HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG đa NGƯỜI DÙNG

Việc xử lý của chúng ta về hệ thống thông tin liên lạc đến thời diểm này đã được tập trung vào một liên kết duy nhất liên quan đến một máy phát và một máy thu. Trong chương này, tập trung chuyển cho nhiều người dung và nhiều liên kết thông tin liên lạc. Chúng tôi khám phá những cách khác nhau, trong đó nhiều người dung truy cập vào một kênh phổ biến để truyền thông tin. Các phương pháptruy cập đa người dung được môt tả trong chương này là cơ sở cho mạng lưới giao thông có dây và không dây hiện tại và tương lai, như mạng lưới truyền hình vệ tinh, mạng lưới thông tin liên lạc di động và điện thoại di động, và mạng lưới âm thanh dưới nước.

TRUYỀN THÔNG ĐA NGƯỜI DÙNG

Việc xử lý của chúng ta về hệ thống thông tin liên lạc đến thời diểm này đã được tập trung vào một liên kết duy nhất liên quan đến một máy phát và một máy thu Trong chương này, tập trung chuyển cho nhiều người dung và nhiều liên kết thông tin liên lạc Chúng tôi khám phá những cách khác nhau, trong đó nhiều người dung truy cập vào một kênh phổ biến để truyền thông tin Các phương pháptruy cập đa người dung được môt tả trong chương này là cơ sở cho mạng lưới giao thông có dây và không dây hiện tại và tương lai, như mạng lưới truyền hình vệ tinh, mạng lưới thông tin liên lạc di động và điện thoại di động, và mạng lưới âm thanh dưới nước

15-1 GIỚI THIỆU VỀ KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP

Đây là một bài học để phân biệt giữa các loại của hệ thống thông tin liên lạc đa người dùng Một loại là một hệ thống truy cập đa người dùng, trong đó một số lượng lớn người dùng chia sẻ một kênh thôn g tin chung để truyền tải thông tin đến người nhận Một hệ thống như vậy được mô tả trong hình 15-1-1

Hình 15-1-1: Hệ thống đa truy nhập

Kênh chung có thể là liên kết trong một hệ thống truyền thông bằng vệ tinh, hoặc cáp để được kết nối một tập hợp các thiết bị đầu cuối truy cập vào một máy tính trung tâm, hoặc một số băng tần vô tuyến được sử dụng bởi nhiều người dùng

để liên lạc với một máy thu vô tuyến điện Một ví dụ, trong một hệ thống liên lạc

di động kiểu tế bào, người sử dụng là các máy phát di động trong bất kỳ tế bào đặc biệt của hệ thống và người nhận cư trú tại các trạm cơ sở của tế bào đặc biệt đó Loại thứ hai của hệ thống truyền thông đa người dùng là một mạng lưới phát rộng, trong đó một máy phát đơn gửi thông tin cho nhiều người nhận, như mô tả trong hình 15-1-2

Hình 15-1-2: Mô hình mạng phát rộng.

Mô hình về các hệ thống phát sóng bao gồm các hệ thống vô tuyến và truyền

phát truyền hình thông thường, cũng như để giảm các liên kết trong hệ thống vệ tinh

Các mạng đa truy nhập và phát rộng có lẽ là hệ thống liên lạc đa người dung phổ biến nhất

Loại thứ ba của hẹ thống đa người dung là mạng lưu trữ và chuyển tiếp, như

mô tả ở hình 15-1-3

Hình 15-1-3: Mạng liên lạc lưu trữ và gửi chuyển tiếp bằng Rơ- le vệ tinh.

Còn loại thứ tư là hệ thống thông tin liên lạc hai chiều như trong hình 15-1-4

Hình 15-1-4: Kênh liên lạc hai chiều.

Trong chương này, chúng tôi tập trung vào những phương pháp cho truyền thông đa người dung Nói chung, có nhiều cách khác nhau trong đó nhiều người dung có thể gửi thông tin thông qua các kênh thông tin liên lạc tới người nhận Một

cách đơn giản là chia nhỏ băng thông của kênh sẵn có thành các phần tử nhỏ, gọi là

N, và tần số các kênh con đó không chồng phủ lên nhau, như mô tả ở hình 15-1-5,

và mỗi kênh con cấp phát cho một người dùng theo yêu cầu của người sử dụng

Hình 15-1-5: Sự phân vùng kênh mà không làm chồng lấn các băng tần.

Phương pháp này được gọi là “ đa truy nhập phân chia tần số” (FDMA), và thường được sử dụng trong các kênh truyền hình hữu tuyến phù hợp cho nhiều người sử dụng trong việc truyền dữ liệu và tiếng nói

Một cách khác để tạo ra các kênh con cho đa truy nhập là chia nhỏ khoảng thời gian T, được gọi là khoảng thời gian mành; và tạo được N khoảng con như thế không chồng phủ lên nhau, mỗi khoảng là T/N Sau mỗi lần người sử dụng muốn truyền thông tin thì sẽ được gán tới một khoảng thời gian đặc biệt trong mỗi

khung Phương pháp đa truy nhập này được gọi là “ Đa truy nhập phân thời”

(TDMA) và nó thường được sử dụng trong truyền dữ liệu và âm thanh số

Nhận thấy rằng trong FDMA và TDMA, về cơ bản kênh được phân chia độc lập thành các kênh con sử dụng đơn lẻ Theo đó, các phương pháp thiết kế hệ thống truyền thông mà chúng tôi đã mô tả cho truyền thông một người dùng có thể áp dụng trực tiếp và không có những vấn đề mới phải gặp trong môi trường đa truy nhập, ngoại trừ các nhiệm vụ được thêm vào do người dung ấn định cho những kênh sẵn có

Những vấn đề thú vị phát sinh khi các dữ liệu từ người sử dụng truy cập vào mạng là bùng phát trong tự nhiên Nói cách khác, truyền thông tin từ một người sử dụng được ngăn cách bởi các giai đoạn không truyền tải, nơi những giai đoạn của

sự im lặng có thể lớn hơn các giai đoạn truyền tải Đó thường là trường hợp người

sử dụng ở các thiết bị đầu cuối khác nhau trong một mạng lưới truyền thông máy tính bao gồm một máy tính trung tâm Một mức độ nào đó, đây cũng là trường hợp

trong các hệ thống truyền thông di động kiểu tế bào mang theo giọng nói số hóa, từ tín hiệu phát chứa tạm dừng lâu dài

Trong đó một môi trường mà chuyển giao từ nhiều người sử dụng khác nhau là

sự truyền loạt và năng suất tải thấp, FDMA và TDMA có xu hướng trở nên vô hiệu bởi chắc chắn phần trăm khả dụng của các khe tần số có sẵn hoặc các khe thời gian được ấn định sẽ khoogn truyền tải được thông tin Cuối cùng, một hệ thống đa truy nhập được thiết kế không hiệu quả sẽ giới hạn số lượng người dung đồng thời của kênh

Một thay thế cho FDMA và TDMA là cho phép nhiều người dùng có thể chia sẻ một kênh hoặc kênh phụ bằng cách sử dụng trực tiếp chuỗi các tín hiệu trải phổ Trong phương pháp này, mỗi người sử dụng được gán một chuỗi mã duy nhất hoặc một chuỗi các ký hiệu cho phép người sử dụng có thể mở rộng tín hiệu thông tin trên dải tần số ấn định Do đó, tín hiệu từ những người sử dụng khác nhau được phân tách ở người nhận bằng tương quan chéo của tín hiệu nhận được với mỗi chuỗi ký hiệu mà người dùng có thể Bằng việc tạo ra các dải mã để có những mối tương quan tương đối nhỏ, nhiễu xuyên tâm vốn có trong giải điều chế các tín hiệu nhận từ nhiều máy phát Phương pháp đa truy nhập này được gọi là “Đa truy nhập phân chia mã”

Trong CDMA, người dung truy cập vào các kênh một cách ngẫu nhiên Do đó, các tín hiệu được truyền đi trong nhiều người sử dụng hoàn toàn trùng nhau cả về thời gian và tần số Các giải điều chế và tách các tín hiệu ở người nhận được hỗ trợ bởi thực tế là mỗi tín hiệu được lan truyền trong tần số của các chuỗi mã giả ngẫu nhiên Đôi khi, CDMA được gọi là trải phổ đa truy nhập (SSMA) Một thay thế cho công nghệ CDMA là truy cập ngẫu nhiên nonspread Trong trường hợp này, khi hai người dùng cố gắng sử dụng các kênh chung cùng một lúc, thì chúng sẽ bị

va chạm và giao thoa với nhau Khi điều đó xảy ra, thông tin sẽ bị mất và phải được truyền lại Để xử lý va chạm, người ta phải thiết lập các giao thức truyền lại cho các thông báo có va chạm.Giao thức về lập kế hoạch truyền lại thông báo va chạm được mô tả dưới đây

15-2 KHẢ NĂNG THÔNG QUA CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐA TRUY NHẬP

Thật thú vị khi so sánh FDMA, TDMA, và CDMA về tỷ lệ thông tin bởi mỗi phương pháp truy cập đều thực hiện được trong một kênh AWGN lý tưởng băng thông W Chúng ta hãy so sánh khả năng của K người sử dụng , trong đó mỗi

người sử dụng có công suất trung bình Pi ~ P, và 1<=i <= K Nhớ lại rằng, trong một kênh AWGN lý tưởng với bang thông giới hạn là W, công suất của một người được thể hiện ở:

½ N0 : mật độ phổ năng lượng của nhiễu cộng

Trong FDMA, mỗi người dùng được cấp phát một băng thông là W/K

Do đó, công suất của mỗi người dùng là:

Và tổng khả năng thông qua của K người sử dụng là:

Do đó, tổng công suất tương đương với của một người sử dụng với năng lượng trung bình: Pav = KP

Nhớ rằng, với một băng thông W cố định, tổng công suất tiến tới vô cùng như

số lượng người sử dụng tăng tuyến tính với K Mặt khác, khi K tăng, mỗi người dùng được phân bổ một băng thông nhỏ hơn (WFK), và kết quả , công suất cho mỗi người dùng giảm Hình 15-2-1 minh họa công suất CK cho mỗi người dùng chuẩn hóa bới dải thông kênh W, như một đặc trưng của Eb/No , với K là tham số Biểu thức:

Một cách ngắn gọn hơn (15-2-4) thu được bằng cách xác định chuẩn hóa:

Hình 15-2-1: Công suất chuẩn hóa đặc trưng bởi E b /N o trong FDM

Tổng công suất Cn= KCn/W, đó là tổng tỷ lệ bit cho tất cả người dùng K trên một đơn vị băng thông Do đó, (15-2-4) có thể được thể hiện như:

Tương đương:

Đồ thị của Cn phụ thuộc Eb/No được thể hiện ở hình 15-2-2

Hình 15-2-2: Tổng công suất cho mỗi Hz phụ thuộc vào tỉ số Eb/No trong FDMA

Chúng ta nhận thấy rằng Cn tang theo Eb/No, tang theo giá trị tối thiểu là ln2

Trong hệ thống TDMA, mỗi người dùng truyền 1/K thời gian của kênh băng thông

W, với năng lượng trung bình KP Do đó, công suất cho mỗi người dùng là:

Công suất đó là như nhau trong hệ thống FDMA, Tuy nhiên, từ một quan điểm thực tế, chúng ta cần nhấn mạnh rằng, trong TDMA, nó có thể không cho các máy phát duy trì một năng lượng truyền là KP khi K là rất lớn Do đó, có một giới hạn thực tế xa hơn nữa là công suất máy phát không thể tăng K tăng lên

Trong hệ thống CDMA, mỗi người dùng phát đi một tín hiệu giả ngẫu nhiên băng tần W và năng lượng trung bình là P Công suất của hệ thống phụ thuộc vào mức độ hợp tác giữa K người dùng Ở một thái cực mà CDMA bất hợp tác, trong

đó tín hiệu máy thu từ mỗi người dùng không biết các dạng sóng lan rộng của người sử dụng khác, hoặc chọn để bỏ qua chúng trong quá trình giải điều chế Do

đó, các tín hiệu từ những người dùng khác xuất hiện như sự can thiệp đối với mỗi người nhận Trong trường hợp này, máy thu đa người dùng như một bộ của K máy thu đơn lẻ Nếu chúng ta giả định rằng dạng sóng tín hiệu giả ngẫu nhiên của mỗi người dùng là……

Do đó, công suất cho mỗi người dùng là:

Tương đương với:

Hình 15-2-3 minh họa đồ thị của CK/W so với Eb/No, với K là một tham số

Đối với một số lượng lớn người sử dụng, chúng ta có thể sử dụng xấp xỉ: ln(x+1) ≤ x

Do đó:

Tương đương:

Trong trường hợp này, chúng ta nhận thấy rằng tổng công suất không tăng so với K như trong TDMA và FDMA

Mặt khác, giả sử rằng K người dùng hợp tác bằng cách truyền đồng bộ trong một thời gian, và máy thu đa người dùng nhận biết được sự phân bố các dạng sóng của tất cả người dùng và đồng thời phát hiện tất cả các tín hiệu và dải điều chế của người sử dụng Vì vậy, mỗi người dùng được gán một định mức là Ri, 1≤ i ≤ K, và một bảng mã chứa một bộ có 2nRi từ mã của công suất P Trong mỗi khoảng tín hiệu, mỗi người dùng lựa chọn một từ mã tùy ý, là X, từ bảng mã riêng của mình

và tất cả người dùng truyền từ mã của họ cùng một lúc Vì vậy, các bộ giải mã ở máy thu tuân theo:

Trong đó: Z là vecto nhiễu cộng Các bộ giải mã tối ưu tìm kiếm K từ mã, mỗi từ

mã từ một bảng mã, có tổng các vecto nhỏ nhất để thu được vecto Y trong khoảng cách Ơ-Clit

Vùng đinh mức K chiều có thể đạt được cho K người sử dụng trong một kênh AWGN, giả sử công suất cho mỗi người sử dụng được cho bởi công thức sau đây:

Trong trường hợp đặc biệt khi tất cả các định mức là như nhau, bất đẳng thức (15-2-15) chiếm ưu thế hơn (K-1) bất đăng thức khác Điều đó đc hiểu rằng, nếu định mức {Ri, 1≤ i≤ K} từ K người dùng liên kết đồng bộ được lựa chọn để loại bỏ mức công suất cho bởi các bất đẳng thức trên, và xác suất lỗi do K người sử dụng tiến tới 0 khi khối mã có độ dài n tiến tới vô cùng

Từ các lập luận trên, chúng ta kết luận rằng tổng định mức của K người dùng tiến tới vô cùng cùng với K Do đó, người dùng các liên kết đồng bộ, công suất của CDMA có dạng tương tự như của FDMA và TDMA Chú ý rằng, nếu tất cả các các định mức trong hệ thống CDMA được chọn đồng nhất với R, khi đó (15-2-15) giảm:

Đó chính là để hạn chế định mức trong CDMA Trong trường hợp này, hiệu suất định mức của CDMA không cao hơn TDMA và FDMA Tuy nhiên, Nếu định mức của K người dùng được chọn khác nhau thì bất đẳng thức (15-2-13), (15-2-15) thỏa mãn, theo đó có thể tìm được các vị trí trong vùng định mức nhận được, vì vậy tổng định mức cho K người dùng trong CDMA vượt quá khả năng của FDMA

và TDMA

Ví dụ 15-2-1:

Xét trường hợp của hai người sử dụng trong một hệ thống CDMA sử dụng tín hiệu mã hóa như mô tả ở trên Định mức của hai người dùng phải thỏa mãn bất đẳng thức:

Trong đó: P là công suất phát trung bình của mỗi người dùng và W là băng thông tín hiệu Chúng ta hãy xác định mức công suất cho hai người dùng trong hệ thống CDMA

Mức công suất cho hai người dùng trong hệ thống CDMA với các dạng sóng tín hiệu được mã hóa có dạng minh họa như hình 15-2-4, điểm mà:

Ci= W log2(1+ ) , i= 1, 2

Là công suất tương ứng với hai người dùng với P1= P2= P Chú ý rằng, nếu người dùng 1 truyền tải một công suất C, người dùng 2 có thể truyền tải đến mức tối đa:

được minh họa trong hình 15-2-4 ứng với điểm A Kết quả này là một giải thích phù hợp

Hình 15-2-4: mức công suất của hai người dùng trong kênh đa truy nhập CDMA

Lưu ý rằng định mức R2m ứng với các trường hợp trong đó tín hiệu từ người dùng 1 được coi tương đương là một nhiễu cộng trong việc phát hiện ra tín hiệu của người dùng 2 Mặt khác, người dùng 1 có thể truyền tải hết công suất C, khi nhận được tín hiệu phát từ người dùng 2, do đó, có thể loại bỏ ảnh hưởng của nó trong việc phát hiện các tín hiệu của người sử dụng 1

Do tính đối xứng, một tình huống tương tự tồn tại nếu người dùng 2 truyền công suất C2 Khi đó, người dùng 1 có thể truyền phát tới một định mức tối đa

R1m= R2m, điều này được mô tả ở hình 15-2-4 ứng với điểm B Trong trường hợp này, cũng giải thích tương tự như trên, với một hoán đổi trong vai trò của người sử dụng 1 và người sử dụng 2

Các điểm A và B được nối với nhau bằng một đường thẳng Dễ dàng thấy rằng đường thẳng này là ranh giới của vùng định mức đạt được, từ bất kỳ điểm nào trên

đường ứng với định mức tối đa W.log 2 (1+ 2PIWN o ), có thể thu được bằng cách

đơn giản là chia sẻ thời gian các kênh giữa hai người sử dụng

Trong phần tiếp theo, chúng ta xem xét các vấn đề về phát hiện tín hiệu của một hệ thống CDMA đa người dùng và đánh giá hiệu suất và độ tính toán phức tạp của một số cấu trúc máy thu

15-3 ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ

Như chúng ta đã thấy, TDMA và FDMA là các phương pháp đa truy nhập, trong

đó kênh được phân chia độc lập, các kênh con đơn người dùng, tức là, các khe thời gian hoặc các băng tần tuwong ứng không chồng lấn lên nhau Trong CDMA, mỗi người dùng được gán một chuỗi ký hiệu riêng biệt (hoặc dạng sóng), mà người dùng dùng để điều chỉnh và lan truyền các tín hiệu mang thông tin Trình tự ký hiệu cũng cho phép máy thu giải điều chế các thông điệp truyền qua bởi kênh đa người dùng, những người phát tín hiệu đồng thời, và nói chung là không đồng bộ Trong phần này, chúng ta xử lý các giải điều chế và phát hiện ra các tín hiệu

CDMA đa người dùng Chúng ta sẽ thấy rằng các máy dò với khả năng tối ưu lứn nhất có một tính toán phức tạp mà phát triển theo cấp số nhân với số lượng người dùng Như vậy việc phục cụ những phức tạp cao như là một động lực để đưa ra những phát hiện kém tối ưu có độ phức tạp tính toán thấp hơn Cuối cùng, chúng ta xem xét các đặc tính hiệu suất của các máy dò khác nhau

15-3-1 TÍN HIỆU CDMA VÀ CÁC MÔ HÌNH KÊNH

Chúng ta hãy xem xét một kênh CDMA được chia sẻ bởi K người dùng đồng thời Mỗi người dùng được gán một dạng sóng ký hiệu gk (t) trong khoảng thời gian T, trong đó T là khoảng thời gian biểu tượng Một dạng sóng ký hiệu có thể được thể hiện như: