ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỮU QUỐC DÃY ANTENNA THÍCH NGHI VÀ CÁC ỨNG DỤNG TRONG TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG CDMA LUẬN VĂN THẠC SỸ Người hướng dẫn: GS. Phan Anh Hà nội - 2003 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Mục lục Chƣơng 1. Tổng quan trải phổ và công nghệ CDMA. Giới thiệu chung.
Vai trò của DS-CDMA trong các hệ thống tế bào. Các mục tiêu của IMT-2000. Đạt đƣợc tốc độ bit cao hơn. Nhiều dịch vụ đồng thời cho một thuê bao.
Các dịch vụ yêu cầu QOS khác nhau. Hiệu quả sử dụng phổ cao. Kỹ thuật DS-CDMA. Mô hình hệ thống.
Cấu trúc bộ phát. Cấu trúc bộ thu. Mô hình kênh và bộ thu RAKE. Điều khiển Công suất.
Các thuộc tính của dãy trực tiếp CDMA. Khả năng đa truy cập. Khả năng chống nhiễu trong trƣờng hợp nhiễu băng hẹp. Loại bỏ nhiễu đa đƣờng.
Xác suất chặn thấp. Tính bảo mật. Các ƣu điểm cài đặt. Tách tín hiệu đa thuê bao.
Chuyển giao mềm. Lập kế hoạch hệ thống đơn giản. Chất lƣợng cuộc gọi đƣợc cải thiện. Cải thiện vùng phủ sóng.
Độ rông băng theo yêu cầu. Tăng thời gian sống(talk time). Giải quyết nghẽn mềm. Độ lợi dung lƣợng.
Dung lƣợng đƣờng xuống trong hệ thống tế bào CDMA. Dung lƣợng tuyến lên. Dung lƣợng Erlang của đƣờng xuống. Nhƣợc điểm.
smart anten và ứng dụng trong hệ thống CDMA. Hệ thống Anten. khái niệm về hệ thống Anten và anten thông minh. Một số khái niệm cơ bản có liên quan.
Một số kiểu anten dùng trong thông tin di động. Hệ thống anten thông minh. Các anten chuyển mạch búp sóng. Dàn anten định pha động.
Dàn anten thích nghi. So sánh hai công nghệ búp chuyển mạch búp sóng và anten thích nghi. ƣu điểm của Smart Anten ứng dụng trong CDMA .33 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Tổng hợp dải quạt.
Độ lợi dung lƣợng. Giảm chuyển giao. Các thuật toán ứng dụng trong smart anten. Các thuật toán thích nghi trong việc tạo dạng búp sóng.
Tia tới tại dãy anten. Các kiểu bộ tạo dạng búp sóng. Thuật toán thích nghi dùng xử lý triệt búp sóng. Các thuật toán đánh giá hƣớng tới (DOA-Direction Of Arrival).
Các phƣơng pháp đánh giá DoA. Thuật toán MUSIC(Multiple Signal Classification). Thuật toán ESPRIT-Đánh giá các tham số tín hiệu qua các kỹ thuật quay vòng bất biến. Chƣơng trình mô phỏng.
Cài đặt hệ thống. Mô hình hệ thống. Mô hình kênh vô tuyến. Đánh giá kết quả.
Trƣờng hợp không sử dụng anten thông minh. Trƣờng hợp sử dụng anten thông minh. Kết luận và định hƣớng tiếp theo .80 Tài liệu tham khảo .83 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trang 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN TRẢI PHỔ VÀ CÔNG NGHỆ CDMA I.
GIỚI THIỆU CHUNG Con ngƣời mong muốn có thể nói chuyện đƣợc với nhau hoặc kết nối tới Internet và gửi e-mail vào bất kỳ lúc nào, ở bất kỳ đâu. Truyền thông không dây có thể làm điều này dễ dàng. Tuy nhiên, vì phổ tần là khan hiếm, việc phân bổ một cách có hiệu quả môi trƣờng truyền dẫn không gian có hạn chế này cho nhiều thuê bao là rất quan trọng. Hiện nay có nhiều lƣợc đồ đa truy cập.
Một trong số chúng là đa truy cập phân chia theo tần số(FDMA). Bằng phƣơng pháp này, băng tần sẵn có đƣợc chia thành một số các kênh tần số, mỗi kênh đƣợc cấp cho một thuê bao. Lƣợc đồ thứ hai là đa truy cập phân chia theo thời gian(TDMA), trong lƣợc đồ này, thuê bao đƣợc phục vụ thứ tự theo thời gian. Lƣợc đồ thứ ba sẽ đƣợc tìm hiểu trong luận văn này, đó là lƣợc đồ đa truy cập phân chia theo mã, CDMA.
Trong hệ thống CDMA, thuê bao đƣợc sử dụng toàn bộ phổ tần số sẵn có trong toàn bộ thời gian. Thuê bao này đƣợc phân biệt với các thuê bao khác vì mỗi thuê bao có một mã giả ngẫu nhiên riêng. Mã này không tƣơng quan với các mã của các thuê bao khác đang thực hiện trên cùng một băng tần. Hơn nữa, nó có thêm thuộc tính tự tƣơng quan tốt.
Có một vài lƣợc đồ CDMA khác nhau. Thông dụng nhất là trải phổ nhảy tần(FH) và trải phổ dãy trực tiếp(DS-CDMA). - Trong FH, mã giả ngẫu nhiên xác định tần số phát tức thời. Bộ phát thay đổi tần số phát theo chu kỳ nhảy tần.
Độ rộng băng tại bất kỳ lúc nào đều là nhỏ. Tuy nhiên , băng tần tổng cộng là sự chồng chất tức thời các băng tần và vì vậy là lớn. Trong DS-CDMA, tại bộ phát, dòng dữ liệu lƣỡng cực băng hẹp của thuê bao đƣợc nhân với một mã duy nhất và đƣợc gửi nhƣ một tín hiệu băng rộng. Tại bộ thu, trong tầng đầu tiên, tín hiệu nhận đƣợc là sự chồng chất của dữ liệu băng rộng và nhiễu của tất cả thuê bao đƣợc nhân lại với mã của thuê bao đã phát.
Vì các mã của các thuê bao khác không tƣơng quan với mã này, nên các tín hiệu vẫn ở lại trong vùng băng rộng, trong khi đó tín hiệu của thuê bao đã phát đƣợc chuyển lại thành tín hiệu băng hẹp gốc nhƣ lúc ban đầu. Trong luận văn này, tôi sẽ tập trung vào DS-CDMA và các thuộc tính của nó khi nó đƣợc ứng dụng cho hệ thống tế bào. Nó là công nghệ đƣợc lựa chọn cho các hệ thống tế bào băng rộng thế hệ 3. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trang 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trang 3 II.
VAI TRÕ CỦA DS-CDMA TRONG CÁC HỆ THỐNG TẾ BÀO Đầu tiên, CDMA đƣợc sử dụng trong các ứng dụng quân sự. Mục đích là muốn chống lại các nhiễu có chủ ý. Vào thập kỷ 80, Qualcomm đã điều tra nghiên cứu khả năng áp dụng của DS-CDMA vào truyền thông tế bào. Cuối cùng, họ đã giới thiệu chuẩn CDMA IS-95 băng hẹp vào năm 1993, và cũng chính trong năm này hoạt động thƣơng mại trong lĩnh vực di động bắt đầu.
Từ năm 1990, các kỹ thuật CDMA đƣợc nghiên cứu và bây giờ các hệ thống tế bào CDMA đƣợc sử dụng ở Mỹ và Hàn quốc và hy vọng sẽ bắt đầu ở Thỗ nhĩ kỳ vào năm 2005. Các hệ thống tế bào thế hệ 3 the o tiêu chuẩn IMT-2000 và UMTS ở châu âu sẽ mang đến dịch vụ chất lƣợng cao so với dịch vụ của các hệ thống băng hẹp nhƣ GSM. Các hệ thống tế bào băng rộng có nhiều mục tiêu cần đạt nhƣ liệt kê dƣới đây. CÁC MỤC TIÊU CỦA IMT-2000 1.
Đạt được tốc độ bit cao hơn - Mở rộng hoàn toàn độ bao phủ và tính di động cho thuê bao tại tốc độ 144kbps (tốc độ cơ sở ISDN), tốt hơn nữa là 384kbps (tốc độ cơ bản ISDN) - Với tốc độ 2Mbps có hạn chế hơn về che phủ và di động Tuy nhiên, nhu cầu mô hình thƣơng mại sẽ xác định các tốc độ bit dữ liệu thực tế. Hình 1 chỉ ra các tốc độ dữ liệu, mà các hệ thống tế bào khác nhau đƣa ra tại các mức di động khác nhau. Hình 1: Tốc độ dữ liệu của các hệ thống tế bào khác nhau Giới thiệu các dịch vụ mới mềm dẻo hơn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nhiều dịch vụ đồng thời cho một thuê bao 3.
Các dịch vụ yêu cầu QOS khác nhau. Hiệu quả sử dụng phổ cao IV. KỸ THUẬT DS-CDMA 1. Mô hình hệ thống Chúng ta sẽ bắt đầu từ nguyê n lý của hệ thống CDMA.
Giả sử có N nguồn phát cùng chia sẻ giao diện không gian chung. Bất kỳ nguồn nào, chẳng hạn nguồn thứ i, muốn gửi dữ liệu. Trong hình 2, Sni mô tả một tín hiệu băng hẹp cấn gửi đi. Một xử lý trải phổ i() sẽ biến đổi tín hiệu băng hẹp tại điểm a thành tín hiệu băng rộng tại điểm b, điểm b là đầu ra của anten phát.
Trong kênh truyền, tín hiệu băng rộng Swi đƣợc trộn với N-1 tín hiệu băng rộng khác và với nhiễu. Một xử lý thu hẹp phổ i() tại bộ thu biến đổi thông tin băng rộng S wi thành tín hiệu băng hẹp S ni và giữ các tín hiệu băng rộng khác vẫn ở lại trong vùng băng rộng. Tỷ lệ phổ của các tín hiệu băng rộng và phổ nhiễu trong độ rộng băng thông tin cộng lên nhƣ nhiễu cho Sni. SW channel Sni a i( ) b c inv{ i ( )} = i() d Sni n(t) i(t) Hình 2 : Mô hình hệ thống truyền thông trải phổ CDMA Trên kênh, tất cả các tín hiệu băng rộng tạo ra tín hiệu băng rộng tổng cộng ∑Swk ∑Swk = ∑ k(Snk), k : Thuê bao thứ k trong cùng băng tần k k k : Xử lý trải phổ của thuê bao thứ k Tại bộ thu, xử lý thu hẹp phổ đƣợc thực hiện: i -1(∑Swk) = Sni + ∑ Swik LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trang 5 k k,k≠i Hàm lọc thông dải F biến đổi phƣơng trình này thành F( i -1(∑Swk)) = Sni + ∑ Srik k k,k≠i Với kết quả này tín hiệu gốc Sni đƣợc tạo lại.
Tuy nhiên cũng có thành phần nhiễu cộng mức thấp ∑ Srik. Cấu trúc bộ phát Bộ phát đƣợc cấu thành từ bộ trải phổ(bộ nhân) và bộ điều chế. Sơ đồ khối của bộ phát đƣợc chỉ ra trong hình 3. Nguồn dữ liệu S n(t) là một tín hiệu lƣỡng cực có giá trị ± 1 trong một chu kỳ bit Tb.
Nó đƣợc nhân với tín hiệu trải phổ tần số cao hơn C(t), cũng là một tín hiệu lƣỡng cực với giá trị ± 1. C(t) có chu kỳ Tc, đƣợc gọi là chu kỳ chip. Tc thông thƣờng nhỏ hơn nhiều Tb. Một ví dụ trải phổ đƣợc chỉ ra trong hình 4.
Tín hiệu ra là Sc(t). Tb là bội số của Tc. Hệ số nhân thực tế là độ dài mã. Trong ví dụ này độ dài mã là 12.
S c(t) là một tín hiệu băng rộng trong khi đó tín hiệu gốc Sn(t) là một tín hiệu băng hẹp. Từ hình 4, chúng ta hiểu rằng độ rộng băng của Sc(t) đƣợc xác định bởi C(t) không phải Sn(t). Vì vậy, việc tăng hệ số nhân Tb/Tc, sẽ làm tăng độ rộng băng Sc(t), và đƣợc cung cấp cho bộ điều chế. Bộ điều chế có thể là các kiểu nhƣ bộ điều chế BPSK, QPSK, MSK.
Bộ điều chế này chuyển tín hiệu băng gốc sang một băng tần cao. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trang 6 Spreading Data Modulator Sc(t) (BPSK,QPSK,MSK,.