Điều khiển công suất trong hệ thống mc cdma

Nguyên lý cơ bản của kỉ thuật CDMA Trong hệ thống CDMA, mỗi người dùng được cấp phát một chuỗi mã chuỗi trải phổ dùng để mã hoá tín hiệu mang thông tin.. Tỉ số băng thông truyền trên bă

621.382 MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU Error! Bookmark not defined TÓM TẮT ĐỒ ÁN Error! Bookmark not defined DANH MỤC HÌNH VẼ Error! Bookmark not defined CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẤT Error! Bookmark not defined Chương 1 HỆ THỐNG MC-CDMA Error! Bookmark not defined 1.1 Giới thiệu chương Error! Bookmark not defined 1.2 Kỹ thuật CDMA Error! Bookmark not defined 1.2.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 1.2.2 Nguyên lý cơ bản của kỉ thuật CDMA Error! Bookmark not defined 1.2.3 Kỹ thuật trải phổ Error! Bookmark not defined

1.2.3.1 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS-SS) Error!

Bookmark not defined

1.2.3.2 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số (FH – SS) Error! Bookmark not defined

1.2.3.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (TH – SS) Error! Bookmark not defined

Chuyển giao Error! Bookmark not defined 1.2.4.1 Mục đích của chuyển giao Error! Bookmark not defined 1.2.4.2 Các loại chuyển giao Error! Bookmark not defined 1.2.5 Điều khiển công suất trong CDMA Error! Bookmark not defined 1.2.5.1 Điều khiển công suất vòng hở (OLPC) Error! Bookmark not defined 1.2.5.2 Điều khiển công suất vòng kín (CLPC) Error! Bookmark not defined 1.3 Kỹ thuật OFDM Error! Bookmark not defined 1.3.1 Giới thiệu Error! Bookmark not defined 1.3.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM Error! Bookmark not defined 1.3.3 Thu phát tín hiệu OFDM Error! Bookmark not defined 1.3.4 Sự trực giao trong OFDM Error! Bookmark not defined 1.3.5 Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM Error! Bookmark not defined 1.3.5.1 Ước lượng tham số kênh Error! Bookmark not defined 1.3.5.2 Đồng bộ trong OFDM Error! Bookmark not defined

1.3.6 Đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM Error! Bookmark not defined 1.3.6.1 Sự suy hao Error! Bookmark not defined 1.3.6.2 Tạp âm trắng Gaussian Error! Bookmark not defined 1.3.6.3 Fading Rayleigh Error! Bookmark not defined 1.3.6.4 Fading lựa chọn tần số Error! Bookmark not defined 1.3.6.5 Trải trễ Error! Bookmark not defined 1.3.6.6 Dịch Doppler Error! Bookmark not defined 1.3.7 Đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM Error! Bookmark not defined 1.3.7.1 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM Error! Bookmark not defined 1.3.7.2 Nhược điểm của kỹ thuật OFDM Error! Bookmark not defined 1.3.7.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM Error! Bookmark not defined 1.4 Hệ thống MC-CDMA Error! Bookmark not defined 1.4.1 Giới thiệu về hệ thống MC-CDMA Error! Bookmark not defined 1.4.2 Nguyên lý chung của kỹ thuật MC – CDMA Error! Bookmark not defined 1.4.3 Hệ thống MC-CDMA Error! Bookmark not defined 1.4.3.1 Khái niệm MC-CDMA Error! Bookmark not defined 1.4.3.2 Sơ đồ khối hệ thống MC-CDMA Error! Bookmark not defined 1.4.4 Máy phát MC-CDMA Error! Bookmark not defined 1.4.5 Máy thu MC-CDMA Error! Bookmark not defined 1.4.6 Kênh truyền Error! Bookmark not defined 1.4.7 Nhiễu MAI và nhiễu ICI Error! Bookmark not defined 1.4.7.1 Nhiễu MAI Error! Bookmark not defined 1.4.7.2 Nhiễu ICI Error! Bookmark not defined 1.4.8 Các kỹ thuật dò tìm dữ liệu Error! Bookmark not defined 1.4.8.1 Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao ORCError! Bookmark not defined

1.4.8.2 Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao ORC đỉnh Error! Bookmark not defined

1.4.8.3 Phương pháp kết hợp độ lợi bằng nhau (EGC)Error! Bookmark not defined

1.4.8.4 Phương pháp kết hợp tỷ số cực đại (MRC)Error! Bookmark not defined

1.4.8.5 Phương pháp kết hợp sai số trung bình bình phương tối thiểu (MMSE)

Error! Bookmark not defined 1.4.9 Các phương pháp triệt nhiễu Error! Bookmark not defined 1.4.9.1 Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp (SIC) Error! Bookmark not defined 1.4.9.2 Phương pháp triệt nhiễu song song (PIC) Error! Bookmark not defined 1.4.10 Ưu điểm của kỷ thuật MC-CDMA Error! Bookmark not defined 1.4.11 Nhược điểm của hệ thống MC-CDMA Error! Bookmark not defined Kết luận chương Error! Bookmark not defined Chương 2 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA Error! Bookmark not defined

2.1 Giới thiệu chương Error! Bookmark not defined 2.2 Mục đích của điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA Error! Bookmark not defined

2.3 Điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMAError! Bookmark not defined

2.4 Hồi tiếp dương trong điều khiển công suất đường lênError! Bookmark not defined

2.5 Cơ chế điều khiển công suất trong các hệ thống MC-CDMAError! Bookmark not defined

2.6 Các phương pháp điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA Error! Bookmark not defined

2.6.1 Điều khiển công suất bước cố định (fixed-step) và đa mức (multi-level)

Error! Bookmark not defined 2.6.2 Điều khiển công suất dự đoán Error! Bookmark not defined 2.6.3 Dự đoán công suất thu được kế tiếp Error! Bookmark not defined 2.6.4 Phân tích BER Error! Bookmark not defined 2.7 Hệ thống MC-CDMA với băng chọn lọc thích nghiError! Bookmark not defined

2.7.1 Truyền dữ liệu trên băng chọn lọc thích nghi Error! Bookmark not defined

2.7.2 Phương pháp xác định hệ số chọn lọc băng tầnError! Bookmark not defined

2.7.2.1 Hệ số chọn lọc băng tần tối ưu Error! Bookmark not defined 2.7.2.2 Phân tích BER trong hệ thống 1/N Error! Bookmark not defined 2.8 Kết luận chương Error! Bookmark not defined

Chương 3 MÔ PHỎNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT

TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA Error! Bookmark not defined 3.1 Giới thiệu chương Error! Bookmark not defined 3.2 Sơ lược phần mềm Matlap Error! Bookmark not defined 3.3 Chương trình mô phỏng Error! Bookmark not defined 3.2.1 Mô phỏng phương pháp điều khiển công suất bước cố địnhError! Bookmark not defined

3.3.2 Mô phỏng phương pháp điều khiển công suất đa mức (multilevel) Error! Bookmark not defined

3.3.3 Mô phỏng phương pháp điều khiển công suất dự đoán trước (predictive)

Error! Bookmark not defined 3.4 So sánh ba phương pháp dựa vào công suất phát , SNR , BER Error! Bookmark not defined

3.5 Mô phỏng hệ thống MC-CDMA lựa chọn băng tần thích nghi (1/N ) Error! Bookmark not defined

3.6 Kết luận chương Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, kỉ thuật thông tin vô tuyến đã có những bước phát triển vượt bậc Để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của các dịch vụ thông tin di động, đã có nhiều giải pháp được đưa ra nhằm giảm tác động của các ảnh hưởng kênh truyền, tăng tốc độ truyền dữ liệu Một trong các giải pháp đó là kết hợp giữa

kỉ thuật CDMA và kỉ thuật OFDM để cho ra đời kỉ thuật MC-CDMA Hệ thống MC-CDMA có khả năng chống nhiễu MAI, ISI, ICI rất tốt Hỗ trợ nhiều user hơn trên cùng một băng thông, giúp tiết kiệm tần số Tuy nhiên với yêu cầu đa dịch vụ,

đa tốc độ của các dịch vụ khác nhau, đòi hỏi cần có những cải tiến về kỉ thuật để đáp ứng các yêu cầu tốc độ khác nhau cho từng loại dịch vụ Vì vậy em đã chọn đề

tài : Điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA” để đưa ra giải pháp được

ứng dụng trong mạng MC-CDMA

Ứng dụng chương trình phần mềm Matlab làm công cụ khai thác thay thế cho

hệ thống thực, cho phép người học có cái nhìn trực quan, sâu sắc hơn kỉ thuật

Về nội dung đồ án được chia thành 3 chương:

Chương 1 Hệ thống MC-CDMA

Chương 2 Điều khiển công suất trong hệthống MC-CDMA

Chương 3 Mô phỏng các phương pháp điều khiển công suất trong hệ thống

MC-CDMA

Do thời gian cũng như khả năng tìm hiểu có hạn nên bản đồ án này cũng không tránh khỏi thiếu sót, vì vậy em mong rằng sẽ nhận dược sự đóng góp của các thầy cô và các bạn để đề tài này được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn Th.S Nguyễn Thị Kim Thu đã giới thiệu, cung cấp tài

liệu, tận tình hướng dẫn về nội dung và phương pháp, giúp tôi hoàn thành đồ án này

Xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Điện Tử Viễn Thông – trường Đại Học Vinh đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành chương trình đào tạo

Hệ thống MC-CDMA cho thấy khả năng chống nhiễu MAI, ISI, ICI rất tốt Hỗ

trợ nhiều user hơn trên cùng một băng thông, giúp tiết kiệm tần số MC-CDMA là ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động trong tương lai, vì vậy điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA là một vấn đề đang được quan tâm

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS

Hình 1.2 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH – SS

Hình 1.3 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH – SS

Hình 1.4 Sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM

Hình 1.5 Cấu trúc trong miền thời gian một tín hiệu OFDM

Hình 1.6 Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con

Hình 1.7 Đáp ứng tần số của kênh truyền đa đường

Hình 1.8 Các tín hiệu đa đường

Hình 1.9 Trải trễ đa đường

Hình 1.10 Nguyên lý chung của MC-CDMA và MC-DS-CDMA

Hình 1.11 Sơ đồ khối mô hình hệ thống MC-CDMA

Hình 1.12 Máy phát MC –CDMA

Hình 1.13 Máy thu MC-CDMA

Hình 1.14 Ảnh hưởng của kênh truyền fading có tính chọn lọc tần số

lên từng băng tần hẹp

Hình 1.15 Sơ đồ bộ triệt nhiễu song song nhiều tầng

Hình 2.1 Mô hình hệ thống với các users tích cực

Hình 2.2 Điều khiển công suất dựa vào người sử dụng trong các hệ thống CDMA

MC-Hình 2.3 Điều khiển công suất dựa vào băng tần trong các hệ thống MC-CDMA Hình 2.4 Nhóm điều khiển công suất đường lên

Hình 2.5 Dự đoán công suất thu với D=6

Hình 2.6 Thuật toán dự đoán để điều khiển công suất

Hình 2.7 Sơ đồ khối truyền trên băng lọc thích nghi của hệ thống MC-CDMA Hình 3.1 Giao diện mô phỏng chương trình

Hình 3.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất theo bước cố định(fixed-step) Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất đa mức (multi-level)

Hình 3.4 Kết quả chương trình mô phỏng điều khiển công suất theo bước cố định Hình 3.5 Kết quả chương trình mô phỏng điều khiển công suất theo bước cố định khi tăng công suất phát lên 15dB

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất đa mức (multi-level)

Hình 3.7 Kết quả chương trình điều khiển công suất đa mức ( Multilevel)

Hình 3.8 Kết quả chương trình điều khiển công suất đa mức khi tăng công suất phát lên 15dB

Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất dự đoán trước(predictive

Hình 3.10 Kết quả chương trình điều khiển công suất dự đoán trước (predictive)

Hình 3.11 Kết quả chương trình điều khiển công suất dự đoán trước khi tăng công suất phát lên 15dB

Hình 3.12 So sánh mức công suất phát của cả 3 phương pháp

Hình 3.13 So sánh SNR thu được của 3 phương pháp

Hình 3.14 Giá trị BER thu được ở 3 phương pháp

Hình 3.15 BER cho hệ thống

Tỷ lệ bit lỗi BPSK Bit Phase Shift Key

Khóa dịch pha nhị phân

BS Base Station

Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CP Cycle Prefix

Tiền tố lặp D/A Digital/Analog

Chuyển đổi số- tương tự DAB Digital Audio Broadcasting

Hệ thống phát âm thanh số DFT Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier rời rạc OLPC Điềukhiển công suất vòng hở

CLPC Điều khiển công suất vòng kín

DS-CDMA Direct Sequence-Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã chuỗi trực tiếp

DVB-T Digital Video Broading -Terrestrial

Hệ thống phát hình số quảng bá

EGC Equal Gain Combining

DS-SS Direct Sequence Spread Spectrum

Trải phổ chuỗi trực tiếp FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum

Kỉ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số THSS Time Hopping Spread Spectrum

Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian Phương pháp kết hợp độ lợi bằng nhau

FDMA Frequency Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Coding

Mã hóa sửa sai trước FDM Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform

Thuật toán biến đổi Fourier nhanh

FH Frequency Hopping

Nhảy tần ICI InterCarrier Interference

Nhiễu xuyên kênh IDFT Inverse Discrete Fourier Transform

Phép biến đổi Fourier rời rạc ngược IFFT Inverse Fast Fourier Transform

FFT ngược ISI InterSymbol Interference

Nhiễu xuyên ký tự LAN Local Access Network

Mạng truy nhập nội bộ MAI Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy cập

MC-CDMA MultiCarrier Code Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo mã điều chế đa sóng mang MC-DS-CDMA MultiCarrier-DS-CDMA

DS-CDMA đa sóng mang

MS Mobile Station

Trạm di động BTS Base Transceiver Station

Trạm thu phát sóng di động VCO Voltage Controlled Oscillator

Bộ dao động điều khiển bằng điện áp OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao ORC Orthogonality Restoring Combining

Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao PAPR Peak to Average Power Ratio

Tỉ số công suất tương đối cực đại PIC Parallel Interference Cancellation

Phương pháp triệt nhiễu song song

Điều chế cầu phương QPSK Quadrature Phase Shift Keying

Khoá dịch pha cầu phương

RF Radio Frequency

Tần số vô tuyến (Tần số sóng mang)

SIC Successive Interference Cancellation

Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp SNR Signal Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/P Serial/Parallel

Chuyển đổi nối tiếp-song song SUD Single User Detector

Bộ tách sóng đơn thuê bao TDMA Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

Chương 1

HỆ THỐNG MC-CDMA

1.1 Giới thiệu chương

Hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) ra đời đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đó với những đặc điểm nổi trội như: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau…

Đồng thời kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Divíion Multiplexing ) với ưu điểm truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thông, hệ thống ít phức tạp

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, ý tưởng về kỉ thuật đa truy nhập kênh truyền đa sóng mang phân chia theo mã MC-CDMA (Multi Carrier - CDMA) đã ra đời dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM MC-CDMA kế thừa các ưu điểm của CDMA và OFDM, chính vì vậy MC-CDMA là ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động trong tương lai

Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu về các kỉ thuật CDMA, OFDM và hệ thống MC-CDMA và các vấn đề về máy phát, máy thu và kênh truyền trong hệ thống

1.2 Kỹ thuật CDMA

1.2.1 Giới thiệu

CDMA là một kỹ thuật vô tuyến số tiên tiến và có thể đạt được dung lượng gấp 7 đến 10 kỹ thuật tương tự và gấp tới 6 lần dung lượng của các kỹ thuật số khác như đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Công nghệ CDMA có nhiều

ưu điểm hơn FDMA và TDMA như chống nhiễu gần xa, tái sử dụng tần số để tránh can nhiễu lẫn nhau, khả năng bảo mật cao, chất lượng tiếng nói được cung cấp bởi

hệ thống CDMA cao hơn nhiều so với các kỹ thuật tế bào khác, đặc biệt trong môi trường nhiễu truyền tin khó khăn như những vùng đô thị có dân cư đông đúc hay các vùng núi

Lý thuyết về CDMA được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960 Cùng với sự phát triển của công nghệ

bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mại hóa từ phương pháp thu GPS và Ommi-TRACS, phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống tổ ong của Qualcom – mỹ vào năm 1990 Công nghệ CDMA đang phát triển không ngừng để mang lại cho khách hàng các dịch vụ mới ngày càng thuận tiện hơn và đã được ITU lựa chọn là giải pháp cho thông tin di động thế

hệ thứ 3 Một trong số đó là tiêu chuẩn CDMA 2000

1.2.2 Nguyên lý cơ bản của kỉ thuật CDMA

Trong hệ thống CDMA, mỗi người dùng được cấp phát một chuỗi mã (chuỗi trải phổ) dùng để mã hoá tín hiệu mang thông tin Tại máy thu, tín hiệu thu sẽ được đồng bộ giải mã để khôi phục tín hiệu gốc và dĩ nhiên máy thu phải biết được chuỗi

mã đó để mã hoá tín hiệu Kỹ thuật trải phổ tín hiệu giúp các người dùng không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện có thể cùng một lúc dùng chung dải tần số Điều này

dễ dàng thực hiện được vì tương quan chéo giữa mã của người dùng mong muốn và

mã của các người dùng khác thấp Băng thông của tín hiệu mã được chọn lớn hơn rất nhiều so với băng thông của tín hiệu mang thông tin; do đó, quá trình mã hoá sẽ làm trải rộng phổ của tín hiệu, kết quả cho ta tín hiệu trải phổ

Ở các hệ thống thông tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng hằng trăm lần trước khi phát Trải phổ không mang lại hiệu quả về mặt sử dụng

băng thông đối với hệ thống đơn người dùng Tuy nhiên nó có ưu điểm trong môi

trường đa người dùng vì các người dùng này có thể dùng chung một băng tần trải phổ với can nhiễu lẫn nhau không đáng kể

Một kỹ thuật điều chế trải phổ phải thoã mãn 2 tiêu chuẩn:

+ Băng thông của tín hiệu truyền phải lớn hơn băng thông của tín hiệu mang thông tin

+ Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu

Tỉ số băng thông truyền trên băng thông của tín hiệu thông tin được gọi là độ lợi xử lý của hệ thống trải phổ:

Gp=

i

t B

B

(1.1)

Với Bt : băng thông truyền

Bi : băng thông của tín hiệu mang thông tin

1.2.3 Kỹ thuật trải phổ

Kỹ thuật trải phổ ra đời từ nhu cầu bảo mật thông tin trong quân sự Mục đích của kỹ thuật trải phổ là làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các máy thu không mong muốn, làm cho các máy thu này khó khăn trong việc tách và lấy ra được bản tin Để biến đổi bản tin thành tín hiệu tựa tạp âm, ta sử dụng mã ngẫu nhiên để mã hóa bản tin Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết mã này để có thể tạo ra bản sao mã này một cách chính xác, đồng bộ với mã được phát và lấy ra bản tin Vì vậy, ta phải sử dụng mã “giả” ngẫu nhiên Mã này phải được thiết kế để

có độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần của bản tin Bản tin được

mã hóa sao cho tín hiệu sau khi mã hóa có độ rộng phổ gần bằng độ rộng phổ của tín hiệu giả ngẫu nhiên Quá trình này được gọi là “quá trình trải phổ” Ở máy thu thực hiện quá trình nén phổ tín hiệu thu được để trả lại độ rộng phổ bằng độ rộng phổ ban đầu của bản tin

Một hệ thống thông tin được xem là trải phổ khi thỏa 2 điều kiện: băng thông tín hiệu đã trải phổ lớn hơn rất nhiều so với băng thông tín hiệu thông tin và mã dùng để trải phổ độc lập với tín hiệu thông tin

Kỹ thuật trải phổ có một số ưu điểm:

+ Khả năng đa truy nhập: Cho phép nhiều user 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 user đã được cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều user, 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 rất

thấp, gần như mức nhiễu nền Do đó, các máy thu không mong muốn 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

1.2.3.1 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS-SS)

Nguyên lý cơ bản của kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp là:

Tín hiệu truyền đi được biểu diễn dưới dạng lưỡng cực, sau đó nhân trực tiếp với chuỗi giả ngẫu nhiên Ở máy thu, tín hiệu thu được nhân với chuỗi trải phổ lần nữa

để tạo lại tín hiệu tin tức

Tín hiệu cần truyền đi là d(t), có dạng NRZ với d(t) = 1, tốc độ bit fb Thực hiện nhân d(t) với chuỗi giả ngẫu nhiên c(t) có tốc độ bit fc với fc >>fb Như vậy:

1)(),(

t d t c

t d t c

Vì tốc độ bit fc của chuỗi giả ngẫu nhiên lớn hơn nhiều so với tốc độ bit fb của chuỗi tín hiệu truyền đi, nên tín hiệu d(t) sẽ bị chia nhỏ với tần số rất cao Tần số này được gọi là tốc độ chip Sau đó, chuỗi tích số d(t).c(t) được điều chế BPSK hoặc QPSK Giả sử ta dùng điều chế BPSK, tín hiệu sau điều chế có biểu thức:

VDS-SS(t) = 2P S d(t).c(t).cosw0t (1.3)

Trong đó :

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

Bộ tạo mã

PN cr(t)

dr(t) Máy thu

Hình 1.1 Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS

Tại máy thu, tín hiệu VDS-SS được nhân với tín hiệu giả ngẫu nhiên cr(t) được tái tạo ở máy thu, giải điều chế BPSK để thu lại tín hiệu tin tức ban đầu

+ Cặp máy phát- máy thu phải được đồng bộ chip Để thu đúng, sai số đồng

bộ phải nhỏ hơn khoảng Tchip

+ Các máy phát gần máy thu có thể gây nhiễu và làm sai lệch tín hiệu từ các máy phát ở xa (hiệu ứng gần - xa)

1.2.3.2 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số (FH – SS)

Hệ thống FHSS thực hiện trải phổ bằng cách nhảy tần số mang trên một tập các tần số Mẫu nhảy tần có dạng mã ngẫu nhiên Tần số trong khoảng thời gian một chip Tc được cố định không đổi Tốc độ nhảy tần có thể thực hiện nhanh hoặc chậm, trong hệ thống nhảy tần nhanh nhảy tần thực hiện ở tốc độ cao hơn tốc độ bit của bản tin, còn trong hệ thống nhảy tần thấp thì ngược lại

Kỹ thuật FH – SS được phát triển dựa trên điều chế BFSK Trong đó, tần số sóng mang được thay đổi liên tục theo một quy luật giả ngẫu nhiên (dựa trên chuỗi

mã ngẫu nhiên sử dụng), nhờ vậy mà phổ của tín hiệu FH – SS đƣợc trải rộng trên trục tần số

Ứng với một tần số sóng mang, dải tần số của tín hiệu BFSK là B, vậy với tín hiệu FH – SS dùng L (L = 2N-1, với N là chiều dài chuỗi mã) trạng thái nhảy tần, phổ tần của tín hiệu FH – SS sẽ trải rộng đến BFH = B x L

Tín hiệu FH – SS đƣợc 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

Ưu điểm:

+ Dễ đồng bộ hơn trải phổ chuỗi trực tiếp do hệ thống trải phổ nhảy tần số chấp nhận sai số đồng bộ trong khoảng thời gian TH>>Tchip trong hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp

+ Xác suất nhiều user cùng truyền trên một tần số tại một thời điểm là rất nhỏ

do đó có thể tránh đƣợc hiệu ứng gần – xa do các user ở gần trạm gốc và xa trạm gốc có thể đang phát ở các tần số khác nhau

+ Hệ thống trải phổ nhảy tần có thể sử dụng băng thông rộng hơn nên khả năng triệt nhiễu băng hẹp tốt hơn hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp

Nhược điểm:

+ Cần tạo bộ tổng hợp tần số phức tạp

Hình 1.2 Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH – SS

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)

dr(t) Máy thu

Đồng

bộ Giải điều chế dữ liệu

+ Sự thay đổi đột ngột tần số của tín hiệu khi nhảy tần dẫn đến việc tăng băng tần sử dụng

1.2.3.3 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (TH – SS)

Thực hiện trải phổ bằng cách nén một khối các bit số liệu và phát ngắt quảng trong một hay nhiều khe thời gian Mẫu nhảy tần thời gian sẽ xác định các khe thời gian được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung Trục thời gian được chia thành các khung (frame) Mỗi khung lại được chia thành k khe thời gian (slot) 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

Hình 1.3 là sơ đồ khối tạo và thu tín hiệu TH – SS

Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian:

+ Dễ thực hiện hơn so với kỹ thuật FH – SS do không cần tạo bộ tổng hợp tần

số phức tạp

+ Hiệu quả sử dụng băng tần cao hơn so với việc sử dụng kỹ thuật TDM

+ Tránh được hiệu ứng gần – xa vì thời gian mà mỗi user truyền là độc lập, user ở gần trạm gốc không gây ảnh hưởng đến các user ở xa

Nhược điểm của kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian:

+ Trải phổ nhảy thời gian là một hình thức nén tín hiệu trên miền thời gian

Hình 1.3 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

Bộ tạo mã PN

cr(t)

dr(t)

Máy thu

fast in slow out Buffer

Chính vì vậy, độ rộng bit giảm, tốc độ bit tăng và do đó đòi hỏi kênh truyền phải truyền được tín hiệu tốc độ cao

+ Cần thực hiện đồng bộ tốt giữa máy phát và máy thu

1.2.4 Chuyển giao

1.2.4.1 Mục đích của chuyển giao

Lý do cơ bản của việc chuyển giao là kết nối vô tuyến không thỏa mãn một bộ tiêu chuẩn nhất định và do đó UE hoặc UTRAN sẻ thực hiện các công việc để cải thiện kết nối đó Khi thực hiện các kết nối chuyển mạch gói, chuyển giao được thực hiện khi cả UE và mạng đều thực hiện truyền gói không thành công Các điều kiện chuyển giao thường gặp là: điều kiện chất lượng tín hiệu, tính chất di chuyển của thuê bao, sự phân bố lưu lượng, băng tần…

Điều kiện chất lượng tín hiệu là điều kiện khi chất lượng hay cường độ tín hiệu vô tuyến bị suy giảm dưới một ngưỡng nhất định Chuyển giao phụ thuộc vào chất lượng tín hiệu được thực hiện cho cả hướng lên lẫn hướng xuống của đường truyền dẫn vô tuyến

Chuyển giao do nguyên nhân lưu lượng xảy ra khi dung lượng lưu lượng của cell đạt tới một giới hạn tối đa cho phép hoặc vượt quá ngưỡng giới hạn đó Khi đó các thuê bao ở ngoài rìa của cell (có mật độ tải cao) sẻ được chuyển giao sang cell bên cạnh (có mật độ tải thấp)

Số lượng chuyển giao phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của thuê bao Khi UE di chuyển theo một hướng nhất định không thay đổi, tốc độ di chuyển của UE càng cao thì càng có nhiều chuyển giao thực hiện trong UTRAN

Quyết định thực hiện chuyển giao thông thường được thực hiện bởi RNC đang phục vụ thuê bao đó, loại trừ trường hợp chuyển giao vì lý do lưu lượng Chuyển giao do nguyên nhân lưu lượng được thực hiện bởi trung tâm chuyển mạch di động (MSC)

1.2.4.2 Các loại chuyển giao

Tùy theo hình thức sử dụng trong các cơ chế chuyển giao, có thể phân chia chuyển giao thành các nhóm như: chuyển giao cứng, chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn Chuyển giao đảm bảo thông tin được duy trì liên tục khi các MS di

động từ cell này sang cell khác hay giữa các dải quạt trong cùng một cell Chuyển giao phải đúng và nhanh để thông ti không bị ngắt quãng, không bị mất tín hiệu khi đang di chuyển

a.Chuyển giao mềm và mềm hơn

Chuyển giao mềm và mềm hơn dựa nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt“

Chuyển giao mềm hay chuyển giao giữa các cell là chuyển giao được thực hiện giữa

các cell khác nhau, trong đó trạm di động bắt đầu thông tin với một trạm gốc mới

mà vẫn chưa cắt thông tin với trạm gốc cũ Chuyển giao mềm chỉ có thể được thực hiện khi cả trạm gốc cũ lẫn trạm gốc mới đều làm việc ở cùng một tần số MS thông tin với 2 sector của 2 cell khác nhau (chuyển giao 2 đường) hoặc với 3 sector của 3 cell khác nhau (chuyển giao 3 đường)

- Chuyển giao mềm hơn là chuyển giao được thực hiện khi UE chuyển giao giữa 2 sector của cùng một cell hoặc chuyển giao giữa 2 cell do cùng một BTS quản

lý Đây là loại chuyển giao trong đó tín hiệu mới được thêm vào hoặc xóa khỏi tập tích cực, hoặc thay thế bởi tín hiệu mạnh hơn ở trong các sector khác nhau của cùng BTS

Trong trường hợp chuyển giao mềm hơn, BTS phát trong một sector nhưng thu từ nhiều sector khác nhau Khi cả chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn được thực hiện đồng thời, trường hợp này gọi là chuyển giao mềm - mềm hơn

- Chuyển giao mềm - mềm hơn: MS thông tin với hai sector của cùng một cell

và một sector của cell khác Các tài nguyên mạng cần cho kiểu chuyển giao này gồm tài nguyên cho chuyển giao mềm hai đường giữa cell A và B cộng với tài nguyên cho chuyển giao mềm hơn tại cell B

b Chuyển giao cứng

Chuyển giao cứng được thực hiện khi cần chuyển kênh lưu lượng sang một kênh tần số mới Các hệ thống thông tin di động tổ ong FDMA và TDMA đều chỉ

sử dụng phương thức chuyển giao này

Chuyển giao cứng dựa trên nguyên tắc “cắt trước khi nối” (Break Before Make) có thể được chia thành: chuyển giao cứng cùng tần số và chuyển giao cứng khác tần số Trong quá trình chuyển giao cứng, kết nối cũ được giải phóng trước khi

thực hiện kết nối mới Do vậy, tín hiệu bị ngắt trong khoảng thời gian chuyển giao Tuy nhiên, thuê bao không có khả năng nhận biết được khoảng ngừng đó Trong trường hợp chuyển giao cứng khác tần số, tần số sóng mang của kênh truy cập vô tuyến mới khác so với tần số sóng mang hiện tại

Nhược điểm của chuyển giao cứng là có thể xảy ra rớt cuộc gọi do chất lượng của kênh mới chuyển đến trở nên quá xấu trong khi kênh cũ đã bị cắt

1.2.5 Điều khiển công suất trong CDMA

Trong hệ thống thông tin di động CDMA, các máy di động đều phát chung một tần số cùng lúc nên chúng gây nhiễu đồng kênh với nhau Chất lượng truyền dẫn vô tuyến đối với từng người sử dụng trong môi trường đa truy nhập phụ thuộc vào tỷ số của năng lượng bit và mật độ tạp âm trắng Gauss Để đảm bảo tỷ số này không đổi và lớn hơn ngưởng yêu cầu ccần điều khiển công suất máy phát người sử dụng theo khoảng cách của nó với trạm gốc Ở trong các hệ thống FDMA và TDMA điều khiển công suất không ảnh hưởng đến dung lượng, nhưng trong hệ thống CDMA điều khiển công suất thì phải nhanh nếu không dung lượng hệ thống

sẻ giảm Dung lượng hệ thống CDMA đạt được giá trị cực đại nếu công suất phát của các máy di động được điều khiển sao cho công suất thu ở các trạm gốc là như nhau đối với tất cả người sử dụng

Điều khiển công suất được sử dụng cho đường lên để trành hiện tượng gần xa

và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống Đối với đường xuống không cần phải điều khiển công suất ở hệ thống đơn ô vì nhiễu gây ra bởi người sử dụng khác luôn ở mức không đổi đối với tín hiệu hữu ích Tất cả các tín hiệu tử trạm phát tới máy di động đều được phát chung cùng lúc vì thế không xảy ra sự khác biệt tổn hao truyền song như ở đường lên

Ngoài việc giảm hiện tượng gần xa điều khiển công suất còn được sử dụng để giảm hiện tượng che tối và duy trì công suất phát trên một người sử dụng để đảm bảo tỉ số lỗi bit ở mức cho trước tối thiểu chấp nhận được Như vậy điều khiển công suất còn làm tăng tuổi thọ của pin máy di động

Trong hệ thống CDMA sử dụng hai phương pháp điều khiển công suất là điều khiển công suất vòng hở (OLPC) và điều khiển công suất vòng kín (CLPC)

1.2.5.1 Điều khiển công suất vòng hở (OLPC)

Một phương pháp điều khiển công suất là đo sự điều khuếch (AGC-Automatic Gain Control) ở máy thu di động Trước khi phát, trạm di động giám sát tổng công suất thu được từ trạm gốc Công suất đo được cho thấy tổn hao đường truyền đối với từng người sử dụng Trạm di động điều chỉnh công suất phát của mình tỷ lệ nghịch với tổng công suất mà nó thu được Có thể phải điều chỉnh công suất ở một dải động lên tới 80 dB Phương pháp này được gọi là điều chỉnh công suất vòng hở,

ở phương pháp này trạm gốc không tham gia vào các thủ tục điều khiển công suất OLPC sử dụng chủ yếu để điều khiển công suất cho đường lên Trong quá trình điều khiển công suất, UE xác định cường độ tín hiệu truyền dẫn bằng cách đo đạc mức công suất thu của tín hiệu hoa tiêu từ BTS ở đường xuống Sau đó, UE điều chỉnh mức công suất truyền dẫn theo hướng tỷ lệ nghịch với mức công suất tín hiệu hoa tiêu thu được Do vậy, nếu mức công suất tín hiệu hoa tiêu càng lớn thì mức công suất phát của UE (P_trx) càng nhỏ

Việc điều khiển công suất vòng hở là cần thiết để xác định mức công suất phát ban đầu (khi khởi tạo kết nối)

1.2.5.2 Điều khiển công suất vòng kín (CLPC)

CLPC được sử dụng để điều khiển công suất khi kết nối đã được thiết lập Mục đích chính là để bù những ảnh hưởng của sự biến đổi nhanh của mức tín hiệu

vô tuyến Do đó, chu kỳ điều khiển phải đủ nhanh để phản ứng lại sự thay đổi nhanh của mức tín hiệu vô tuyến

Trong CLPC, BTS điều khiển UE tăng hoặc giảm công suất phát Quyết định tăng hoặc giảm công suất phụ thuộc vào mức tín hiệu thu SNR tại BTS Khi BTS thu tín hiệu từ UE, nó so sánh mức tín hiệu thu với một mức ngưỡng cho trước Nếu mức tín hiệu thu được vượt quá mức ngưỡng cho phép, BTS sẻ gửi lệnh điều khiển công suất phát (TPC) tới UE để giảm mức công suất phát của UE Nếu mức tín hiệu thu được nhỏ hơn mức ngưỡng, BTS sẻ gửi lệnh điều khiển đến UE để tăng mức công suất phát Các tham số được sử dụng để đánh giá chất lượng công suất thu nhằm thực hiện quyết định điều khiển công suất như: SIR, tỷ lệ lỗi khung-FER, tỷ lệ lỗi bit BER Cơ chế CLPC là cơ chế điều khiển công suất vòng trong và đó cơ chế

điều khiển công suất nhanh nhất trong hệ thống CDMA

1.2 Kỹ thuật OFDM

1.3.1 Giới thiệu

Ý tưởng về OFDM xuất hiện từ những năm 1950 trong quân sự Tuy nhiên việc nghiên cứu và ứng dụng phổ biến kỉ thuật này chỉ mới phát triển trong vài năm gần đây OFDM sử dụng thành công băng thông bằng cách sử dụng các sóng mang con trực giao Trong một symbol OFDM có thể chứa rất nhiều suscarryier mà không cần phải có khoảng cách lớn, nhờ vậy băng thông được tận dụng hiệu quả Cùng với đó là việc thực hiện OFDM khá đơn giản với thuật toán IFFT cho luồng phát và thuật toán IFFT ở luồng thu Đây là lý do chình cho sự phổ biến của OFDM trong các hệ thống thông tin hiện nay và trong tương lai

1.3.2 Nguyên lý cơ bản của OFDM

Ý tưởng chính trong kỉ thuật OFDM là việc chia luồng dữ liệu trước khi phát

đi thành n luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều này được thực hiện bằng cách chọn độ dãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý

Nguyên lý cơ bản của OFDM là phân chia toàn bộ băng thông cần truyền vào nhiều sóng mang con và truyền đồng thời trên các sóng mang con trực giao này

Do đó luồng dữ liệu tốc độ cao được chia thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn Nhờ thực hiện biến đổi chuyển dữ liệu từ nối tiếp sang song song nên thời gian symbol tăng lên, do đó sự phân tán theo thời gian gây bởi trải rộng trễ do truyền dẫn

đa đường giảm xuống và làm hệ thống OFDM hoạt động tốt trong các kênh fading nhiều tia

1.3.3 Thu phát tín hiệu OFDM

a Sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM

Hình 1.4 là sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM

Tại máy phát: Chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành nhiều chuỗi

dữ liệu tốc độ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi S/P Sau khi các chuỗi dữ liệu song song được điều chế vào các sóng mang con sẽ được đưa đi thực hiện phép biến đổi fourier để tạo sự trực giao giữa các sóng mang Sau khi đã tạo được sự trực giao

giữa các sóng mang, các sóng mang con này được đưa vào bộ biến đổi IFFT Khối này sẽ tính toán các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số

Sau đó, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm xuyên nhiễu ký tự ISI do truyền trên các kênh vô tuyến di động đa đường Cuối cùng bộ lọc phía phát định dạng tín hiệu thời gian liên tục sẽ chuyển đổi lên tần số cao để truyền trên các kênh

Trong quá trình truyền, trên các kênh sẽ có các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu Gausian trắng cộng AWGN

Tại máy thu: Tín hiệu OFDM thu từ anten được chuyển xuống tần số thấp và

tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu Khoảng bảo vệ được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi FFT Sau đó, tùy vào sơ đồ điều chế được

sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của sóng mang nhánh sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh (Channel Equalization) Các ký tự hỗn hợp thu được sẽ được sắp xếp ngược trở lại và được giải mã Cuối cùng, ta nhận được chuỗi dữ liệu nối tiếp ban đầu

Hình 1.4 Sơ đồ khối thu phát tín hiệu OFDM

FFT

Loại bỏ khoảng bảo vệ

Khuyếch đại công suất và giải điều chế sóng mang cao tần

Tách khung

Máy Thu

L0 Sửa lỗi tần số

Chèn khoảng bảo vệ IFFT

Điều chế sóng mang cao tần

và khuyếch đại công suất

Chèn từ đồng bộ khung

b Sử dụng FFT/IFFT trong OFDM

OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ vô số sóng mang phụ mang các bit thông tin Bằng cách này ta có thể tận dụng băng thông tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự,… Tuy nhiên, điều bất lợi là một số sóng mang cần có một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nó, điều này là không thể chấp nhận được khi số sóng mang phụ rất lớn đối với việc thi công hệ thống Nhằm giải quyết vấn đề này, thuật toán IDFT/DFT có vai trò giống như hàng loạt các bộ điều chế và giải điều chế

Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1,2,…, N-1) Công thức của phép biến đổi DFT là:







 10

2)()

X



, k=0, 1, …, N-1 (1.5) Công thức phép biến đổi IDFT là:

1)(

N

k

N

kn j e k X N n x



, k=0, 1, …, N-1 (1.6) Chuyển đổi Fourier nhanh (FFT) là thuật toán giúp cho việc tính toán DFT nhanh và gọn hơn Từ công thức (1.2), (1.3) ta thấy thời gian tính DFT bao gồm: + Thời gian phép nhân phức

+ Thời gian thực hiện phép cộng phức

+ Thời gian đọc các hệ số e j N



2

 + Thời gian truyền số liệu

Trong đó chủ yếu là thời gian thực hiện phép nhân phức Vì vậy, muốn giảm thời gian tính toán DFT thì người ta tập trung chủ yếu vào việc giảm thời gian thực hiện phép nhân phức Mà thời gian thực hiện phép nhân phức tỉ lệ với số phép nhân

Do đó để giảm thời gian tính DFT thì người ta phải giảm được số lượng phép tính nhanh bằng cách sử dụng thuật toán FFT Để tính trực tiếp cần N2 phép nhân Khi tính bằng FFT số phép nhân chỉ còn N log2 N

2 Vì vậy tốc độ tính bằng FFT nhanh hơn tính trực tiếp là

1.3.4 Sự trực giao trong OFDM

Các tín hiệu là trực giao với nhau nếu chúng độc lập với nhau Tính trực giao

là một tính chất cho phép nhiều tín hiệu thông tin được truyền và thu tốt trên một kênh truyền chung và không có xuyên nhiễu giữa các tín hiệu này

Trong OFDM có thể truyền nhiều sóng mang con chồng lấn với nhau nhưng tín hiệu vẫn có thể được khôi phục mà không có xuyên nhiễu giữa các sóng mang

kế cận bởi vì giữa các sóng mang có tính trực giao

a Trực giao trong miền thời gian

OFDM đạt được sự trực giao bằng cách điều chế tín hiệu vào một tập các sóng mang trực giao Tần số gốc của từng sóng mang con sẽ bằng một số nguyên lần nghịch đảo thời gian tồn tại symbol Như vậy, trong thời gian tồn tại symbol, mỗi sóng mang sẽ có một số nguyên lần chu kỳ khác nhau Như vậy mỗi sóng mang con

sẽ có một tần số khác nhau, mặc dù phổ của chúng chồng lấn lên nhau nhưng chúng vẫn không gây nhiễu cho nhau

Hình 1.5 Cấu trúc trong miền thời gian một tín hiệu OFDM

(1a), (2a), (3a), (4a) mô tả miền thời gian của các sóng mang đơn tần với số chu kỳ tương ứng là 1,2,3,4

(1b), (2b), (3b), (4b) mô tả biến đổi FFT của hình a tương ứng

(5a), (5b) mô tả tổng của 4 sóng mang thành phần

0 2 4 6 8 10 12 14 16

Một tập các tín hiệu đƣợc gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kì trong tập đó thỏa mãn điều kiện:

s T

t i

K dt t s t s

0

*

0)

()(

j i

j i

#

 (1.7)

Với * là ký hiệu của liên hợp phức, Ts là chu kỳ ký hiệu

Nếu các sóng mang con này có dạng hình sin thì biểu thức toán học của nó sẽ

T

k s



),0(

0

s

s T t

T t







với k = 0,…, N-1 (1.8)

b Trực giao trong miền tần số

Trong miền tần số các sóng mang con có dạng sin (sin cardinal), hay sin(x)/x Dạng sin có một búp chính và các búp phụ có giá trị giảm dần về phía 2 tần số trung tâm của sóng mang con Mỗi sóng mang con có một giá trị đỉnh tại tần số trung tâm

và bằng 0 cứ sau mỗi khoảng tần số bằng khoảng cách tần số giữa các sóng mang con (f = 1/Ts) Phổ của một tín hiệu OFDM đƣợc mô tả nhƣ hình sau:

Hình 1.6 Phổ của 1 tín hiệu OFDM có 5 sóng mang con

Trong đó (a) là phổ của từng sóng mang con và điểm lấy mẫu tại máy thu, (b)

là đáp ứng tổng cộng của 5 sóng mang con

Tính trực giao đƣợc thể hiện là tại đỉnh của một sóng mang con bất kỳ trong nhóm thì các sóng mang con khác bằng 0

1.3.5 Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM

OFDM là giải pháp kỹ thuật thích hợp cho truyền dẫn vô tuyến tốc độ cao Tuy nhiên, để có thể đem áp dụng vào các hệ thống, có ba vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM:

về năng lƣợng và băng thông khi sử dụng tín hiệu này Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot có thể đƣợc thực hiện trên giản đồ thời gian – tần số, vì vậy

kỹ thuật OFDM cho khả năng lựa chọn cao hơn so với hệ thống đơn sóng mang Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ thống

+ Thiết kế bộ ước lượng kênh: Phải đảm bảo được độ phức tạp của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu Yêu cầu về tốc độ thông tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chỉ tiêu hệ thống là hai yêu cầu ngược nhau Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hòa hai yêu cầu trên

1.3.5.2 Đồng bộ trong OFDM

Đồng bộ là một trong những vấn đề rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nó có ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM Chẳng hạn, nếu không đảm bảo sự đồng bộ về tần số sóng mang thì sẽ dẫn đến nguy

cơ mất tính trực giao giữa các sóng mang nhánh, khiến hệ thống OFDM mất đi các

ưu điểm đặc trưng nhờ sự trực giao này Trong hệ thống OFDM, người ta xét đến ba loại đồng bộ khác nhau là đồng bộ ký tự (Symbol synchronization), đồng bộ tần số sóng mang (Carrier frequency synchronization) và đồng bộ tần số lấy mẫu (Sampling frequency synchronization)

a Đồng bộ ký tự

Đồng bộ ký tự nhằm xác định chính xác thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Hiện nay, với kỹ thuật sử dụng tiền tố lặp (CP) thì đồng bộ ký tự đã được thực hiện một cách dễ dàng hơn Hai yếu tố cần được chú ý khi thực hiện đồng bộ ký tự là lỗi thời gian (Timing error) và nhiễu pha sóng mang (Carrier phase noise)

+ Lỗi thời gian: Lỗi thời gian gây ra sự sai lệch thời điểm bắt đầu một ký tự OFDM Nếu lỗi thời gian đủ nhỏ sao cho đáp ứng xung của kênh vẫn còn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sóng mang Trong trường hợp này thì thời gian trễ của một ký tự được xem như là

độ dịch pha của kênh truyền và độ dịch pha này được xác định nhờ kỹ thuật ước lượng kênh Trong trường hợp ngược lại, nếu chiều dài của CP nhỏ hơn lỗi thời gian, đó là đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu Pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp

sử Phương pháp đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot được áp dụng cho các

hệ thống OFDM mà tín hiệu được truyền đi bằng kỹ thuật điều tần Trong phương pháp này, bên phát sẽ mã hóa một số tín hiệu đã biết trước thông tin về pha và biên

độ trên một sóng mang phụ Phương pháp này sau đó đã được điều chỉnh để sử dụng cho cả hệ thống OFDM mà tín hiệu truyền đi được truyền theo kỹ thuật điều biên Thuật toán đồng bộ thời gian dụng tín hiệu pilot gồm 3 bước là: nhận biết công suất (Power detection), đồng bộ thô (Coarse synchronization) và đồng bộ tinh (Fine synchronization)

+ Nhiễu pha sóng mang: Nhiễu pha sóng mang là hiện tượng không ổn định về pha của các sóng mang do sự không ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu

+ Ước lượng tần số: Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng

bộ tần số, có thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sóng mang được sử dụng để truyền những tín hiệu pilot (thường là các chuỗi giả nhiễu) Sử dụng những ký tự đã biết trước về pha và biên

độ sẽ giúp ta ước lượng được độ quay pha do lỗi tần số gây ra Để tăng độ chính xác cho bộ ước lượng, người ta sử dụng thêm các vòng khoá pha (Phase Lock Loop – PPL)

c Đồng bộ tần số lấy mẫu

Tại bên thu, tín hiệu liên tục theo thời gian thu được lấy mẫu theo đồng hồ bên thu, vì vậy sẽ xuất hiện sự bất đồng bộ giữa đồng hồ bên phát và bên thu Người ta đưa ra hai phương pháp để khắc phục sự bất đồng bộ này Phương pháp thứ nhất là

sử dụng bộ dao động điều khiển bằng điện áp (Voltage Controlled Oscillator – VCO) Phương pháp thứ hai được gọi là lấy mẫu không đồng bộ

Trong phương pháp này, các tần số lấy mẫu vẫn được giữ nguyên nhưng tín

hiệu được xử lý số sau khi lấy mẫu để đảm bảo sự đồng bộ

1.3.6 Đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM

1.3.6.1 Sự suy hao

Suy hao là sự suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm khác Nó là kết quả của chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng đa đường Để giải quyết vấn đề này, phía phát thường được đưa lên càng cao càng tốt

để tối thiểu số lượng vật cản Các vùng tạo bóng thường rất rộng, tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm Vì thế, nó còn được gọi là fading chậm

Hình 1.7 Đáp ứng tần số của kênh truyền đa đường

1.3.6.2 Tạp âm trắng Gaussian

Tạp âm trắng Gaussian có mật độ phổ công suất là đồng đều trong cả băng

thông và tuân theo phân bố Gaussian Theo phương thức tác động thì nhiễu Gaussian là nhiễu cộng Nhiễu nhiệt-sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây ra-là loại nhiễu tiêu biểu cho nhiễu Gaussian trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn Đặc biệt, trong hệ thống OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có thể được coi là nhiễu Gaussian trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu Gaussian trắng cộng

1.3.6.3 Fading Rayleigh

Fading Rayleigh là loại Fading (Fading phẳng) sinh ra do hiện tượng đa đường (Multipath Signal) và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh Loại fading này còn được gọi là fading nhanh

vì sự suy giảm công suất tín hiệu rõ rệt trên khoảng cách ngắn (tại các nửa bước sóng) từ 10-30dB

Trong môi trường đa đường tín hiệu thu được suy giảm theo khoảng cách do

sụ thay đổi pha của các thành phần đa đường (thay đổi pha là do các thành phần tín hiệu đến máy thu vào các thời điểm khác nhau đến trễ lan truyền Trễ lan truyền sẽ gây ra sự xoay pha của tín hiệu)

Hình 1.8 Các tín hiệu đa đường

Fading Rayleigh gây ra do sự giao thoa (tăng hoặc giảm) bởi sự kết hợp của các sóng thu được Khi bộ thu di chuyển trong không gian pha giữa các thành phần

đa đường khác nhau thay đổi gây ra giao thoa cũng thay đổi, từ đó dẫn đến sự suy hao công suất tín hiệu thu được Phân bố Rayleigh thường được sử dụng để mô tả trạng thái thay đổi theo thời gian của công suất tín hiệu nhận được

1.3.6.4 Fading lựa chọn tần số

Trong truyền dẫn vô tuyến đáp ứng phổ của kênh là không bằng phẳng, nó bị dốc và suy giảm do phản xạ dẫn đến tình trạng có một vài tần số bị triệt tiêu tại đầu thu Phản xạ từ các vật gần như mặt đất, công trình xây dựng, cây cối có thể dẫn đến các tín hiệu đa đường có công suất tương tự như tín hiệu nhìn thẳng Điều này sẽ tạo

ra các điểm “0”(nulls) trong công suất tín hiệu nhận được do giao thoa

1.3.6.5 Trải trễ

Trải trễ (Delay spread) là khoảng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu thu trực tiếp và tín hiệu phản xạ thu được cuối cùng tại bộ thu do hiệu ứng đa đường Trong thông tin vô tuyến, trải trễ có thể gây nên nhiễu xuyên ký tự ISI Điều này là do tín hiệu sau khi trải trễ có thể chồng lấn đến các kí tự lân cận Nhiễu xuyên kí tự sẽ tăng khi tốc độ tín hiệu tăng Điểm bắt đầu của hiệu ứng tăng đáng kể khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit Trong kỹ thuật OFDM, tốc độ tín hiệu giảm sau khi

qua bộ S/P làm cho chu kỳ tín hiệu tăng Từ đó làm giảm nhiễu ISI do trải trễ

Hình 1.9 Trải trễ đa đường

1.3.6.6 Dịch Doppler

Khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số của tín hiệu tại bộ thu không giống với tần số tín hiệu tại bộ phát Cụ thể là : khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát

đi, khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm

đi Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Doppler

1.3.7 Đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM

1.3.7.1 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM

+ Khả năng chống nhiễu ISI, ICI nhờ kỹ thuật giảm tốc độ tín hiệu bằng bộ

S/P, sử dụng tiền tố lặp CP, các sóng mang phụ trực giao với nhau

+ Hiệu suất sử dụng phổ cao hơn so với FDM do phổ của các sóng mang phụ

có thể chồng phủ lên nhau mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu sau khi tách sóng

+ Các kênh con có thể coi là các kênh fading phẳng nên có thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin, giảm độ phức tạp của máy thu + Điều chế tín hiệu đơn giản, hiệu quả nhờ sử dụng thuật toán FFT và các bộ ADC, DAC đơn giản

1.3.7.2 Nhược điểm của kỹ thuật OFDM

Bên cạnh những ưu điểm thì hệ thống OFDM còn tồn tại một số nhược điểm: + Hệ thống OFDM tạo ra tín hiệu trên nhiều sóng mang, dải động của tín hiệu lớn nên công suất tương đối cực đại PAPR lớn, hạn chế hoạt động của bộ khuếch đại công suất

+ Dễ bị ảnh hưởng của dịch tần và pha hơn so với hệ thống một sóng mang Vì vậy phải thực hiện tốt đồng bộ tần số trong hệ thống

Cùng với các nhược điểm trên, ít có nhu cầu OFDM trong thông tin cố định do các

hệ thống hiện tại vẫn đang hoạt động tốt và hiệu quả, là nguyên nhân việc triển khai sản phẩm mới đạt mức khiêm tốn trong khi ưu điểm của hệ thống sử dụng kỹ thuật này rất rõ ràng

1.3.7.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM

Hiện nay, OFDM đã được khuyến nghị sử dụng trong các hệ thống thông tin

số tốc độ cao như phát thanh và truyền hình số và sẽ được ứng dụng trong hệ thống thông tin di động tương lai như hệ thống LAN vô tuyến, các công nghệ truyền dẫn

số tốc độ cao như ADSL, VDSL… OFDM cũng là một giải pháp đầy hứa hẹn để thực hiện hệ thống thông tin di động đa phương tiện

Mạng OFDM đang được ứng dụng hiệu quả trong nhiều hệ thống vô tuyến khác nhau, đó là hệ thống phát thanh kỉ thuật số (DAB) và truyền hình kỉ thuật số (DVB) Truyền hình số mặt đất DVB-T là một trong những ứng dụng của công nghệ OFDM

1.4 Hệ thống MC-CDMA

1.4.1 Giới thiệu về hệ thống MC-CDMA

Bên cạnh việc cung cấp các dịch vụ và ứng dụng mới, thành công của 4G sẽ phụ thuộc nhiều vào sự lựa chọn các khái niệm và sự đổi mới công nghệ trong kiến trúc, phân phối phổ, sử dụng và khai thác phổ Vì vậy các kỹ thuật đa truy nhập mới rất cần thiết để cung cấp tốc độ dữ liệu cao với sự phân phối dải tần linh hoạt Năm

1993, ý tưởng về sự kết hợp giữa CDMA và OFDM dẫn đến việc ra đời của mô

hình đa truy cập mới Một trong những mô hình hệ thống này là MC-CDMA

1.4.2 Nguyên lý chung của kỹ thuật MC – CDMA

MC-CDMA dựa vào sự kết hợp chặt chẽ giữa trải phổ chuỗi trực tiếp và kỹ thuật điều chế đa sóng mang Luồng dữ liệu trải phổ DS tốc độ cao có độ lợi xử lý

PG (Processing Gain) được điều chế đa sóng mang theo cách sau: Các chip của các

ký hiệu dữ liệu trải phổ được truyền song song và các ký hiệu này được truyền đồng thời trên mỗi sóng mang con Cũng như đối với DS-CDMA, một người sử dụng có

thể chiếm giữ toàn bộ dải tần để truyền dẫn một ký hiệu dữ liệu đơn lẻ Sự phân tách tín hiệu người sử dụng được thực hiện ở khối mã Mỗi ký hiệu dữ liệu được sao chép trên các luồng con trước khi nhân nó với chip của mã trải phổ được ấn định cho một người sử dụng cụ thể Điều này cho thấy hệ thống MC-CDMA trải phổ trên miền tần số và do đó nó có tính linh hoạt cao hơn so với DS-CDMA (trải phổ trong miền thời gian) Sự sắp xếp các chip ở miền tần số cho phép dò tìm tín hiệu dễ àng Những đặc trưng chính của MC-CDMA và MS-DS-CDMA được thể hiện ở bảng sau:

Bảng 1.1 Những đặc trưng chính của MC-CDMA và MC-DS-CDMA

Miền trải phổ Miền tần số Miền thời gian

Khoảng cách các sóng

G T N

P

Fs

d C

G T N

Đặc trưng riêng biệt Hiệu quả đối việc đồng bộ

kênh đường xuống bằng cách

sử dụng các mã trực giao

Được thiết kế đặc biệt để dùng trong kênh đường lên không đồng bộ

Ứng dụng Đồng bộ kênh đường lên và

đường xuống

Bất đồng bộ kênh đường lên và đường xuống

- Hệ thống MC-CDMA: Chuỗi tín hiệu ban đầu được trải phổ bằng mã trải phổ, sau đó mỗi chip của cùng một kí tự sẽ được điều chế trên mỗi sóng mang khác nhau MC-CDMA trải phổ trong miền tần số nên không bị giới hạn về khoảng tần

số yêu cầu trực giao Vì vậy, ở đường xuống, MC-CDMA thể hiện ưu điểm hơn MC-DS-CDMA

- Hệ thống MC-DS-CDMA : Chuỗi tín hiệu ban đầu sau khi được chuyển từ nối tiếp sang song song được trải phổ bằng mã trải phổ Hệ thống MC-DS-CDMA trải phổ trong miền thời gian Sau đó các chip của cùng một kí tự sẽ được điều chế trên một sóng mang

37

1.4.3 Hệ thống MC-CDMA

1.4.3.1 Khái niệm MC-CDMA

MC-CDMA (Multi Carrier CDMA) là một hệ thống đa truy nhập mới dựa trên việc kết hợp giữa kỹ thuật trãi phỗ và kỹ thuật OFDM Khác với CDMA trải phổ trong miền thời gian thì MC-CDMA trải phổ trong miền tần số Công nghệ này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM để phát tín hiệu trên tập sóng mang phụ trực giao

1.4.3.2 Sơ đồ khối hệ thống MC-CDMA

Hình 1.10 Nguyên lý chung của MC-CDMA và MC-DS-CDMA

Chèn khoảng dự phòng

Khử khoảng

dự phòng

Kênh truyền AWGN

Theo sơ đồ hình trên luồng dữ liệu vào có tốc độ cao được chia thành P luồng

dữ liệu thành phần có tốc độ thấp hơn Mỗi luồng dữ liệu thành phần được trải phổ với các chuỗi mã ngẫu nhiên PN Tín hiệu sau khi trải phổ được điều chế với hệ thống đa sóng mang OFDM Sau đó tín hiệu này được đưa vào bộ chuyển đổi P/S

Bộ chuyển đổi P/S tổng hợp P luồng dữ liệu thành một luồng dữ liệu duy nhất Tại đây khoảng dự phòng được chèn Tín hiệu sau khi chèn được phát lên trên kênh truyền Tín hiệu qua kênh truyền chịu tác động của nhiễu Ở máy thu, thu tín hiệu từ kênh truyền và thực hiện ngược lại với quá trình phát và cuối cùng ta thu được tin hiệu ban đầu

1.4.4 Máy phát MC-CDMA

Máy phát MC-CDMA trải tín hiệu băng gốc trong miền tần số băng một mã trải cho truớc Ngoài ra, mỗi phần của ký tự tương ứng với một chip của mã trải được điều chế bằng một sóng mang phụ khác nhau Đối với truyền đa sóng mang, chúng ta cần đạt được fading không chọn lọc tần số trên mỗi sóng mang Vì thế, nếu tốc độ truyền của tín hiệu gốc đủ cao để trở thành đối tượng của fading chọn lọc tần

số thì tín hiệu cần chuyển từ nối tiếp sang song song trước khi được trải trong miền tần số

Quá trình tạo ra tín hiệu MC-CDMA theo thứ tự sau:

- dữ liệu ngõ vào có tốc độ bit là 1/Ts, được điều chế BPSK, tạo ra các ký tự phức ak.

- Luồng thông tin này ak được chuyển thành P chuỗi dữ liệu song song (ak,0(i),

ak,1(i), , ak,P-1(i)), trong đó i ký hiệu cho chuỗi ký tự thứ I

- Mỗi ngõ ra của bộ biến đổi nối tiếp/song song được nhân với mã trải phổ của người dùng thứ k (dk(0), dk(1), dk(KMC-1)) có chiều dài KMC (cho bằng số sóng mang phụ) để tạo ra tất cả N=P.KMC (tương ứng với tổng số sóng mang phụ) ký tự mới Mỗi ký hiệu (ký tự) mới này có dạng tương tự như một ký tự trong hệ thống OFDM Ví dụ xét nhánh song song thứ 0, mỗi ký tự OFDM bây giờ là

Si,k = ak,0(i).dk(k) với k =0,1, , KMC-1

- Do sự tương tự giữa các ký tự trên mỗi nhánh con của hệ thống MC-CDMA

và hệ thống OFDM nên việc điều chế sóng đa mang tại băng tần gốc có thể được thực hiện bằng phép biến đổi nghịch Fourier rời rạc (IDFT hoặc IFFT) Sau đó, tín

hiệu OFDM từ P nhánh được tổng hợp với lại nhau

- dự phòng (quard interval) được chèn vào dưới dạng tiền tố vòng (CP) giữa các ký tự để tránh ISI do fading đa đường và cuối cùng tín hiệu được phát trên kênh truyền sau khi đổi tần lên RF

k p k

Trong đó: dk(0), dk(1),… dk(KMC-1) là mã trải phổ với chiều dài KMC

T’s là khoảng kí hiệu trên mỗi sóng mang phụ

'

f

 là khoảng cách tần số nhỏ nhất giữa hai sóng mang phụ

β là hệ số mở băng thông kết hợp với chèn khoảng dự phòng (0 1)

K MC S  



 ( 1 )K MC/T S

1.4.5 Máy thu MC-CDMA

Bộ thu là bộ OFDM thêm vào một công việc kết hợp để tách dữ liệu được phát đối với mỗi người sử dụng mong muốn

Giả sử hệ thống MC-CDMA có K người dùng đang truy cập, tín hiệu băng gốc nhận được có dạng:

) ( )

; ( ) ( )

(

1

t n d t h t

S t

r

K

k

k K

()()

+ n(t) là AWGN có giá trị trung bình bằng 0 và mật độ phổ công suất hai phía

N /2

1 nếu - ∆ ≤ t ≤ T’s- ∆

0 nếu t khác

ps(t)=