Nhiễu đa truy nhập trong hệ thống CDMA và WCDMA

Một trong các hạn chế chính hiện nay là hiệu năng của chúng phụ thuộc vào nhiễu của các người sử dụng cùng tần số, được gọi là nhiễu đa truy nhập MAI - Multi Access Interference.. Chương

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

LỜI CAM ĐOAN 4

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 9

LỜI NÓI ĐẦU 11

PHẦN MỞ ĐẦU 13

1 Lý do chọn đề tài 13

2 Lịch sử nghiên cứu 13

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu 14

4 Tóm tắt nội dung luận văn 14

5 Phương pháp nghiên cứu 15

CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ CDMA và WCDMA 16

1.1 Kỹ thuật trải phổ 16

1.1.1 Giới thiệu 16

1.1.2 Đặc điểm của kỹ thuật trải phổ 17

1.1.3 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản 18

1.1.3.1 Kỹ thuậttrải phổ trực tiếp DSSS 18

1.1.3.2 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FHSS 21

1.2 Đa truy nhập theo mã CDMA 24

1.2.1 CDMA/FDD 26

1.2.2 CDMA/TDD 27

1.3 Đa truy nhập theo mã băng rộng WCDMA 29

1.4 Kết luận 31

CHƯƠNG II: MÃ GIẢ NGẪU NHIÊN 32

2.1 Mã giả ngẫu nhiên 32

2.1.1 Các thuộc tính của mã giả ngẫu nhiên 32

2.1.2 Chuỗi m 34

2.1.2.1 Đặc điểm của chuỗi m 34

2.1.2.2 Tạo chuỗi m 37

2.1.3 Mã Gold 42

2.1.4 Mã trực giao Walsh-Hardamard 44

2.2 Áp dụng mã giả nhẫu nhiên trong hệ thống CDMA và WCDMA 45

2.2.1 Áp dụng mã giả ngâu nhiên trong CDMA 45

2.2.2 Áp dụng mã giả ngẫu nhiên trong WCDMA 46

2.2.2.1 Mã định kênh 47

2.2.2.2 Mã trộn 48

2.2.2.3 Chức năng của các mã trải phổ: 49

2.3 Kết Luận 51

CHƯƠNG III: NHIẾU ĐA TRUY NHẬP TRONG CDMA VÀ WCDMA 52

2.1 Nhiễu đa truy nhập 52

2.1.1 Khái niệm nhiễu đa truy nhập 52

2.3.2 Ảnh hưởng của nhiễu đa truy nhập 53

3.2 Các phương pháp giảm nhiễu MAI 59

3.2.1 Phương pháp tiếp cận nhiếu MAI trong CDMA 59

3.2.2 Các kỹ thuật triệt tiêu nhiễu 60

3.2.2.1 Đồng bộ chuỗi PN 61

3.2.2.2 Điều khiển công suất 64

3.2.2.3 Các cơ chế tách tín hiệu người sử dụng 65

3.2.2.4 Dãy trải phổ PN lồng ghép phi tuyến 75

3.3 Kết luận 85

CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG 86

4.1 Mục đích mô phỏng 86

4.2 Công cụ và nội dung mô phỏng 86

4.3 Kết quả và đánh giá 86

4.3.1 Dãy PN tuyến tính bậc của đa thức sinh là 15 86

4.3.2 Dãy PN lồng ghép phi tuyến với đa thức sinh có bậc 12 90

4.4 Kết luận 108

KẾT LUẬN 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được đề cập trong luận văn “Nhiễu đa truy nhập trong hệ thống CDMA và WCDMA” được viết dựa trên kết quả nghiên cứu theo

đề cương của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn của TS Lê Chí Quỳnh

Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều được trích dẫn dầy đủ nguồn và sử dụng đúng luật bản quyền quy định

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Hà Nội, ngày tháng 03 năm 2012

Học viên

Ngô Văn Thành

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

thứ ba

DS-CDMA Direct Sequence Code Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã dãy trực tiếp

tần số

Spectrum

Trải phổ nhảy tần

FPGA Field Programmable Gate Array Mảng cổng lập trình được dạng

trường

Factor

Mã trực giao có hệ số trải phổ biến đổi

SIC Successive Interference Cancellation Bộ triệt nhiễu nối tiếp

Approximation

Gần đúng hóa Gauss cải tiến dơn giản

thời gian

gian

Access

Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Đa thức nguyên thủy với các bậc khác nhau 42Bảng 4.1 Các pha tương ứng ( ) 105

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Hệ thống thông tin trải phổ 16

Hình 1.2 Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DSSS 18

Hình 1.3 Sơ đồ trải phổ DSSS 19

Hình 1.4 Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ k tín hiệu 20

Hình 1.5 Phổ của tín hiệu FHSS 21

Hình 1.7 Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian 22

Hình 1.6 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FHSS 22

Hình 1.8 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH – SS 23

Hình 1.9 Các công nghệ đa truy nhập 24

Hình 1.10 Nguyên lý của đa truy nhập trải phổ 25

Hình 1.11 Nguyên lý CDMA/FDD 26

Hình 1.12 Sự khác nhau giữa FDD và TDD 27

Hình 1.13 TDD-CDMA 27

Hình 1.14 Phân bố tần số FDD và TDD 29

Hình 2.1 Hàm tự tương quan cho chuỗi m (a) và chuỗi PN (b) 36

Hình 2.2 Mạch thanh ghi dịch để tạo chuỗi PN 37

Hình 2.3 Bộ tạo mã với đa thức g(x) = x + x + x + x + 1 39

Hình 2.4 Mạch thanh ghi tốc độ cao g(x) = x + x + x + x + 1 39

Hình 2.5 Bộ tạo mã Gold với 2 đa thức sinh g1(x) = x +x + 1 và g2(x) = x +x + 1 43

Hình 2.6 Quá trình trải phổ trong WCDMA 46

Hình 2.7 Cây mã OVSF được dùng trong hệ thống 47

Hình 2.8 Cấu trúc cụm và nhóm mã trộn đường xuống 49

Hình 2.9 Tín hiệu sau khi được mã định kênh và mã trộn 49

Hình 3.1 Sơ đồ khối phát và thu trong hệ thống trải phổ 53

Hình 3.2 Mô hình đơn giản của một hệ thống DSSS gồm K người sử dụng chung một băng tần với cùng một sóng mang f c và điều chế BPSK 55

Hình 3.3 Hàm tự tương quan của dãy PN 62

Hình 3.4 Kỹ thuật tách sóng đa truy cập 66

Hình 3.5 Phương pháp khử tương quan 68

Hình 3.6 BER của máy thu khử tương quan theo số user 69

Hình 3.7 Phương pháp tách sóng phương sai nhỏ nhất 70

Hình 3.8 BER của máy thu LMMSE theo số user 71

Hình 3.9 Máy thu tách sóng đa truy cập dùng mạng neuron 73

Hình 3.10 Cấu trúc một Neuron 73

Hình 3.11 Hàm truyền Purelin và Tan-Sigmoid 74

Hình 3.12 Một lớp mạng Neuron 74

Hình 3.13 Hàm tự tương quan của dãy phi tuyến 83

Hình 4.1 Phổ của dãy PN tuyến tính với đa thức sinh bậc 12 87

Hình 4.2 Phổ của dãy PN tuyến tính với đa thức sinh bậc 15 88

Hình 4.3 Hàm tự tương quan của dãy PN tuyến tính đa thức sinh bậc 12 89

Hình 4.4 Tương quan chéo của 2 dãy PN tuyến tính đa thức sinh bậc 12 90

Hình 4.5 Phổ của dãy PN lồng ghép phi tuyến với đa thức sinh có bậc 12 99

Hình 4.6 Hàm tự tương quan của dãy PN lồng ghép phi tuyến với đa thức sinh có bậc 12 100

Hình 4.7 Hàm tương quan chéo của 2 dãy PN lồng ghép phi tuyến với đa thức sinh có bậc 12 101

LỜI NÓI ĐẦU

Đa truy nhập là nền tảng của các hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng Các hệ thống đa truy nhập vô tuyến phân chia theo mã với nhiều

ưu việt so với các công nghệ khác nên ngày càng trở thành công nghệ đa truy nhập chính Đến nay công nghệ này đã trở thành công nghệ thống trị ở Bắc Mỹ và Qualcom

đã đưa ra phiên bản CDMA đầu tiên được gọi là 95A Hiện nay phiên bản mới

IS-2000 và WCDMA đã được đưa ra cho hệ thống thông tin di động thứ ba

Các hệ thống CDMA có rất nhiều ưu điểm nổi trội đặc biệt là bảo mật thông tin nhưng cũng có những hạn chế nhất định Một trong các hạn chế chính hiện nay là hiệu năng của chúng phụ thuộc vào nhiễu của các người sử dụng cùng tần số, được gọi là nhiễu đa truy nhập (MAI - Multi Access Interference) Và hoạt động của hệ thống CDMA sẽ phụ thuộc nhiều vào số lượng người sử dụng thực tế, dẫn đến dung lượng

của hệ thống sẽ bị hạn chế Vì vậy em chọn đề tài: “Nhiễu đa truy nhập trong hệ thống CDMA và WCDMA”

Trong vấn đề này, em đi sâu phân tích nguyên nhân, ảnh hưởng của nhiễu đa truy nhập lên chất lượng của hệ thống và nghiên cứu các phương pháp nhằm giảm thiểu tối đa các ảnh hưởng của nhiễu MAI đang được áp dụng Với cơ sở lý thuyết này,

em thiết kế và đánh giá dãy mã giả ngẫu nhiên bằng phương pháp lồng ghép phi tuyến

sử dụng công cụ Matlab

Trong quá trình thực hiện luận văn, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của thầy cô, gia đình và bạn bè Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ và dạy bảo tận tình của TS Lê Chí Quỳnh đã giúp em hoàn thành luận văn này Em cũng xin gửi lời

cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng luận văn cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót, do kiến thức và kinh nghiệm thực tế của em còn nhiều hạn chế Em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo và tất cả các bạn để em có thể hoàn thiện hơn vốn kiến thức của mình

Hà Nội, tháng 02 năm 2012

Sinh viên

Ngô Văn Thành

PHẦN MỞ ĐẦU

ĐỀ TÀI: “Nhiễu đa truy nhập trong hệ thống CDMA và WCDMA”

TÁC GIẢ: Ngô Văn Thành

mã PN của các thuê bao khác để loại bỏ giao thoa đa truy nhập Tuy nhiên, trong thực

tế các mã PN không hoàn toàn trực giao với nhau nên tồn tại nhiễu MAI

Vì vậy, trong kỹ thuật CDMA nói chung và 3G nói riêng, nhiễu MAI là vấn đề quan trọng được nghiên cứu nhằm đưa ra các biện pháp kỹ thuật để nâng cao chất

lượng tín hiệu và dung lượng hệ thống

2 Lịch sử nghiên cứu

Tháng 05/2011: Nghiên cứu tổng quan về công nghệ CDMA và 3G WCDMA Tháng 7/2011: Nghiên cứu nguyên nhân và ảnh hưởng của nhiễu MAI lên hệ thống CDMA và WCDMA

Tháng 10/2011: Nghiên cứu các phương pháp giảm ảnh hưởng của nhiễu MAI lên hệ thống CDMA và WCDMA

Tháng 12/2011: Nghiên cứu phương pháp thiết kế, đánh giá mã PN lồng ghép phi tuyến và viết code Matlab

Tháng 02/2012: Hoàn thiện nội dung luận văn và viết luận văn

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu về nhiễu đa truy nhập MAI trong hệ thống CDMA và WCDMA: bao gồm phân tích nguyên nhân, ảnh hưởng và các giải pháp kỹ thuật khắc phục nhiễu MAI

4 Tóm tắt nội dung luận văn

Chương I: Công nghệ CDMA và WCDMA

Trình bày về các phương pháp trải phổ và công nghệ đa truy nhập theo mã CDMA, WCDMA

Chương II: Mã giả ngẫu nhiên

Giới thiệu các thuộc tính quan trọng của mã giả ngẫu nhiên; phương pháp thiết

kế và ứng dụng của mã giả ngẫu nhiên trong CDMA và WCDMA

Chương III: Nhiễu đa truy nhập trong CDMA và WCDMA

Trình bày nguyên nhân, ảnh hưởng và các giải pháp kỹ thuật đang được áp dụng cũng như các phương pháp mới đang được nghiên cứu để giảm ảnh hưởng của nhiễu

đa truy nhập lên chất lượng hệ thống sử dụng công nghệ CDMA và WCDMA

Chương IV: Mô phỏng

Thực hiện mô phỏng bằng phần mềm Matlab kỹ thuật để giảm nhiễu MAI: Tạo

mã trải phổ PN phi tuyến bằng phương pháp lồng ghép

5 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: Tổng quan kỹ thuật trải phổ, công nghệ CDMA và WCDMA, phân tích nguyên nhân và ảnh hưởng của nhiễu MAI lên hệ thống CDMA, WCDMA

Nghiên cứu thực nghiệm: Các phương pháp giảm nhiễu MAI được sử dụng trong thực tế

CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ CDMA và WCDMA

Hình 1.1 Hệ thống thông tin trải phổ

Trên hình 1.1, i(t) là tín hiệu tin tức có tốc độ dữ liệu là Ri và băng thông Bi, c(t)

là chuỗi trải phổ có tốc độ ký hiệu là Rc, còn gọi là tốc độ chip Tỷ số băng thông Bs

của tín hiệu trải phổ so với băng thông tin tức Bi được định nghĩa là độ lợi xử lý:

i

S S

1.1.2 Đặc điểm của kỹ thuật trải phổ

Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ

+ Khả năng đa truy cập

Kỹ thuật trải phổ cho phép nhiều người sử dụng cùng hoạt động trên một dải tần, trong cùng một khoảng thời gian mà máy thu vẫn tách riêng được tín hiệu cần thu

Đó là do mỗi người sử dụng đã được cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều người sử dụng, nó tiến hành giải mã và tách ra tín hiệu mong muốn

+ Tính bảo mật thông tin cao

Mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ ở mức rất thấp, gần như mức nhiễu nền Do đó, với các máy thu không mong muốn sẽ rất khó phát hiện được sự tồn tại của tin tức đang được truyền đi trên nền nhiễu Chỉ máy thu biết được chính xác quy luật của chuỗi giả ngẫu nhiên mà máy phát sử dụng mới có thể thu nhận được tin tức

+ Bảo vệ chống nhiễu đa đường

Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín hiệu trên kênh truyền vô tuyến Các tín hiệu được truyền theo các đường khác nhau này đều là bản sao của tín hiệu phát đi nhưng đã bị suy hao về biên độ và bị trễ so với tín hiệu được truyền thẳng Vì vậy tín hiệu thu được ở máy thu đã bị sai lệch, không giống tín hiệu phát đi Sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể tránh được nhiễu đa đường khi tín hiệu trải phổ sử dụng tốt tính chất tự tương quan của nó

1.1.3 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản

Kỹ thuật trải phổ trực tiếp DSSS

Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số FHSS

Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian THSS

1.1.3.1 Kỹ thuậttrải phổ trực tiếp DSSS

Nguyên lý cơ bản

Bộ điều chế băng rộng d(t)

Bộ tạo mã

PN c(t)

Bộ tạo sóng mang

Máy phát

Bộ giải điều chế dữ liệu

Bộ tạo sóng mang

DSSS đạt được trải phổ bằng cách nhân luồng số cần truyền với một mã trải phổ

có tốc độ chip (Rc=1/Tc, Tc là thời gian một chip) cao hơn nhiều tốc độ bit (Rb=1/Tb, Tb

là thời gian một bit) của luồng số cần phát Hình1.3 minh họa quá trình trải phổ trong

đó Tb=15Tc hay Rc=15Rb Luồng số cần truyền x có tốc độ Rb được nhân với một mã trải phổ c tốc độ Rc để được luồng đầu ra y có tốc độ Rc lớn hơn nhiều so với tốc độ Rb

Tại phía thu luồng y được thực hiện giải trải phổ để khôi phục lại luồng x bằng cách nhân luồng này với mã trải phổ c giống như phía phát: x=yc

Trong công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA, một tập mã trực giao được sử dụng và mỗi người sử dụng được gán một mã trải phổ riêng Các mã trải phổ này phải đảm bảo điều kiện trực giao sau đây:

1 Tích hai mã giống nhau bằng 1: cici=1

2 Tích hai mã khác nhau sẽ là một mã mới trong tập mã: cicj=ck

3 Có số bit 1 bằng số bit -1 trong một mã 

1

1

0

N k k

C

N 



và Ck là giá trị chip k trong một mã

Nếu ta xét một hệ thống gồm K người sử dụng được xây dựng trên cơ sở CDMA, thì sau trải phổ các người sử dụng này sẽ phát vào không gian tập các tín hiệu

y như sau:

Hình 1.4 Quá trình giải trải phổ và lọc tín hiệu của người sử dụng k từ k tín hiệu

Nhiệm vụ của máy thu k này là phải lấy ra xk và loại bỏ các tín hiệu khác Nhân với xk và áp dụng quy tắc trực giao :

Trong biểu thức trên, thành phần thứ nhất chính là tín hiệu hữu ích còn thành phần thứ hai là nhiễu của các người sử dụng còn là nhiễu của các người sử dụng khác được gọi là MAI Để loại bỏ thành phần thứ hai máy thu sử dụng bộ lọc tương quan trong miền thời gian kết hợp với bộ lọc tần số trong miền tần số

1.1.3.2 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần FHSS

Tín hiệu FHSS được tạo bởi mạch tổng hợp tần số điều khiển bởi N+1 bit, trong

đó bao gồm N bits của từ mã giả ngẫu nhiên và 1 bit số d(t) của tín hiệu thông tin cần truyền

1.1.3.3 Kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian THSS

Hình 1.7 Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian

Hình 1.6 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FHSS

Trộn, biến đổi tần lên d(t)

Bộ tạo mã PN

c(t)

Tổng hợp tần số

Máy phát

Điều chế

băng gốc

Trộn, biến đổi tần xuống

Tổng hợp tần

số

Bộ tạo mã PN

cr (t)

d r (t) Máy thu

Đồng

bộ Giải điều chế dữ liệu

Trục thời gian được chia thành các khung Mỗi khung lại được chia thành k khe thời gian Trong một khung, tùy theo mã của từng user mà nó sẽ sử dụng một trong k khe thời gian của khung Tín hiệu được truyền trong mỗi khe có tốc độ gấp k lần so với tín hiệu truyền trong toàn bộ khung nhưng tần số cần thiết để truyền tăng gấp k lần

Trong hệ thống DSSS tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần

và phát tín hiệu của họ đồng thời Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác

để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách giải trải phổ Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng các nhiễu phổ rộng công suất thấp tựa tạp âm Ở các hệ thống FHSS và THSS mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh được xung đột Như vậy FH và TH là các kiểu hệ thống tránh xung đột, trong khi đó

DS là kiểu hệ thống lấy trung bình

Hình 1.8 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH – SS

Bộ điều chế

dữ liệu d(t)

Bộ tạo mã PN

c(t)

Bộ tạo sóng mang

Bộ tạo sóng mang

1.2 Đa truy nhập theo mã CDMA

Đa truy nhập theo mã CDMA là phương thức đa truy nhập mà ở đó mỗi kênh được cung cấp một cặp tần số và một mã duy nhất Đây là phương thức đa truy nhập mới, phương thức này dựa trên nguyên lý trải phổ

Một mạng thông tin di động là một hệ thống nhiều người sử dụng, trong đó một

số lượng lớn người sử dụng chia sẻ nguồn tài nguyên vật lý chung để truyền và nhận thông tin Dung lượng đa truy nhập là một trong các yếu tố cơ bản của hệ thống Kỹ thuật trải phổ tín hiệu cần truyền đem lại khả năng thực hiện đa truy nhập cho các hệ thống CDMA Tồn tại các công nghệ đa truy nhập khác nhau : TDMA, FDMA và CDMA

Sự khác nhau giữa chúng được chỉ ra trong hình 1.8:

Hình 1.9 Các công nghệ đa truy nhập

Trong hệ thống đa truy nhập theo tần số FDMA, các tín hiệu cho các người sử dụng khác nhau được truyền trong các kênh khác nhau với các tần số điều chế khác nhau Trong hệ thống đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, các tín hiệu của người sử dụng khác nhau được truyền đi trong các khe thời gian khác nhau Với các công nghệ khác nhau, số người sử dụng lớn nhất có thể chia sẻ đồng thời các kênh vật

lý là hạn chế Tuy nhiên trong hệ thống CDMA, các tín hiệu cho người sử dụng khác

nhau được truyền đi trong cùng một băng tần tại cùng một thời điểm Mỗi tín hiệu người sử dụng đóng vai trò như là nhiễu đối với tín hiệu của người sử dụng khác, do đó dung lượng của hệ thống CDMA gần như là mức nhiễu, và không có con số lớn nhất

cố định, nên dung lượng của hệ thống CDMA được gọi là dung lượng mềm

Hình 1.10 chỉ ra một ví dụ làm thế nào 3 người sử dụng có thể truy nhập đồng thời trong một hệ thống CDMA

Hình 1.10 Nguyên lý của đa truy nhập trải phổ

Tại bên thu, người sử dụng 2 sẽ giải trải phổ tín hiệu thông tin của nó trở lại tín hiệu băng hẹp, chứ không phải tín hiệu của bất cứ người nào khác Bởi vì dựa trên đặc điểm của các mã giả ngẫu nhiên là sự tương quan chéo giữa mã của người sử dụng mong muốn và các mã của người sử dụng khác là rất nhỏ : việc tách sóng kết hợp sẽ chỉ cấp năng lượng cho tín hiệu mong muốn và một phần nhỏ cho tín hiệu của người sử dụng khác và băng tần thông tin

1.2.1 CDMA/FDD

Hệ thống CDMA/FDD làm việc ở hai băng tần với hai sóng mang: một cho đường lên và một cho đừơng xuống Trên mỗi cặp sóng mang này có thể đồng thời M người sử dụng truy nhập vào mạng trên cơ sở được trải phổ bằng M chuỗi trực giao khác nhau Mỗi cặp sóng mang này được gọi là một kênh CDMA Thí dụ về hệ thống CDMA với N kênh CDMA trong đó mỗi kênh cho phép M người sử dụng đồng thời truy nhập mạng được cho ở hình 1.10

Hình 1.11 Nguyên lý CDMA/FDD

1.2.2 CDMA/TDD

Khác với FDD phải sử dụng cặp sóng mang cho truyền dẫn song công, TDD chỉ

sử dụng một sóng mang cho truyền dẫn song công Sự khác nhau về phân bổ tần số ở FDD và TDD được cho ở hình 1.11

Hình 1.12 Sự khác nhau giữa FDD và TDD

Để minh hoạ ta xét thí dụ về một hệ thống đa truy nhập CDMA/TDD trong đó mỗi kênh CDMA/TDD bao gồm cấu trúc khung chứa 15 khe thời gian như ở hình 1.12

Hình 1.13 TDD-CDMA

Ta thấy một kênh CDMA bao gồm một tần số và và tám mã trực giao Mỗi kênh

do một mã trực giao tạo nên bao gồm mỗi khung TDMA có độ dài TF và được chia thành 15 khe thời gian và việc kết hợp TDMA với CDMA cho phép cấp phát kênh thông minh Các kênh có thể đươc cấp phát đối xứng hoặc không đối xứng cho nhiều người sử dụng, hoặc đối xứng hoặc không đối xứng cho một người sử dụng Chẳng hạn

ở hình 1.12a, trừ một khe đường xuống dành cho điều khiển còn 14 khe còn lại được phân đều cho bẩy người sử dụng trong đó mỗi người có một khe đường xuống và một khe đường lên Ở hình 1.12b, trừ một khe dành cho người điều khiển, ba người sử dụng được cấp phát ba khe đường xuống và một khe đường lên, một người sử dụng được cấp phát hai khe đường xuống

CDMA có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp đa truy nhập FDMA và TDMA như:

• Cho dung lượng cao hơn

• Khả năng chống nhiễu và pha đinh tốt hơn

• Bảo mật thông tin tốt hơn

• Dễ dàng áp dụng cho các hệ thống đòi hỏi cung cấp linh hoạt dung lượng kênh cho từng người sử dụng

Tuy nhiên CDMA không tránh khỏi các nhược điểm sau:

• Đồng bộ phức tạp hơn Ở đây ngoài đồng bộ định thời còn phải thực hiện cả đồng bộ mã

• Cần nhiều mạch điện xử lý số hơn

• Mạng chỉ cho hiệu suất sử dụng cao khi nhiều người cùng sử dụng chung tần số

1.3 Đa truy nhập theo mã băng rộng WCDMA

WCDMA dùng công nghệ DS-CDMA băng rộng để có tốc độ cao hơn và hỗ trợ nhiều người dùng hơn mạng 2G WCDMA hỗ trợ cả hai chế độ song công là TDD và FDD, tuy nhiên chỉ có WCDMA FDD được các hệ thống sử dụng rộng rãi Các hệ thống WCDMA hiện nay sử dụng phổ tần 5 MHz

WCDMA là một phương pháp đa truy xuất vô tuyến phân chia theo mã trải phổ trực tiếp dải rộng, nghĩa là các bit thông tin của các user được trải đều ra trên một dải thông rộng bằng việc nhân dữ liệu của user với các mã ngẫu nhiên (gọi là chip) nhận được trải phổ trong WCDMA

Tốc độ chip 3.84Mcps được sử dụng cho ghép dải thông sóng mang xấp xỉ tới 5MHz Dải thông sóng mang của WCDMA rộng như thế gắn liền với tốc độ dữ liệu của uesr cao và còn có hiệu quả nâng cao khả năng phân tập tần số Các nhà quản lý mạng có thể tăng dung lượng nhờ dải thông của sóng mang là 5MHz Khoảng cách các sóng mang có thể chọn trên những khoảng 200KHz giữa khoảng 4.4 đến 5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang

WCDMA cung cấp tốc độ khả biến cho các user rất cao, hiểu theo cách khác chính là dải thông theo yêu cầu cũng được cung cấp Mỗi user được cung cấp một

f

5MHz

Đường lên

Đường xuống

Đường lên

Đường xuống

khung giây có chu kỳ 10ms trong khi tốc độ dữ liệu vẫn giữ nguyên không đổi Tuy nhiên dung lượng dữ liệu có thể thay đổi từ khung này đến khung khác

WCDMA cung cấp hai chế độ hoạt động cơ bản là FDD và TDD Trong FDD các khoảng tần số sóng mang 5MHz được sử dụng cho sóng mang hướng lên và hướng xuống riêng rẽ, trong khi đó TDD chỉ có một khoảng 5MHz được dùng cho cả hướng lên và hướng xuống

WCDMA cung cấp hoạt động bất đồng bộ cho các trạm gốc và do đó không giống như hệ thống đồng bộ IS-95 CDMA, nó không cần thời gian chuẩn trên toàn cầu GPS

WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho hướng lên và hướng xuống nhờ các ký hiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, dẫn tới tăng dung lượng và vùng phủ sóng

Các thông số chính của hệ thống WCDMA

Phương pháp ghép song công FDD/TDD

Ghép dịch vụ

Đa dịch vụ với yêu cầu chất lượng dịch

vụ khác nhau được ghép trên một kết nối

hoa tiêu

1.4 Kết luận

Công nghệ CDMA và WCDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ tín hiệu để phát dữ liệu cùng một phổ tần Tất cả công suất của tín hiệu trong đường truyền CDMA được đồng thời trên cùng một băng tần rộng, phát trên cùng một tần số và tín hiệu nguyên thuỷ sẽ được khôi phục tại đầu thu Đồng thời tín hiệu trải phổ xuất hiện trải rộng đều trên toàn bộ băng tần với công suất phát thấp, do đó loại bỏ được nhiễu, giao thoa

CHƯƠNG II: MÃ GIẢ NGẪU NHIÊN

2.1 Mã giả ngẫu nhiên

2.1.1 Các thuộc tính của mã giả ngẫu nhiên

Trong hệ thống CDMA, kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS được sử dụng Mỗi một người sử dụng được cấp một mã để phân biệt với người khác Mã này được

sử dụng thường là một chuỗi giả ngẫu nhiên PN, có tốc độ rất lớn hơn tốc độ symbol

dữ liệu, tức là phần tử của chuỗi có độ rộng thời gian rất nhỏ hơn độ rộng của symbol (hay bit) dữ liệu và được gọi là chip Ta mong muốn mã này càng ngẫu nhiên càng tốt Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết được đó là mã nào để tạo ra một mã y hệt và đồng bộ với mã phát đi để giải mã tin tức Do đó mã giả ngẫu nhiên phải là tất định Tín hiệu giả ngẫu nhiên được thiết kế để có dải thông rộng hơn nhiều dải thông của tin tức Tin tức được biến đổi bởi mã sao cho tín hiệu nhận được có dải thông xấp xỉ dải thông của tín hiệu ngẫu nhiên

C¸c chuỗi giả ngẫu nhiên này ta cần đặc tả các thuộc tính ngẫu nhiên quan trọng

mà các chuỗi tất định phải đạt được:

 Tính cân bằng: xác xuất của bit “0” và “1” là như nhau

 Tính chạy: một bước chạy là một dãy các số “1” hay “0” liên tiếp Độ dài của

bước chạy là số bít trong bước chạy Trong đó:

 1/2 số bước chạy có độ dài là 1

 1/4 số bước chạy có độ dài là 2 …

 số bước chạy có độ dài là n

 Tính tương quan: khi so sánh số hạng của một dãy với chính dãy ấy nhưng bị

dịch đi Dãy có tính tương quan tốt nếu như số số hạng giống nhau khác số số hạng khác nhau không quá một chỉ số đếm

Tương quan không chuẩn hóa giữa hai chuỗi m như sau:

Trong đó:

là số bit giống nhau

là số bit không giống nhau

Để tính tự tương quan ta giữ chuỗi gốc cố định và dịch chuỗi so sánh từng bit một với i=0, ±1, ±2, …, trong đó I là dịch chuỗi so sánh (+1 tương ứng với dịch phải, -

1 tương ứng với dịch trái) với chuỗi gốc

Hàm tương quan chéo

Hàm tương quan chéo giữa hai tín hiệu x(t) và y(t) kiểu công suất định ngĩa tương quan giữa hai tín hiệu khác nnhau và được xác định như sau:

( ) =

→

1

Tương quan chéo giữa hai chuỗi c1 và c2 khác nhau được xác định như đối với hàm tự tương quan

Có nhiều loại chuỗi giả ngẫu nhiên PN, được tạo ra từ các thanh ghi dịch có hồi tiếp Loại mã PN hay được sử dụng có thể là chuỗi có độ dài cực đại hay còn gọi là m-sequence (m-dãy hay chuỗi m), mã Gold, mã Walsh-Hardamard …

2.1.2 Chuỗi m

2.1.2.1 Đặc điểm của chuỗi m

Trong phần này ta sẽ xét một số thuộc tính quan trọng của chuỗi m

Thuộc tính I - Thuộc tính cửa sổ: Nếu một cửa sổ độ rộng m trượt dọc chuỗi m trong tập Sm, mỗi dãy trong số 2 − 1 dãy m bit khác không này sẽ được nhìn thấy đúng một lần (Chẳng hạn xét cửa sổ độ dài 4 cho chuỗi 000100110101111 Tưởng tượng rằng chuỗi này được viết thành vòng)

Thuộc tính II - Số số 1 nhiều hơn số số 0: Mỗi chuỗi m trong tập Sm có chứa

Thuộc tính III - Hàm tự tương quan dạng đầu đinh: khi so sánh số hạng của một dãy với chính dãy ấy nhưng bị dịch đi Dãy có tính tương quan tốt nếu như số số hạng giống nhau khác số số hạng khác nhau không quá một chỉ số đếm

Trong thực tế các chuỗi m sử dụng cho các mã PN có thể được thực hiện ở dạng

cơ số hai lưỡng cực hoặc đơn cực đơn cực với hai mức lôgic "0" và "1" độ rộng xung

Tc cho một chu kỳ N như sau:

= ±1 đối với lưỡng cực và bằng 0/1 đối với đơn cực Quan hệ giữa các xung lưỡng cực và đơn cực được xác định như sau:

• Nếu chuỗi m có dạng đơn cực nhận hai giá trị 0 và 1: bằng 1 đối với i=0 (mod N) và -1/N với i≠0 (mod N)

• Nếu chuỗi m có dạng lưỡng cực nhận hai giá tri +1 và -1: bằng 1 đối với i=0 (mod N) và -1/N với i≠0 (mod N)

• Nếu chuỗi m là chuỗi mã PN được biểu diễn ở dạng xung có biên độ +1 và -1, thì hàm tương quan dạng tuần hoàn chu kỳ NTc với chu kỳ thứ nhất được xác định như sau:

( ) = ∫ ( + ) ( ) = 1 + ( ) −

Trong đó N là chu kì mã và là độ rộng xung và là hàm tam giác được xác định như sau:

Hàm tự tương quan cho chuỗi m và mã PN được cho ở hình 2.3a và 2.3b

Hình 2.15 Hàm tự tương quan cho chuỗi m (a) và chuỗi PN (b)

Thuộc tính IV - Lấy mẫu (Decimation): Lấy mẫu 1 từ n>0 của một chuỗi m c (nghĩa là lấy mẫu c cứ n bit mã một lần), được biểu thị c[n], có chu kỳ bằng N/gcd(N,n) nếu không phải là chuỗi toàn không; đa thức tạo mã g'(x) của nó có gốc là

mũ n của các gốc của đa thức tạo mã g(x) Giả sử n là một số nguyên dương và xét chuỗi y bằng cách lấy ra cứ n bit một bit từ một chuỗi x, nghĩa là = đối với tất

cả i ∈ Z Chuỗi y được gọi là lấy mẫu theo n từ x và được ký hiệu là x[n] Thuộc tính

lấy mẫu phát biểu rằng ta có thể tạo ra tất cả các chuỗi m bậc m dịch vòng khác nhau bằng lấy mẫu phù hợp chỉ bằng một mạch Như vậy nếu cho trước một đa thức nguyên thuỷ bất kỳ bậc m, thì ta có thể xác định tất cả các đa thức nguyên thuỷ bậc m khác

2.1.2.2 Tạo chuỗi m

Chuỗi m được tạo ra bằng một bộ ghi dịch hồi tiếp có cấu hình Fibonacci hay Galois (hai cấu hình này về mặt toán học thì tương đương nhau), được hình thành theo một đa thức sinh quy định các đầu ra các khâu nhớ của thanh ghi tham gia hay không vào mạch hồi tiếp Đa thức sinh là một đa thức nguyên thủy, khi đó chuỗi chip lối ra sẽ

là một chuỗi PN có chu kỳ lặp lại lớn nhất, là = 2 − 1, trong đó m là số khâu nhớ của thanh ghi

Các chuỗi cơ số hai m được tạo ra bằng cách sử dụng thanh ghi dịch có mạch hồi tiếp tuyến tính LFSR (Linear Feedback Shift Register) và các mạch cổng hoặc loại trừ (XOR) Một chuỗi thanh ghi hồi tiếp dịch tuyến tính được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tính g(x) bậc m>0: ( )= g x + g x + … + g x+g

Đối với các chuỗi cơ số hai (có giá tri {0,1}), g bằng 0 hay 1 và g = g =1 Đặt

vì -1 = 1 (mod 2) Với "x " thể hiện đơn vị trễ, phương trình hồi quy trên xác định các kết nối hồi tiếp trong mạch thanh ghi dịch cơ số hai của hình 2.2 Lưu ý rằng các cổng hoặc loại trừ (XOR) thực hiện các phép cộng mod 2

Hình 2.16 Mạch thanh ghi dịch để tạo chuỗi PN

Nếu = 1 khoá tương ứng của mạch đóng, ngược lại nếu ≠ 1, khoá này hở

Để thực hiện điều chế BPSK tiếp theo, đầu ra của mạch thanh ghi dịch phải được biến đổi vào 1 nếu là 0 và vào -1 nếu là 1 Thanh ghi dịch là một mạch cơ số hai trạng thái hữu hạn có m phần tử nhớ Vì thế số trạng thái khác 0 cực đại là 2 -1 và bằng chu kỳ cực đại của chuỗi ra c = ( , , , ) Xét hình vẽ 2.2, giả sử (j) biểu thị giá trị của phần tử nhớ j trong thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i Trạng thái của thanh ghi dịch ở xung đồng hồ i là vectơ độ dài hữu hạn = { (1), (2), , (m)} Đầu

ra ở xung đồng hồ i là = (m) Thay 1 bằng ta được điều kiện hồi quy của chuỗi ra:

Ta có = + + + (mod 2) và xây dựng thanh ghi dịch hồi tiếp tuyến tính ở hình 2.3 Vì bậc của g(x) bằng m = 5, nên có 5 đơn vị nhớ (năm phần tử thanh ghi dịch) trong mạch Đối với mọi trạng thái khởi đầu khác 0 ( ≠ {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 chuỗi ra tuần hoàn là cột cuối cùng ở hình 2.3: c = 111101000100101011000011100110 Chuỗi này có chu kỳ cực đại và bằng =

2 − 1=31 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 nạp ban đầu khác, chẳng hạn = 00001, đầu ra của chuỗi tương ứng trở thành 1000011100110111110100010010101 , là dịch (sang phải N-i = 31 -18 =13 đơn vị) của chuỗi c

Hình 2.17 Bộ tạo mã với đa thức ( ) = + + + +

Tốc độ của mạch trong hình 2.3 bị hạn chế bởi tổng thời gian trễ trong một phần

tử thanh ghi và các thời gian trễ trong tất cả các cổng hoặc loại trừ ở đường hồi tiếp Để thực hiện tốc độ cao, trong các hệ thông thông tin di động CDMA người ta sử dụng sơ

đồ tốc độ cao