadinh (Hiện tượng đa

đường – Multipath Effect)

Kênh thông tin vô tuyến thường xuất hiện tượng

đa đường ví tín hiệu truyền trong không gian sẽ

bị phản xạ, khúc xạ từ mặt đất, không khí, đồi

núi, nhà cửa… nên tín hiệu sẽ tới bộ nhận bằng

nhiều đường khác nhau

Hình 1.1: Hiện tượng đa đường

Dựa trên hình chúng ta thấy R là tia phản xạ, D là tia trực tiếp Nhưng tín hiệu mong muốn tại đầu thu là chỉ có tia D dù cho tín hiệu R có cùng mã trải phổ

1.1.1.2 Phân loại

Sơ đồ khối của hệ thống thông tin trải phổ có thể được minh họa như hình 1.2 Mục tiêu hầu hết của hệ thống viễn thông là truyền thông tin từ nơi này sang nơi khác

Trang 13

Dữ liệu vào có thể là dữ liệu số hoặc dữ liệu tương tự Đối với dữ liệu tương tự, chúng ta cần phải lấy mẫu, lượng tử, số hoá Khối mã hóa kênh thường là mã hóa sửa sai như mã chập, mã khối,… Chức năng chèn và giải chèn nhằm mục đích phân bố lỗi kênh một cách ngẫu nhiên trước khi đến bộ giải điều chế Khối điều chế dữ liệu có thể là điều chế MFSK hay điều chế pha MPSK Dữ liệu sau khi điều chế được trải phổ và đưa ra kênh truyền có nhiễu có phân bố và một số can nhiễu băng hẹp trong môi trường vô tuyến Tại nơi thu, tín hiệu thu sẽ được giải nén phổ và giải điều chế theo nhịp của xung đồng bộ từ đường truyền Sau đó tín hiệu được giải chèn, giải mã kênh tương ứng và khôi phục dữ liệu từ bên phát

Kỹ thuật trải phổ là thực hiện điều chế hai lần của dữ liệu đã được điều chế sử dụng sóng mang băng rộng Tín hiệu dùng để trải phổ phải có thuộc tính thích hợp để tại đầu thu có thể giải điều chế và tách được dữ liệu ban đầu Việc tạo tín hiệu băng rộng có thể sử dụng điều chế trực tiếp dữ liệu đã được điều chế bởi sóng mang bằng tín hiệu băng rộng hoặc bằng một chuỗi giả ngẫu nhiên gọi là trải phổ chuỗi trực tiếp (DSSS - Direct Sequence Spread Spectrum)

Dữ liệu

vào

Mã hóa kênh

Chèn Điều chế

dữ liệu

Trải phổ

Kênh truyền

Nén phổ

Giải điều chế Giải chèn

Giải mã kênh

Dữ liệu

ra

Nhiễu-Tạp âm trắng Đồng bộ

Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống thông tin trải phổ

Trang 14

Một phương thức trải phổ khác là sử dụng chuỗi mã để điều khiển tần số sóng mang của tín hiệu phát Trong trường hợp này tín hiệu phát là tín hiệu đã được điều chế nhưng sóng mang nhảy từ tần số này sang tần số khác Phương thức trải phổ này được gọi là trải phổ nhảy tần (FH-SS - Frquency Hopping Spread Spectrum) Một phương thức mà hệ thống trải phổ sử dụng cả hai phương thức này được gọi là phương thức trải phổ ghép (Hybrid) Ngoài ra còn một số các phương pháp trải phổ không thông dụng khác như trải phổ nhảy thời gian (Time Hopping), trải phổ Chirp sử dụng trong radar

Phân loại kỹ thuật trải phổ:

Các kỹ thuật được phân biệt dựa trên đặc điểm của chuỗi ngẫu nhiên PN (Pseudo – Random):

− Nếu chuỗi PN được nhân trực tiếp với tín hiệu thông tin Chúng ta có phương pháp trải phổ trực tiếp (DS – SS: Direct Sequence – Spread Spectrum) Có nhiều loại chuỗi PN được sử dụng trong DSSS: chuỗi m, Gold, ma trận Wash – Hardarma, Kasami…

− Trong trải phổ trực tiếp tốc độ của chuỗi PN phải lớn hơn tốc độ của tín hiệu thông tin Tỷ số Tc/Tp gọi là độ lợi Phổ của tín hiệu phụ thuộc vào sóng mang thực tế và phương pháp điều chế tín hiệu

− Nếu chuỗi PN nhảy từ tần số này đến tần số khác, ta có kỹ thuật trải phổ nhảy tần Tốc độ nhảy phụ thuộc vào tốc độ của tín hiệu thông tin gốc Có thể chia làm hai loại: trải phổ nhảy tần chậm LFHSS (Low Frequence Hopping Spread Spectrum) và trải phổ nhảy tần nhanh FFHSS (Fast Frequence Hopping Spread Spectrum)

Trang 15

Phổ của tín hiệu trải phổ nhảy tần hoàn toàn khác với tín hiệu trải phổ trực tiếp Phổ của tín hiệu trải phổ trực tiếp có hình bao (sin(x)/x)2, còn phổ của tín hiệu nhảy tần có hình phẳng trong một dải tần số

Nếu chuỗi PN hoạt động với chế độ ngắt dẫn on/off có tần số không thay đổi ta có phương pháp trải phổ nhảy thời gian

− Ngoài ra còn có thể kết hợp giữa hai phương DSSS và FHSS

Ngày nay, hai phương pháp trải phổ được sử dụng phổ biến nhất là DSSS và FHSS Các vấn đề quan trọng trong kỹ thuật trải phổ đó là vấn đề: tính trực giao, tương quan chéo của các chuỗi PN, đồng bộ giữa máy phát và thu, cân bằng bit…

1.1.1.3 Các phương pháp truy nhập vô tuyến

Khi nhiều user muốn thực hiện truyền thông trong cùng một môi trường vật lý Chẳng hạn nhiều người cùng thực hiện cuộc gọi trong mạng điện thoại, mà mỗi cuộc gọi nhất thiết phải được kết nối với trạm gốc Đây chính là quá trình đa truy nhập Như vậy, làm thế nào chúng ta chia sẽ đường truyền để nhiều người sử dụng có thể đồng thời thực hiện việc truyền thông?

Có nhiều phương pháp đa truy nhập, các phương pháp lại có thể kết hợp với nhau để tạo thành phương pháp truy nhập khác:

− Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple Access)

− Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access)

− Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA(Code Division Multiple Access)

Trang 16

− Đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA (Space Division Multiple Access)

Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA:

Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã CDMA đã có vai trò rất quan trọng trong truyền thông vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã CDMA, dựa trên nền tảng của kỹ thuật trải phổ Trong hệ thống thông tin CDMA, tất cả các người dùng sử dụng chung cả băng tần số và toàn miền thời gian Mỗi người dùng được xác định bởi một mã giả ngẫu nhiên (PN - Pseudo Noise) Các mã giả ngẫu nhiên này phải có tính chất trực giao hoặc gần trực giao Bộ mã giả ngẫu nhiên này phải được thiết kế sao cho tương quan chéo giữa các mã là thấp nhất nhằm hạn chế sự can nhiễu của tín hiệu từ một người dùng này lên tín hiệu của một người dùng khác trong cùng một hệ thống, can nhiễu này được gọi là nhiễu đa truy cập MAI (Multiple Access Interference)

Kỹ thuật đa truy cập theo mã CDMA có thể được thực hiện dựa trên nhiều phương pháp trải phổ khác nhau như trải phổ nhảy tần (FH – Frequency Hopping) hoặc chuỗi trực tiếp (DS – Direct Sequence) Trong FH-CDMA, tín hiệu truyền đi có tần số sóng mang khác nhau trong các khoảng thời gian khác nhau và việc nhảy từ tần số này tới tần số khác được điều khiển bởi một chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên Trong hệ thống DS-CDMA, tín hiệu truyền đi của mỗi người dùng có dạng sóng thay đổi liên tục theo thời gian theo một qui luật giả ngẫu nhiên Phổ của tín hiệu của từng người dùng trong hệ thống được trải rộng ra hơn rất nhiều lần so với tín hiệu thông tin và chiếm trọn băng tần của hệ thống Do đó, các tín hiệu của các người dùng không được phân biệt trong miền thời gian cũng như miền tần số Tuy nhiên, dữ liệu của

Trang 17

từng người dùng có thể tách ra được ở máy thu bởi vì tín hiệu truyền đi của mỗi người dùng được tạo thành từ các chuỗi trải phổ duy nhất cho từng người dùng

1.1.2 Kỹ thuật trải phổ DS – CDMA:

1.1.2.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp dùng BPSK:

Đây là dạng đơn giản nhất của phương pháp trải phổ chuỗi trực tiếp Tín hiệu dữ liệu sau khi điều chế BPSK được nhân trực tiếp với chuỗi giả ngẫu nhiên để trải rộng băng thông của tín hiệu Quá trình này minh họa trong hình 1.3 Tại đầu thu tín hiệu sau khi khuếch đại, đổi tần sẽ được thực hiện nén phổ (Despreading) trước khi giải điều chế BPSK để tách dữ liệu ban đầu Quá trình nén phổ thực hiện bằng cách nhân trực tiếp tín hiệu thu với chuỗi giả ngẫu nhiên như bên phát đã được đồng bộ chính xác về pha và tần số

Gọi d(t) là chuỗi dữ liệu nhị phân có giá trị [0, 1], c(t) là chuỗi giả ngẫu nhiên có giá trị ±1, tần số bit hay thời khoảng của c(t) thường được gọi là chip

Giả sử ω0 là tần số sóng mang, khi đó tín hiệu điều chế dữ liệu sd(t) là :

Hình 1.3: Trải phổ trực tiếp BPSK

0

2 cos[p ϖ t+θd( )]t

Trang 18

Trong đó P là công suất của sóng mang phát, θd(t) là pha của dữ liệu diều

chế Tín hiệu này có băng thông trong khoảng một nửa tốc độ dữ liệu và hai

lần tốc độ dữ liệu tuỳ thuộc vào mức độ chi tiết của dữ liệu điều chế Quá

trình trải phổ thực hiện nhân tín hiệu này với chuỗi c(t) Khi đó, tín hiệu phát

là:

st(t) = (1.2)

Hình 1.4: Bộ thu trải phổ chuỗi trực tiếp BPSK

Tín hiệu thu là tín hiệu phát s t (t) qua kênh truyền với thời gian trễ Td và bao

gồm một số thành phần tạp âm, can nhiễu Tại bộ thu quá trình nén phổ thực hiện

bằng cách nhân tín hiệu thu với mã trải phổ đã được ước lượng thời gian trễ Td’

Tín hiệu sau khi nén phổ là:

Sr(t) = (1.3) Nếu mã trải phổ tại bộ phát và thu được đồng bộ và thời gian ước lượng

trễ Td’ chính xác, ta có:

c(t-Td)c(t-Td’) = 1 nếu Td = Td’ (1.4) Như vậy tín hiệu đến bộ giải điều chế là tín hiệu điều chế với thành

phần dịch pha sóng mang φ và dễ dàng giải điều chế để tách dữ liệu ban đầu

1.1.2.1 Trải phổ chuỗi trực tiếp dùng QPSK

Giải điều chế Nén phổ

Chuỗi giả ngẫu

Dữ liệu nhị phân

0

2pc t( ) cos[ϖ t+θd( )]t

0

2Pc t( −T c t d) ( −T d') cos[ϖ t+θd(t−T d)+φ]

Trang 19

Điều chế PSK dạng cầu phương thường được sử dụng trong các hệ thống trải phổ vì chúng tỏ ra rất hiệu quả trong các ứng dụng tách sóng – xác suất thấp và ít nhạy hơn đối với một số loại jamming Bên cạnh đó, điều chế cầu phương cho phép ta tiết kiệm băng thông Chúng ta có thể dùng cùng một công suất truyền, có xác suất lỗi bit như nhau nhưng chỉ sử dụng một nửa băng thông đường truyền Do đó, phương thức trải phổ này nâng cao được hiệu quả băng thông đường truyền Đây cũng chính là mối quan tâm hàng đầu trong các ứng dụng vô tuyến di động của hệ thống trải phổ

Bộ điều chế pha

Ghép cầu phương

) (t 0t t c

s(t)

Hình1.5: Bộ phát trải phổ chuỗi trực tiếp dùng QPSK

S(t) Bộ chia

thộng dải Bộ điều chế pha Dữ liệu ngõ ra

[( ) ( )]cos

)(

2c t ϖ0 +ϖIF t+θd t

[( ) ( )]sin

)(

2c t ϖ0 +ϖIF t+θd t

)(

^

c −

)(

^

−

Hình 1.6: Bộ thu trải phổ chuỗi trực tiếp dùng QPSK Hình 1.6: Bộ thu trải phổ chuỗi trực tiếp dùng QPSK

Hình 1.5: Bộ phát trải phổ chuỗi trực tiếp dùng QPSK

Trang 20

1.1.2.3 Trải phổ chuỗi trực tiếp dùng MSK

Một phương thức thực tế điều chế trải phổ chuỗi trực tiếp khác là MSK (Minimum shift keying) Mặc dù các phương pháp điều chế truyền thống cho việc tạo tín hiệu MSK thì phức tạp hơn rất nhiều hơn so với các phương pháp tạo tín hiệu QPSK nhưng đối với hướng nối tiếp đến điều chế MSK có thể ứng dụng cho các hệ thống trải phổ và cho ra trong hệ thống có phần cứng không phức tạp gì mấy so với hệ thống trải phổ dùng BPSK

1.1.2.4 Trải phổ nhảy tần (frequency hopping spread spectrum)

Trải phổ nhảy tần là sự chuyển dịch tần số của một tập tần số được lựa chọn theo mã ngẫu nhiên Phương thức này gần giống như dạng điều chế FSK ngoài việc độ chọn lọc tần số tăng lên Đối với FSK thì sử dụng 2 tần số (tần số f1 cho bit

1 và tần số f2 cho bit 0), còn FH-SS có thể sử dụng vài nghìn tần số Trong FH-SS khoảng dịch giữa các tần số và số lượng các tần số có thể chọn được xác định phụ thuộc vào các yêu cầu vị trí đối với việc lắp đặt cho mục đích đặc biệt

C T t T

π

) 2

(

1

C

T t

)(

c −

−

[( ) ( )]cos

2 ϖ0 +ϖIF t+θd t

[( ) ( )]sin

C T t T

π

Bộ điều chế BPSK

Dữ liệu ngõ ra

Hình 1.7: Bộ thu trải phổ chuỗi trực tiếp dùng MSK

Trang 21

a Đặc tính của tín hiệu dịch tần:

Hệ thống FH-SS bao gồm có bộ tạo mã và bộ tổng hợp tần số có thể đáp ứng được cho đầu ra mã hoá của bộ tạo mã Các bộ tổng hợp tần số có đáp ứng nhanh được sử dụng cho hệ thống trải phổ Phổ FH lý tưởng trong một chu kỳ có dạng hình vuông hoàn toàn và phân bố đồng đều trong các kênh tần số truyền dẫn Các máy phát trong thực tế cần phải được thiết kế sao cho công suất phân bố đồng đều với tất cả các kênh

Tín hiệu FH-SS thu được tổ hợp với tín hiệu giống như vậy được tạo ra tại chỗ và được quy định bởi một độ lệch tần nhất định fi được tạo ra trước trạng thái đồng bộ bởi mã cố định của máy phát và máy thu Trong trường hợp tín hiệu không trùng khớp với tín hiệu tạo ra tại chỗ (tín hiệu này được tạo ở máy thu) như là hệ thống DS-SS thì tín hiệu tạo ra tại chỗ và độ rộng băng không cần thiết sau khi nhân tần số được chuyển đổi thành tín hiệu đúng với tín hiệu tạo ra tại chỗ nhờ việc cùng thay đổi giữa tín hiệu tạo ra tại chỗ và tín hiệu không mong muốn Tín hiệu không đồng bộ với cùng băng tần như tín hiệu tạo ra tại chỗ có độ rộng băng gấp đôi tại tần số trung tâm Toàn bộ công suất tín hiệu không mong muốn ngoài băng được xoá khỏi tín hiệu tần số trung tâm nhờ bộ tương quan Công suất tín hiệu không mong muốn bị xoá đi

Tần số

Công suất

Tần số nhảy từ kênh

Trang 22

vì tín hiệu tần số trung tâm đó bao gồm một phần băng tần tín hiệu tạo ra tại chỗ

b Tốc độ dịch tần:

Tốc độ chuyển đổi tần số tối thiểu áp dụng được cho hệ thống FH-SS được xác định nhờ một vài tham số như sau:

• Loại thông tin truyền đi và tốc độ truyền dẫn thông tin

• Tổng số độ dư được áp dụng

• Khoảng cách tới nguồn giao thoa gần nhất

Việc truyền thông tin qua hệ thống FH_SS có thể sử dụng các phương pháp khác nhau trong các hệ thống khác nhau Dạng tín hiệu số được sử dụng thậm chí với các thông tin bình thường là các tín hiệu tương tự hoặc số liệu được mã hoá Trong trường hợp đó, giả sử rằng tốc độ số được định trước và dạng truy cập FH-SS được chọn là môi trường truyền dẫn Hệ thống FH-SS cung cấp một số lượng lớn các tần số và số lượng yêu cầu phụ thuộc vào tốc độ lỗi của hệ thống

Hệ thống trải phổ nhảy tần được chia thành hai loại: hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh (FFH - Fast Frequency Hopping) và trải phổ nhảy tần chậm (SFH - Slow Frequency Hopping)

• Trải phổ nhảy tần nhanh là hệ thống trải phổ nhảy tần có tốc độ nhảy tần (tốc độ chip) cao hơn tốc độ bit dữ liệu

• Trải phổ nhảy tần chậm là hệ thống trải phổ nhảy tần có tốc độ nhảy tần (tốc độ chip) nhỏ hơn tốc độ bit dữ liệu, tức là có nhiều bit dữ liệu trên một bước nhảy tần

c Trải phổ nhảy tần chậm:

Trang 23

Nguyên lý tổng quát trong hình 1.9 và hình 1.10

Ngõ ra của bộ tổng hợp tần số là chuỗi bit có thời khoảng bit là Tc, khi đó ta có:

hT(t) = (1.5) Trong đó p(t) là hàm xung đơn vị có thời khoảng Tc, ωn và φn là tần số và pha trong khoảng nhảy tần thứ N, tần số ωn có được từ tập hợp 2k tần số Như vậy, hệ thống trải phổ chuổi trực tiếp sử dụng một bit của chuỗi giả ngẫu nhiên tại một thời điểm thì hệ thống nhảy tần sử dụng kênh truyền k bits tại một thời điểm Tín hiệu phát là sóng mang điều chế dữ liệu được chuyển đổi lên tần số mới (ω0 + ωn) cho mỗi chip nhảy tần:

si(t) = (1.6)

Điều chế Dữ liệu

Tổng hợp tần số

Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên

Dữ liệu d(t)

Sóng mang

FH e

Hình 1.9: Bộ phát trải

phổ nhảy tần chậm

Lọc thu Lọc băng

Bộ tạo mã ngẫu nhiên

FH code clock

Giải điều chế dữ liệu

Trang 24

Tín hiệu thu là tín hiệu phát qua kênh truyền với thời gian trễ Td, và

biểu diễn toán học như sau:

si(t-Td)= (1.7) Trong bộ thu tín hiệu được chuyển tần sử dụng dao động tại bộ thu, ta có:

hR(t) = (1.8)

Sau khi qua bộ lọc thông dải để loại bỏ thành phần tần số từ bộ trộn, tín hiệu

thu y(t) với giả sử Td=Td’ như sau:

y(t) =

= (1.9) Biểu thức (1.9) chứng tỏ rằng sóng mang điều chế dữ liệu đã được phục hồi

d Trải phổ nhảy tần nhanh:

Trong hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh, với thời gian một bit xảy ra có

k bước nhảy tần số Như vậy hệ thống trải phổ nhảy tần nhanh đảm nhận cả

công việc phân tập tần số nên có khả năng tự khắc phục được vấn đề can

nhiễu, tín hiệu gây nhiễu (jamming) và can nhiễu gần xa (Near-Far) Hệ

thống nhảy tần nhanh có thể được ví dụ như hình 1.11:

Trang 25

Ngõ ra của bộ điều chế MFSK là 2L tần số nhưng các tần số này được chia thành kênh truyền chips Sau mỗi chip thì ngõ ra bộ điều chế MFSK được nhảy sang tần số khác Do thời gian chip nhỏ hơn thời gian ký tự phát nên không gian nhỏ nhất cho tín hiệu trực giao là 1/Tc=K/LT

1.1.2.5 Trải phổ nhảy thời gian:

Trong một hệ thống trải phổ nhảy thời gian, dữ liệu được phát từng cụm Mỗi cụm gồm k bits dữ liệu và thời gian để phát mỗi cụm được xác định bởi một chuỗi giả ngẫu nhiên PN Giả sử thang thời gian được chia thành các khung Tf giây Mỗi khung được chia thành J khe thời gian Như vậy, thời gian dành cho một khe thời gian là Ts=Tf/J giây Trong thời gian mỗi khung, một nhóm k bits được phát trong Ts giây, nghĩa là một trong J khe thời gian

Khe thời gian sử dụng để phát được xác định bởi một chuỗi PN Mỗi bit chiếm khoảng thời gian T0=Tf/k giây khi phát Nếu thời gian cho một bit dữ liệu là Tb, để cần phát hết k bits dữ liệu ta phải cần Tf=kTb Tín hiệu TH – SS cho b bits dữ liệu vào như sau:

STH(t)= (1.10) Trong đó ∏0( )

T t là xung hình chữ nhật có biên độ đơn vị vá độ rộng T0

giây, ai =0, 1, … , J-1 là số ngẫu nhiên được xác định bởi j bit của chuỗi PN và J=2j+1 Chỉ số i là khung thứ i, ai là số khe thời gian và l là số thứ tự bit trong mỗi cụm bit

1.1.2.6 Hệ thống Hybrid:

Điều chế hybrid của hệ thống DS, FH và TH được sử dụng để cung cấp thêm các ưu điểm cho đặc tính tiện lợi của mỗi hệ thống Thông thường đa số các trường hợp sử dụng hệ thống tổng hợp bao gồm FH/DS, TH/FH, TH/DS

Trang 26

Các hệ thống tổng hợp của hai hệ thống điều chế trải phổ sẽ cung cấp các đặc tính mà một hệ thống không thể có được Một mạch không cần phức tạp lắm

có thể bao gồm bởi bộ tạo mã trải phổ và bộ tổ hợp tần số cho trước

a FH/DS:

Hệ thống FH/DS sử dụng tín hiệu điều chế DS với tần số trung tâm được chuyển dịch một cách định kỳ Phổ tần số của bộ điều chế được minh hoạ như sau:

Mỗi tín hiệu DS xuất hiện một cách tức thời với độ rộng băng là một phần trong độ rộng băng của rất nhiều các tín hiệu trải phổ chồng lấn và tín hiệu toàn bộ xuất hiện như là sự chuyển động của tín hiệu DS tới độ rộng băng khác nhờ các mẫu tín hiệu FH Hệ thống tổng hợp FH/DS được sử dụng vì lý do sau đây:

• Dung lượng trải phổ

• Đa truy nhập và thiết lập địa chỉ phân tán

• Ghép kênh

Hệ thống điều chế tổng hợp có ý nghĩa đặc biệt khi tốc độ nhịp của bộ tạo mã DS đạt tới giá trị giới hạn của kênh FH Ví dụ, trong trường hợp độ rộng băng RF yêu cầu là 1 Ghz thì hệ thống DS yêu cầu một bộ tạo mã tức thời có tốc độ nhịp là 1136 Mchips/s và khi sử dụng hệ thống FH thì yêu cầu một bộ trộng tần để tạo ra tần số có khoảng cách 5Khz Tuy nhiên, khi sử dụng hệ thống tổng hợp thì yêu cầu cần một bộ tạo mã tức thời 114 Mchips/s

(sinx/x) 2

Hình 1.12: Phổ tần của tín hiệu DS – FH

Trang 27

và một bộ trộn tần để tạo ra 20 tần số Bộ phát tổng hợp FH/DS như trên hình 1.13 thực hiện chức năng điều chế DS nhờ biến đổi tần số sóng mang (sóng mang FH là tín hiệu DS được điều chế) không giống như bộ điều chế đơn giản

Một bộ tạo mã để cung cấp các mã với bộ trộn tần được sử dụng để cung cấp các dạng nhảy tần số và một bộ điều chế cân bằng để điều chế DS Sự đồng bộ thực hiện giữa các mẫu FH/DS biểu thị rằng phần mẫu DS đã được xác định tại cùng một vị trí tần số lúc nào cũng được truyền qua một kênh tần số nhất định

Nói chung, tốc độ mã của DS phải nhanh hơn tốc độ dịch tần Do số lượng các kênh tần số được sử dụng nhỏ hơn nhiều so với số lượng các chip mã nên tất cả các kênh tần số nằm trong tổng chiều dài sẽ được sử dụng nhiều lần Các kênh được sử dụng ở dạng tín hiệu giả ngẫu nhiên như trong trường hợp các mã Bộ tương quan được sử dụng để giải điều chế tín hiệu đã được mã hoá trước khi thực hiện giải điều chế băng tần gốc tại đầu thu Bộ tương quan FH có một bộ tương quan DS và tín hiệu dao động nội được nhân với tất cả các tín hiệu thu được

Giá trị độ lợi được xử lý theo decibel (dB) của hệ thống tổng hợp FH/DS có thể được tính bằng tổng của độ lợi xử lý của hai loại điều chế trải phổ DS và FH:

Gp(FH/DS) = Gp(FH) + Gp(DS) = 10log(số lượng các kênh) +

10log(BWds/Rinfo) (1.11)

Bộ tạo chuỗi giả ngẫu nhiên

Điều chế cân bằng

+

Dữ liệu

Hình 1.13: Bộ điều chế

FH/DS

Trang 28

b TH/FH:

Hệ thống điều chế TH/FH được áp dụng rộng rãi khi muốn sử dụng nhiều thuê bao có khoảng cách và công suất khác nhau tại cùng một thời điểm Với số lượng việc xác định địa chỉ là trung bình thì nên sử dụng một hệ thống mã đơn giản hơn là một hệ thống trải phổ đặc biệt Hệ thống này làm giảm ảnh hưởng can nhiễu chấp nhận được của hệ thống thông tin trải phổ xuống tới vài độ

c TH/D:

Nếu phương pháp ghép kênh theo mã không đáp ứng các yêu cầu giao diện đường truyền khi sử dụng hệ thống DS thì hệ thống TH được sử dụng thay thế để cung cấp một hệ thống TDM cho khả năng điều khiển tín hiệu Yêu cầu sự đồng bộ nhanh đối với sự tương quan mã giữa các đầu cuối của hệ thống DS nên có một thời gian chip của mã trải phổ Hơn nữa, thiết bị điều khiển đóng mở chuyển mạch được yêu cầu để thêm TH – TDM vào hệ thống

DS

1.1.2.7 Các đặc điểm của hệ thống trải phổ:

a So sánh giữa DS – SS và FH – SS:

Kỹ thuật trải phổ nhảy tần không phải trải phổ của tín hiệu do đó không có độ lợi xử lý Độ lợi xử lý là mật độ công suất tăng khi tín hiệu được trải ra và nó cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) Trong khi đó FH phải tiêu tốn nhiều công suất hơn để có cùng SNR như trong DS – SS Đồng bộ trong nhảy tần khó thực hiện hơn trong chuỗi trực tiếp vì cần nhiều thời gian để tìm kiếm tín hiệu Trong kênh truyền nhiều đường (multipath) thì trải phổ nhảy tần hiệu quả hơn so với trải phổ chuỗi trực tiếp vì khi đó trải phổ nhảy tần tương đương với hình thức phân tập theo tần số

TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP TRẢI PHỔ NHẢY TẦN

Trang 29

Đơn giản và dễ thực hiện Phức tạp

Công suất phát thấp Công suất phát cao

Thời gian đồng bộ nhanh Thời gian đồng bộ chậm

Tốc độ dữ liệu thấp Tốc độ dữ liệu cao

Khoảng cách truyền gần Khoảng cách truyền xa

Bị ảnh hưởng hiệu ứng near-far Không bị ảnh hưởng hiệu ứng

near-far

Bảng1.1: So sánh giữa DS – SS và FH – SS

b Khả năng chống can nhiễu băng hẹp:

Giả sử can nhiễu là sóng sin có tần số đơn trong dải thông và được ký hiệu là j(t), gọi d(t) là tín hiệu dữ liệu, c(t) là chuỗi giả ngẫu nhiên, khi đó tín hiệu tại máy thu: s(t) = (1.12)

Tín hiệu thu này được thực hiện nén phổ trước khi tới bộ giải điều chế dữ liệu Giả sử việc đồng bộ chuỗi giả ngẫu nhiên là lý tưởng khi đó tín hiệu sau khi nén phổ là: s(t) = (1.13)

Tín hiệu

trải phổ

Can nhiễu băng hẹp

Tạp âm nền

Tín hiệu sau khi nén phổ Can nhiễu

Trang 30

Từ công thức trên ta thấy rằng, can nhiễu n(t) đã được trải ra N lần bởi chuỗi giả ngẫu nhiên tại bộ thu với N là độ lợi xử lý của hệ thống

c DS – SS và đa truy cập theo mã (CDMA):

Ứng dụng chủ yếu của DSSS là sử dụng trong hệ thống đa truy cập phân chia theo mã (CDMA Code Division Multiple Access) Hệ thống CDMA sử dụng mã trải phổ để phân biệt các user khác nhau Trong phạm vi một tế bào (cell) các trạm di động (MS mobile station) có thể được phát hiện trên cùng một băng tần vô tuyến tại cùng một thời điểm Đó chính là khác biệt cơ bản khi so sánh với các hệ thống tế bào đã sử dụng trước đây như FDMA và TDMA

Các user khác nhau sử dụng các mã trải phổ khác nhau:

s(t)= (1.14)

1.1.2.8 Chuỗi giả ngẫu nhiên trong hệ thống DS – SS

Nén phổ Giải ĐC Pncode 1

Nén phổ Giải ĐC Pncode 2

Nén phổ Giải ĐC Pncode k

Trạm gốc Data 1 Điều chế Trải phổ

PNcode 1 Data 2 Điều chế Trải phổ

Pncode 2

Data k Điều chế Trải phổ

Pncode k Các MS đầu cuối

Hình 1.15: Đa truy cập theo phân chia mã CDMA

1 ( )

Trang 31

Chuỗi giả ngẫu nhiên (PN – Pseudo Noise sequence) trong hệ thống trải phổ phải đảm nhận các vai trò sau:

• Trải rộng phổ của tín hiệu điều chế

• Phân biệt giữa các user khác nhau trong hệ thống CDMA

• Tính bảo mật của hệ thống

Như vậy chuỗi PN cần có các tính chất như sau:

• Chuỗi giả ngẫu nhiên phải có thuộc tính tự tương quan để cho phép đồng bộ mã giả ngẫu nhiên ở bộ thu

• Chuỗi giả ngẫu nhiên phải cân bằng giữa hai giá trị (0 và 1) để mật độ phổ trải dài trên cả băng thông

• Chuỗi giả ngẫu nhiên phải có thuộc tính tương quan chéo thấp, tính chất này cho phép nhiều user trong hệ thống (tăng dung lượng)

a Tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp:

Tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp s(t) có chu kì NTc được dùng trong các hệ thống trải phỗ chuỗi trực tiếp và được biểu diễn như sau:

t

1

) ) 1 ( ( ) 1 ( )

trong đó: As =

N

1 để s(t) có năng lượng đơn vị

Dạng sóng chip p Tc thoả: ∫∞

) (t p t nT dt n

p T c T c c

(1.16) N: số lượng chip trong 1 bit kí hiệu, hay còn gọi là hệ số trải, độ lợi trải phổ hoặc độ lợi xử lý

Trang 32

Dạng sóng chip đơn giản là xung chữ nhật:

T t t

T c 0,

0,1)

Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (c1, … , cN) có chiều dài N, không mang thông tin Nó đã được biết trước bởi máy thu và được dùng để phân biệt các tín hiệu trải phổ khác nhau trong một hệ thống DS-CDMA Có nhiều kỹ thuật tạo nên chuỗi giả ngẫu nhiên (PN – pseudonoise) đạt được hệ số tương quan chéo thấp cho mọi độ lệch thời gian như chuỗi Gold, Kasami,…

0 1 1

) (x g x g x g x g

− (1.18) Đối với các chuỗi cơ số hai (có giá trị{ }0,1 ), g i bằng 0 hay 1 vàg m = g0 = 1

Trang 33

Đặt g(x) = 0, ta được sự hồi quy sau :

m m m m

m x g x x g

x g x

cơ số hai trạng thái hữu hạn có m phần tử nhớ Vì thế số trạng thái khác 0 cực đại là 2m−1 và bằng số chu kỳ cực đại của chuỗi ra c=(c0,c1,c2, )

Xét hình vẽ 1.20, giả sử s i ( j)biểu thị giá trị của phần tử j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ thứ i Trạng thái của thanh ghi dịch ở xung đồng hồ thứ i là vectơ độ dài hữu hạn s i ={s i(1)s i(2), ,s i(m)} Đầu ra ở xung đồng hồ thứ i làc i−m=s i (m) Thay 1 bằng c ivào phương trình (1.18) ta được điều kiện hồi quy của chuỗi ra:c i =g1c i−1+g2c i−2+ +g m−1c i−m+1+c i−m

Hay c i+m =g1c i+m−1+g2c i+m−2+ +g m−1c i+1+c i (mod2) đối với i≥ 0 (1.20)

Ví dụ: Xét đa thức tạo mã g(x) = x5 + x4 + x3 + x +1

Hình 1.16: Mạch thanh ghi dịch

Trang 34

Sử dụng (1.20) ta được hồi quy ci = ci-1 + ci-3 + ci-4 + ci-5 (mod 2) Vì bậc của g(x) là m=5, nên có 5 đơn vị nhớ (năm phần tử thanh ghi dịch) trong mạch Đối với mọi trạng thái khởi đầu khác không (s0 ≠{0,0,0,0,0}), trạng thái của thanh ghi dịch thay đổi theo điều kiện hồi quy được xác định bởi đa thức tạo mã g(x) Trong thí dụ này ta có chuỗi ra:

c =111110100010010101100001110010…

Tình cờ chuỗi này có chu kỳ cực đại và bằng = 2m− 1

N Các đa thức tạo mã khác có thể tạo ra chu kỳ ngắn hơn nhiều

Lưu ý rằng ở cấu hình mạch được xét này, m bit đầu tiên của chuỗi ra bằng các bit được nạp ban đầu vào thanh ghi dịch:s0 =11111 Đối với giá trị ban đầu khác, ví dụ như:s0 =00001, đầu ra của chuỗi tương ứng trở thành :

10000111001011110100010010101…

là dịch (sang phải N − i= 31 − 18 = 13 đơn vị) của chuỗi c

Một chuỗi thanh ghi dịch cơ số hai tuyến tính, với chu kỳ = 2m− 1

N

trong đó m là số đơn vị nhớ trong mạch hay bậc của đa thức tạo mã, được gọi là một chuỗi cơ số hai có độ dài cực đại hay chuỗi m Đa thức tạo mã của chuỗi m được gọi là đa thức nguyên thủy

Định nghĩa toán học của đa thức nguyên thủy: g(x) là một đa thức nguyên thủy bậc m nếu tồn tại số nguyên nhỏ nhất = 2m− 1

n , sao cho đa thức bậc n: n+ 1

x chia hết cho đa thức g(x)

Ví dụ: cho g(x)=x5+x4+x3+x+1 là một đa thức nguyên thủy bậc m= 5

vì số nguyên n nhỏ nhất mà n+ 1

x chia hết cho đa thức g(x) là n= 25− 1 = 31 Trái lại g(x) =x5+x4+x3+x2+x+ 1 không phải là nguyên thủy vì:

Trang 35

)1)(

1(

x

n nhỏ nhất là 6 không bằng 31

Số các đa thức nguyên thủy bậc m bằng: 1 ( 2m− 1 )

mψ

(1.21)trong đó ψ(n) là hàm Euler xác định bởi : = ∏ − 

n

p p n

n

/

1 1 )

(

ψ (1.22)

Ở đây: p/n kí hiệu tất cả các ước số nguyên tố của n Hàm Euler ψ(n)

bằng số các số nguyên dương nhỏ hơn n và là các số nguyên tố tương đối so với

Ta có thể tìm các đa thức nguyên thủy bằng cách chọn thử Nhiều bảng

đa thức nguyên thủy đã được công bố ở những tài liệu khác nhau

Đa thức nguyên thủy là đa thức tối giản, nghĩa là ta không thể phân tích nó thành các đa thức thừa số có số mũ thấp hơn, nhưng ngược lại thì không đúng Một đa thức tạo mã không nguyên thủy có thể cho một chuỗi có chu kỳ nhỏ hơn 2m− 1 Ví dụ như đa thức g(x) =x5+x4+x3+x+ 1 là đa thức nguyên thủy và nó tạo ra một chuỗi m có chu kỳ n= 25− 1 = 31 như ta đã thấy Trái lại

đa thức tạo mã g(x) =x4+x3+x2+x+ 1 không phải là đa thức nguyên thủy

Trang 36

(mặc dù có thể chỉ ra rằng nó không chứa thừa số nào có bậc nhỏ hơn và vì thế là đa thức tối giản, hay đa thức nguyên tố), vì nó tạo ra một chuỗi có chu kỳ là 5 thay vì 24 − 1 = 15

Chuỗi M có hàm tự tương quan dạng đầu đinh:

N

N j

j i

c j c N

i

1 1

0 ( 1 )

1 )

c Chuỗi GOLD:

Các chuỗi m có hàm tự tương quan dạng đầu đinh tuần hoàn nên chuỗi

m là loại chuỗi rất hoàn hảo cho hoạt động đồng bộ mã Đối với thông tin bất đồng bộ nhiều người sử dụng trong hệ thống thông tin CDMA thì cần có một tập lớn các chuỗi ngẫu nhiên có các giá trị tương quan chéo nhỏ

Giả sử ta định nghĩa tương quan chéo tuần hoàn của hai chuỗi (có thể là phức)

1 2

v =∑− ∈

,)

(

1

0

* 1 , (1.23) trong đó chỉ số n + i được tính theo mod N (chia cho N lấy dư ) Cần đảm bảo các giá trị tương quan chéo ở mọi lần dịch tương đối đủ nhỏ để nhiễu giao thoa tương hỗ (xuyên âm) giữa hai người sử dụng nhỏ Số chuỗi m độ dài

Một họ các chuỗi tuần hoàn có thể đảm bảo các tập chuỗi có tương quan chéo tuần hoàn tốt là các chuỗi Gold Có thể xây dựng một tập N+2 các

Trang 37

chuỗi Gold độ dài = 2m− 1

N từ một cặp các chuỗi m được ưa chuộng (Preferred Pair) có cùng chu kỳ N

Một cặp chuỗi m, x và y, được gọi là cặp chuỗi ưa chuộng khi chúng có hàm tương quan chéo ba trị: ρ ,y(n) = − 1 , −t(m), hay t(m) − 2 (1.24)

đôí với tất cả độ dịch n, trong đó [ ( 2 / 2 ]

21)( = + m+m

1

, , , , ,y y y y y

y

T− = N− là dịch vòng trái của y Đại lượng tương quan cực đại cho hai chuỗi Gold bất kỳ trong cùng một tập bằng hằng số t(m) Cặp các chuỗi m ưa chuộng không tồn tại đối với m= 4, 6, 12, 16

Dưới đây là một ví dụ cho các chuỗi Gold có m = 3:

Có tất cả 1/3ψ(7) = 2 chuỗi m khác nhau bằng cách dịch vòng với độ dài 7 Hai đa thức nguyên thủy bậc m= 3 là (x3 + x2 +1) và (x3 + x +1) tạo ra các chuỗi x=1001011 và y=1001110 ( nạp khởi đầu cho cả hai thanh ghi dịch này là 001 )

Dễ dàng kiểm tra rằng hàm tự tương quan của cả hai chuỗi này đều là cùng một hàm có dạng đầu đinh Ngoài ra hàm tương quan chéo của cặp chuỗi

m sẽ có ba trị: -1, -5, hay 3, vì thế x và y là cặp ưa chuộng của các chuỗi m

Tỉ số t(m) / N = 2-m/2 tiến tới 0 theo hàm mũ khi m tiến tới vô hạn Điều này cho thấy rằng các chuỗi Gold dài hơn sẽ cho một tập mã đa truy cập tốt hơn

d Hệ số trải phổ (spreading factor):

Trang 38

Số chip trên một kí tự N được gọi là hệ số trải phổ, độ lợi trải phổ, hoặc độ lợi xử lý:

• Trong hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp đồng bộ trực giao, số người dùng tích cực đồng thời trong hệ thống là nhỏ hơn hoặc bằng

N

• Với một mức tương quan chéo cực đại cho trước, số tín hiệu trải phổ đồng bộ hoặc không đồng bộ tăng theo N Phương sai của hàm tương quan chéo giữa hai tín hiệu trải phổ được chọn một cách ngẫu nhiên và độc lập là 1/N

• Giá trị N lớn sẽ làm tăng tính bảo mật của hệ thống, cản trở những máy thu không dụng ý nhận ra dạng sóng tín hiệu cũng như nghe trộm những thông tin đã phát

• Do mức phổ năng lượng của tín hiệu trải phổ tỉ lệ nghịch với N góp phần làm giảm nhiễu được gây ra trên những đường truyền băng hẹp

• Sự suy giảm hiệu suất gây ra bởi jammer băng hẹp giảm theo N Trong trường hợp không có nhiễu nền, jammer băng hẹp với công suất lên đến 10log10 N dB trên tín hiệu trải phổ sẽ không có lỗi

1.2 DUNG LƯỢNG MẠNG CDMA:

Trang 39

Ở các hệ thống đa truy nhập khác CDMA, mỗi đối tượng sử dụng của một hệ thống đa truy nhập được cung cấp những tài nguyên nhất định như là tần số hoặc một số khe thời gian hoặc cả hai, các tài nguyên của mỗi đối tượng sử dụng phân biệt riêng rẽ với các tài nguyên của các đối tượng sử dụng khác trong hệ thống Bằng cách này kênh đa truy nhập giảm đi nhiều lần số kênh điểm nối điểm, giả thiết rằng có sự cách ly hoàn toàn giữa tài nguyên truyền dẫn của mỗi kênh truyền chỉ đối với toàn bô các đối tượng sử dụng khác Dung lượng của mỗi kênh truyền chỉ bị hạn chế bởi băng tần hoặc số khe thời gian được cấpcho nó Do đó, dung lượng ghép lại của các thành phần riêng rẽ của các kênh đa truy nhập sẽ bằng dung lượng của một đối tượng sử dụng chiếm giữ toàn bộ tài nguyên ghép của tất cả các kênh riêng rẽ Từ những kết luận trên rút ra ba hạn chế cơ bản sau:

– Tất cả đối tượng sử dụng trong hệ thống phát liên tục trong cùng một khoảng thời gian Điều này chỉ có thể gần đúng trong trường hợp hai đối tượng sử dụng trao đổi dữ liệu Đối với truyền tiếng nói trong trao đổi thông tin hai chiều chỉ khoảng 35% Các máy thu FDMA và TDMA trải qua trễ thời gian dài khi phân bố lại các kênh vì vật các tính chất đối với tốc độ tải tiếng nói thấp như vậy không thể được sử dụng đầy đủ

– Trong các hệ thống đa truy nhập, việc qui hoạch tần số là điều tất yếu, không chỉ đối với thông tin quảng bá mà đặc biệt đối với mạng thông tin

di động Với việc sử dụng lại tần số ở những vùng khác (về khoảng cách địa ly) cần phải tính đến ảnh hưởng của nhiễu, và yêu cầu chất lượng tín hiệu

Đây là một vấn đề đối với những vùng trung tâm nơi mà số lượng người sử dụng có mật độ cao, dung lượng trao đổi thông tin lớn

Trang 40

– Sự giảm chất lượng chung đối với tất cả các hệ thống đa truy nhập, đặc biệt là trong các môi trường mặt đất, là phading nhiều đường Sự triệt pha giữa các đường truyền sóng khác nhau có thể gây ra phading nghiêm trọng làm giảm công suất tín hiệu dự phòng dẫn đến tăng hiệu ứng nhiễu Hiện tượng này càng ảnh hưởng nghiêm trọng tới chất lượng tín hiệu khi đối tượng sử dụng được cấp một băng tần hẹp

Với hệ thống trải phổ: Việc cấp phát tài nguyên được đề cập khác hoàn toàn so với các hệ thống khác: không tìm cách phân phối tài nguyên tần số hoặc khe hời gian cho từng đối tượng sử dụng, mà thay vào đó toàn bộ tài nguyên băng tần được sử dụng chung cho mọi đối tượng sử dụng đồng thời và điều khiển công suất phát đi của mỗi đối tượng sử dụng ở một mức độ tối thiểu (đảm bảo duy trì tỷ số tín hiện / tạp âm cho trước)

Trong băng tần dùng chung, tín hiệu của một người sử dụng sẽ là nền nhiễu cho tất cả các người sử dụng còn lại ngưng chỉ trong giới hạn cho phép Phần nhiễu bổ sung này sẽ là hạn chế dung lượng của hệ thống Tuy nhiên, tài nguyên thời gian và băng tần đối với CDMA là không hạn chế nên dung lượng hệ thống nhận được là đáng kể so với hệ thống khác Ngoài ra dung lượng của hệ thống còn được tăng lên nhờ giải quyết các vấn đề sau:

1.2.1 Tái sử dụng tần số và chia vùng phủ sóng soctor:

Trong hệ thống CDMA một kênh băng tần rộng được dùng cho tất cả các trạm gốc BS, hệ số tái sử dụng tần số CDMA K = 1 Do vậy hệ thống tổ ong CDMA có thể mở rộng dung lượng dễ dàng với tỉ số tín hiệu trên nhiễu C/I thấp hơn các hệ thống tổ ong khác (FMA, TDMA) Đó là vì hệ thống

Tiêu đề	Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA
Tác giả	Dương Thị Cẩm Tú
Người hướng dẫn	TS. Võ Xuân Tựu
Trường học	Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện tử
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ
Năm xuất bản	2007
Thành phố	TPHCM

Định dạng
Số trang	141
Dung lượng	1,3 MB