tổng quan về đa truy cập phân chia theo mã và đa sóng mang

TỔNG QUAN VỀ ĐA TRUY CẬP PHÂN CHIA THEO MÃ VÀ ĐA SÓNG MANGĐa truy cập phân chia theo mã CDMA là một kỹ thuật ghép kênh trong đó một số người dùng truy cập đồng thời và bất đồng bộ vào mộ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

-o0o -Tiểu luận môn học

KỸ THUẬT TRẢI PHỔ VÀ CDMA

Đề tài:

“TỔNG QUAN VỀ ĐA TRUY CẬP PHÂN CHIA THEO MÃ VÀ ĐA

SÓNG MANG”

GVHD : TS - TRẦN THỊ HƯƠNG

HVTH : NGUYỄN HUY ANH - LÊ PHƯỚC CHUNG LỚP : CAO HỌC KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- K26

NIÊN KHÓA : 2012 - 2014

TỔNG QUAN VỀ ĐA TRUY CẬP PHÂN CHIA THEO MÃ VÀ ĐA SÓNG MANG

Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) là một kỹ thuật ghép kênh trong đó một số người dùng truy cập đồng thời và bất đồng bộ vào một kênh bằng cách điều chế và lan truyền các tín hiệu mang thông tin với chuỗi chữ ký hiệu được gán trước

Gần đây, kỹ thuật CDMA đã được coi là một kỹ thuật để hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện trong liên lạc vô tuyến di động[1], bởi vì nó có khả năng riêng của mình để ứng phó với tính chất không đồng bộ của lưu lượng truy cập dữ liệu đa phương tiện, để cung cấp công suất cao hơn so với các kỹ thuật truy cập thông thường như truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và truy cập phân chia theo tần số (FDMA), và để chống lại

sự chọn lọc tần số các kênh có hại Kỹ thuật CDMA chuỗi trực tiếp (DS-) và nhảy tần (FH) được đưa ra nghiên cứu rộng rãi

Mặt khác, phương pháp điều chế đa sóng mang thường được gọi là ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) đã thu hút được nhiều sự chú ý trong lĩnh vực thông tin vô tuyến Điều này chủ yếu là do nhu cầu truyền dữ liệu tốc độ cao trong một môi trường điện thoại di động gây ra một kênh vô tuyến có mức độ nguy hại cao Để chống lại các vấn đề đó, OFDM cũng là một giải pháp

Vào năm 1993, một kỷ nguyên của ứng dụng công nghệ CDMA, có ba loại phương pháp đa truy nhập mới dựa trên sự kết hợp của kỹ thuật phân chia theo mã và kỹ thuật OFDM đã được đề xuất, đó là "đa sóng mang Multicarrier (MC-) CDMA", "đa sóng mang DS-CDMA," và "multitone (MT-) CDMA." Các phương pháp này được phát triển bởi các nhà nghiên cứu khác nhau, cụ thể là, MC-CDMA bởi N Yee, JP Linnartz và G Fettweis [2], K Fazel và L Papke [3], và A Chouly, A Brajal và S Jourdan [4]; Multicarrier DS-CDMA bởi V DaSilva and E S Sousa [5]; và MT-CDMA bởi L Vandendorpe [6], những tín hiệu này có thể dễ dàng truyền đi và nhận bằng cách sử dụng thiết bị biến đổi Fourier nhanh (FFT) mà không làm tăng độ phức tạp bên phát và bên thu,

và có hiệu suất phổ cao do khoảng cách giữa các sóng mang con có mật độ tối thiểu Bài viết này sẽ xét ba kỹ thuật Multicarrier CDMA, và thảo luận về ưu và nhược điểm của chúng đối với bên phát và bên thu, hiệu quả quang phổ và tỷ lệ lỗi bit (BER) đường xuống trong một kênh fading Rayleigh chậm có chọn lọc tần số

Kỹ thuật Muticarrier CDMA và các cấu trúc bên phát

Kỹ thuật OFDM mạnh đối với fading lựa chọn tần số, nó có nhược điểm lớn là khó khăn trong việc đồng bộ hóa sóng mang con và nhạy cảm với bù tần số và khuếch đại không tuyến tính, mà kết quả từ thực tế là nó bao gồm rất nhiều sóng mang con với năng

Do đó, các kỹ thuật Multicarrier CDMA không tránh khỏi có những hạn chế tương tự Tuy nhiên, sự kết hợp của tín hiệu OFDM và kỹ thuật CDMA có một lợi thế lớn là nó có thể làm giảm tỷ lệ symbol trong mỗi sóng mang con nhằm mục đích một symbol dài hơn

dễ dàng truyền bán đồng bộ hơn

Các kỹ thuật Multicarrier CDMA được phân loại chủ yếu thành hai nhóm Một là lan truyền các dòng dữ liệu ban đầu bằng cách sử dụng mã trải phổ được cho trước, và sau đó điều chế một sóng mang con khác nhau với mỗi chip (theo một nghĩa nào đó, hoạt động lan truyền trong miền tần số) [2-4], và các lan truyền nối tiếp-to-song song (S/P) khác chuyển đổi dòng dữ liệu sử dụng một mã trải phổ được cho trước, và sau đó điều chế sóng mang con khác nhau với mỗi dòng dữ liệu (các hoạt động lan truyền trong miền thời gian) [5, 6], tương tự như một kỹ thuật DS-CDMA bình thường Để tập trung về sự khác biệt giữa các chương trình, trước hết chúng ta giải thích một kỹ thuật DS-CDMA cơ bản

Kỹ thuật DS-CDMA

Bên phát DS-CDMA lan truyền các dòng dữ liệu ban đầu bằng cách sử dụng mã trải phổ được cho trước trong miền thời gian Khả năng khử sự nhiễu multi-user được xác định bởi đặc tính tương quan chéo của các mã lan truyền Ngoài ra, một kênh fading lựa chọn tần số được đặc trưng bởi sự chồng lấn của một số tín hiệu khác nhau với độ trễ khác nhau trong miền thời gian [1] Do đó, khả năng phân biệt một thành phần từ các thành phần khác trong các tín hiệu tổng hợp nhận được được xác định bởi đặc tính tự động tương quan của các mã lan truyền

Hình 1a và 1b biểu diễn DS-CDMA bên phát của user thứ j cho kỹ thuật khóa dịch

pha nhị phân / phát hiện kết hợp (CBPSK) và phổ năng lượng của tín hiệu truyền, tương

ứng, với G DS biểu thị độ lợi xử lý và C j (t) = [C j

1 C j

2 - C j

GDS ] mã trải phổ của user thứ j

Kết hợp lan truyền trong miền tần số và điều chế đa sóng mang – Kỹ thuật

MC-CDMA

Bên phát MC-CDMA lây truyền các dòng dữ liệu ban đầu trên các sóng mang con khác nhau bằng cách sử dụng mã trải phổ được cho trước trong miền tần số [2-4] Nói cách khác, một phần nhỏ của symbol tương ứng với một chip của mã trải phổ được truyền qua một sóng mang con khác nhau Trong một kênh thông tin vô tuyến di động đường xuống, chúng ta có thể sử dụng các mã Hadamard Walsh là một tập trực giao tối ưu, bởi

vì chúng tôi không cần phải chú ý đến các đặc điểm tự động tương quan của các mã trải phổ

Hình 2 a và b biểu diễn bên phát MC-CDMA của user thứ j cho chương trình

CBPSK và phổ năng lượng của tín hiệu truyền, tương ứng, trong đó G MC biểu thị độ lợi xử

lí, N C là số lượng sóng mang con, C j (t) = [C j

1 C j

2 - C j

GMC ] mã trải phổ của user thứ j.

Trong [2], một kỹ thuật MC-CDMA được thảo luận với giả định rằng số lượng các sóng

mang con và độ lợi xử lý đều là như nhau Vì vậy, trong hình này, ta giả định Nc = G MC

Tuy nhiên, ta không lựa chọn N C = G MC, và thực chất, nếu tỷ lệ symbol ban đầu là

đủ cao để trở thành fading lựa chọn tần số, tín hiệu cần phải được chuyển đổi S/P đầu tiên trước khi lan truyền trên miền tần số Điều này là bởi vì nó là rất quan trọng đối với truyền đa sóng mang để có fading không lựa chọn tần số trên mỗi sóng mang con [7] Hình 3 cho thấy việc sửa đổi để đảm bảo fading không lựa chọn tần số, trong đó Ts biểu thị độ dài symbol ban đầu, và các chuỗi dữ liệu ban đầu chuyển đổi trước tiên thành chuỗi

P song song, và sau đó mỗi chuỗi được ánh xạ lên GMC sóng mang con (N C = P x G MC ).

Ngoài ra, lựa chọn đúng đắn số sóng mang con và khoảng bảo vệ rất quan trọng để tăng sự vững mạnh chống lại fading lựa chọn tần số Cho đặc tính của một kênh fading đa đường nhanh có chọn lọc tần số, tồn tại giá trị tối ưu để giảm thiểu BER trong số sóng mang con và chiều dài của khoảng bảo vệ [8]

Kết hợp của lan truyền trong miền thời gian và điều chế đa sóng mang

Có hai kỹ thuật tương ứng với phương pháp này Trong cả hai kỹ thuật, khi thiết lập số lượng sóng mang con là một, chúng trở nên tương đương với một kỹ thuật DS-CDMA bình thường

Kỹ thuật DS-CDMA đa sóng mang

Máy phát Multicarrier DS-CDMA lan truyền dòng dữ liệu đã chuyển đổi S/P sử dụng một

mã trải phổ được cho trước trong miền thời gian để kết quả phổ của mỗi sóng mang con

có thể đáp ứng các điều kiện trực giao với sự rời rạc tần số tối thiểu [5]

Kỹ thuật này ban đầu được đề xuất cho đường uplink của kênh truyền thông, bởi vì sự ra đời của tín hiệu OFDM trong kỹ thuật DS-CDMA là hiệu quả cho việc thiết lập một kênh bán đồng bộ

Hình 4a và b biểu diễn DS-CDMA đa sóng mang bên phát của user thứ j và phổ năng

lượng của tín hiệu truyền, tương ứng, với G MD biểu thị độ lợi xử lý, N C là số lượng sóng

mang con, C j (t) = [C j

1 C j

2 - C j

GMD ] mã trải phổ của user thứ j

Trong [9], một kỹ thuật đa sóng mang dựa vào DS-CDMA với khoảng cách các sóng mang con lớn hơn được đề xuất để mang lại cả sự cải thiện về đa dạng tần số và khử

nhiễu băng hẹp Thêm vào đó, một kỹ thuật đa sóng mang dựa vào DS-CDMA để truyền tải cùng một dữ liệu sử dụng nhiều sóng mang con, được đề xuất trong [10]

Kỹ thuật MT-CDMA

Bên phát MT-CDMA lan truyền dòng dữ liệu đã chuyển đổi S/P sử dụng mã trải phổ được cho trước trong miền thời gian nhằm mục đích phổ của mỗi sóng mang con trước đó để hoạt động lan truyền thỏa mãn điều kiện trực giao với khoảng cách tần số nhỏ nhất [6] Do đó, kết quả phổ của mỗi sóng mang con không còn đáp ứng các điều kiện trực giao Kỹ thuật MT-CDMA sử dụng mã trải phổ tương ứng với số lượng sóng mang con, so với kỹ thuật DS-CDMA bình thường (đơn sóng mang), vì vậy, hệ thống có thể phục vụ nhiều người dùng hơn các kỹ thuật DS-CDMA

Hình 5a và b biểu thị bên phát MT-CDMA của user thứ j đối với kỹ thuật CBPSK

và phổ năng lượng của tín hiệu truyền đi tương ứng, với G MT biểu thị độ lợi xử lý, N C là số

sóng mang con, và C j (t) = [C j

1 C j

2 - C j

GMT ] là mã trải phổ của user thứ j

So sánh các tính năng hệ thống

Bảng 1 biểu thị sự so sánh các tính năng hệ thống Khi một xung hình chữ nhật được sử dụng trong kỹ thuật DS-CDMA, tương tự như các kỹ thuật khác, băng thông cần thiết của MC-CDMA và Multicarrier DS-CDMA hầu như rộng gần bằng một nửa của kỹ thuật DS-CDMA, và kỹ thuật MT-CDMA hầu như cùng một băng thông như kỹ thuật DS-CDMA Tuy nhiên, khi bộ lọc Nyquist với một yếu tố rolloff nhỏ được sử dụng trong

kỹ thuật CDMA, băng thông cần thiết của MC-CDMA và kỹ thuật Multicarrier DS-CDMA có thể so sánh được với kỹ thuật DS-DS-CDMA

CẤU TRÚC BÊN THU

Kỹ thuật DS-CDMA

Bên thu DS-CDMA người dùng đơn Rake chứa các bộ đa tương quan, mỗi bộ được đồng bộ hóa với một đường phân giải khác nhau trong các tín hiệu tổng hợp thu được (hình 1c) Khả năng tỷ lệ lỗi bit BER phụ thuộc vào có bao nhiêu finger bên thu Rake sử dụng Thông thường, 1,2,4,4-finger bên thu Rake sử dụng tùy thuộc vào giới hạn phần cứng Ngoài ra, khi các bộ lọc Nyquist được giới thiệu trong các máy phát và thu cho định hình xung băng tần cơ sở, máy thu Rake có thể kết hợp sai đường dẫn Điều này

là do nhiễu gây ra biến dạng trong một đặc tính tự động tương quan thường dẫn đến sai tương quan Trong một hệ thống DS-CDMA dựa trên cấu trúc Rake, công suất hệ thống được giới hạn bởi nhiễu tự kích (SI) và nhiễu đa truy nhập (MAI), mà là kết quả của đặc tính tự động tương quan không hoàn hảo và đặc tính tương quan chéo không hoàn hảo của

mã trải phổ tương ứng

Một máy thu đơn người dùng xử lý các tín hiệu thu được do người dùng khác kích hoạt như sự nhiễu trạm, trong khi một bộ phát hiện đa người dùng (MUD), người nhận cùng

nhau phát hiện những tín hiệu để giảm thiểu các thuộc tính không trực giao của các tín hiệu nhận được Kết quả là, hiệu suất được cải thiện nhiều Tuy nhiên, có thể kết luận rằng đó là khó khăn cho máy thu DS-CDMA để tận dụng năng lượng tín hiệu nhận được rải rác trong miền thời gian

Kỹ thuật MC-CDMA

Trong một máy thu MC-CDMA tín hiệu nhận thu được cộng kết hợp trong miền tần số, do đó, người nhận có thể luôn luôn sử dụng tất cả năng lượng tín hiệu nhận được rải rác trong miền tần số Chúng tôi tin rằng đây là lợi thế chính của kỹ thuật MC-CDMA với các kỹ thuật khác Tuy nhiên, thông qua một kênh fading lựa chọn tần số, tất cả các sóng mang con có các mức biên độ và dịch pha khác nhau (mặc dù chúng có mối tương quan cao giữa các sóng mang con), nó cho kết quả là sự biến dạng của tính trực giao giữa các người dùng

Hình 2c cho thấy máy thu MC-CDMA của người dùng thứ j’, sau khi chuyển đổi nối tiếp-song tiếp-song, các sóng mang con m-thứ được nhân lên với độ lợi qmj¢ để kết hợp năng lượng tín hiệu thu được rải rác trong miền tần số Biến quyết định được đưa ra bởi:

với

Ở đây, y m và n m là thành phần baseband phức hợp của các tín hiệu nhận được sau khi chuyển đổi xuống với sự đồng bộ tần số sóng mang con và nhiễu Gaussian cộng phức hợp

tại các sóng mang con thứ m tương ứng, z m j và a j là những đường bao phức hợp của sóng mang con thứ m và symbol phát cho người dùng thứ j tương ứng, và J là số lượng người

dùng tích cực Ta có thể giả định z m j = zm (j=1,2….J) trong kênh đường xuống.

Trực giao khôi phục kết hợp (ORC)

Trong đường downlink, chọn độ lợi q m j’ = c m j’ z m * /|z m | 2 , máy thu có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu đa người dùng [4,7]:

Tuy nhiên, các sóng mang con ở mức thấp có xu hướng được nhân tăng cao, và các thành phần nhiễu được khuếch đại tại sóng mang con yếu hơn Ảnh hưởng của sự khuếch đại nhiễu này làm giảm hiệu suất BER, mặc dù không có lỗi nền trong phương pháp này

Kiểm soát cân bằng (CE-control equalization)

Phương pháp này ngăn chặn ảnh hưởng khuếch đại nhiễu quá nhiều trong việc phát hiện khôi phục lại tính trực giao Các quyết định được thực hiện dựa trên tổng các thành phần băng tần cơ sở của các sóng mang con có biên độ lớn hơn một ngưỡng phát hiện:

Ở đây, và u(.) là ngưỡng phát hiện và hàm bước nhảy đơn vị Đối với một tỷ lệ năng lượng tín hiệu trên nhiễu cho mỗi bit (E b / N 0 ), tồn tại một ngưỡng tối ưu để giảm thiểu

BER

Phương pháp kết hợp độ lợi bằng nhau EGC (Equal Gain Combining) và phương pháp kết hợp tỷ số cực đại MRC (Maximal Ratio Combining)

Độ lợi đối với phương pháp kết hợp độ lợi bằng nhau và phương pháp kết hợp tỷ

số cực đại được cho bởi

(EGC) và bởi (MRC), tương ứng [2], trong trường hợp một người sử dụng, phương pháp kết hợp tỷ số cực đại có thể giảm thiểu BER

Phương pháp kết hợp sai số trung bình bình phương tối thiểu MMSE (Minimun Mean Square Error Combining)

Trong một kênh tải xuống, phương pháp này ước lượng biểu tượng bởi tổng tuyến tính [4]:

Dựa trên phương pháp kết hợp sai số trung bình bình phương tối thiểu (MMSE) tiêu chuẩn, các lỗi phải trực giao với tất cả các thành phần baseband của sóng mang phụ đã

nhận: Độ lơi được cho bởi: Tại đó, N 0 là công suất nhiễu Chú ý rằng để nhỏ , độ lợi sẽ trở lên nhỏ để tránh sự khuếch đại nhiễu quá mức trong khi để lớn , nó tỷ lệ nghịch với đường bao sóng mang phụ để phục hồi tính trực giao giữa các người dùng Trong [4], phương pháp dựa trên kết hợp sai số trung bình bình phương tối thiểu (MMSE) tiêu chuẩn

đã được đề xuất, mà thích ứng những ước lượng độ lợi tối ưu có tính đến mối tương quan giữa các sóng mang phụ

Khả năng tối đa phát hiện đa user (ML MUD)

Khi tất cả các người sử dụng biết và cho j = 1, 2,…, J và m = 1, 2,…, G MC , phương pháp này tìm thấy một tập hợp , để tối thiểu hàm likelihood theo [3]:

Phương pháp này được áp dụng cho cả những kênh tải lên và tải, nhưng độ phức tạp của phương pháp phát hiện này tăng theo cấp số nhân khi số lượng người dùng tăng lên

Phát hiện đa user EGC – EGC (EGC – EGC MUD)

Trong một kênh tải xuống, phương pháp này đầu tiên ước lượng một tập hợp các bằng công thức kết hợp độ lợi:

và sau đó ước lượng bằng công thức kết hợp độ lợi sau khi loại bỏ các thành phần nhiễu

đa user từ tín hiệu thu:

j ≠ j’

Phương pháp này yêu cầu hiểu biết của các mã lan truyền được gán cho tất cả các người dùng hoạt động

Phát hiện đa user ORC – MRC (ORC – MRC MUD)