MỞ ĐẦU Công nghệ ra đời là nhằm đáp ứng nhu cầu của con ngƣời. Xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu đó ngày càng tăng cao, để đáp ứng cho những yêu cầu cao đó, đòi hỏi khoa học công nghệ cũng phải cách mạng hóa và cải tiến kỹ thuật để phát triển không ngừng nhằm tạo ra những tiện ích hơn nữa cho con ngƣời. Thế giới đa truyền thông kỹ thuật số (Multimedia) kỳ diệu đã và đang đáp ứng ngày càng tốt những nhu cầu này. Truyền thông di động cũng không nằm ngoài vòng kết nối đó, với hàng loạt công nghệ tiên tiến tham gia phục vụ con ngƣời.
Hiện nay Việt Nam đang sử dụng hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM dựa trên công nghệ TDMA. Theo dòng lịch sử phát triển của công nghệ, với tính năng ƣu việt của công nghệ CDMA có tính bảo mật tín hiệu cao hơn TDMA, nhờ sử dụng tín hiệu trải phổ. Ngoài ra, với tốc độ truyền nhanh hơn các công nghệ hiện có, nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai nhiều tùy chọn dịch vụ nhƣ thoại, thoại và dữ liệu, fax, Internet,. Hiện nay Việt Nam đang triển khai mạng di động thông tin di động thứ ba (3G), và trong tƣơng lai với những giải pháp mới mạng di động thế hệ thứ tƣ (4G) đã đƣợc đề xuất.
Yêu cầu của truyền tin là nhanh, ổn định và tin cậy nhƣng tốc độ phải cao những vấn đề của truyền thông di động hết sức khắc nghiệt là, suy hao đƣờng truyền tăng theo khoảng cách, theo tần số, ảnh hƣởng phading, ảnh hƣởng của hiện tƣợng di tần Doppler. Để giải quyết những yêu cầu mâu thuẫn trên đòi hỏi phải có những công nghệ và giải pháp mới. Các hệ thống thông tin di động phải thiết kế để chống lại mất mát do đa đƣờng, do phading chọn lọc tần số và độ tán sắc đa đƣờng dẫn tới nhiễu xuyên kí hiệu ISI. Kỹ thuật trải phổ đa sóng mang MC-CDMA là một phƣơng pháp hấp dẫn để chống lại trải trễ của kênh thông qua truyền thông tin qua nhiều sóng mang con có tốc độ bit thấp.
Cơ sở của công nghệ này là sự kết hợp giữa điều chế đa sóng mang MCM mà một trƣờng hợp đặc biệt của nó là điều chế phân chia theo tần số trực giao OFDM và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA. Nhƣng MC-CDMA có băng thông rộng và có thể là đối tƣợng chịu ảnh hƣởng của phading đa đƣờng chọn lọc tần số. Hơn nữa số lƣợng ngƣời dùng trong hệ thống ngày càng gia tăng với các tốc độ dữ liệu cao thấp khác nhau thì mức độ dàn trải tần số càng trở nên rộng hơn và cần phải dùng những máy thu phức tạp hơn. Do đó vấn đề kênh truyền và nhiễu đa truy nhập z 10 MAI là hai nguyên nhân chính dẫn đến làm giảm chất lƣợng hệ thống.
Chính vì vậy phạm vi nghiên cứu của luận văn là giảm PAPR trong OFDM và giảm MAI trong MC-CDMA để nhằm nâng cao chất lƣợng cho hệ thống MC-CDMA. Trong phạm vi của Luận văn này, tác giả sẽ trình bày các nội dung chính gồm 3 chƣơng nhƣ sau: - Chƣơng 1: Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM, trong đó trình bày về cơ sở để thực hiện mô hình hệ thống OFDM, phân tích mô hình điều chế và giải điều chế hệ thống OFDM. Từ đó đi sâu vào phân tích một số ƣu điểm và hạn chế chính của hệ thống này. PAPR là một nhƣợc điểm lớn trong hệ thống OFDM.
Vì vậy, trong chƣơng này tác giả trình bày một số giải pháp để khắc phục PAPR. - Chƣơng 2: Các mô hình trải phổ đa sóng mang MC-SS. Tác giả trình bày tổng quan về nguyên lý, đặc điểm kỹ thuật của các hệ thống đa sóng mang MC-SS. Từ đó đánh giá sơ bộ ƣu điểm, hạn chế của hệ thống này.
Qua đó, tác giả trình bầy môt số giải pháp khắc phục: dùng các loại mã giả ngẫu nhiên PN nhƣ (chuỗi m, Gold, kasami) để triệt nhiễu đa ngƣời dùng. Các kỹ thuật tách sóng đơn ngƣời dùng SUD và tách sóng đa ngƣời dùng MUD. - Chƣơng 3: Giảm PAPR và MUI ở đƣờng lên và xuống trong hệ thống MC-CDMA - Phụ lục: gồm một số chƣơng trình mô phỏng bằng phần mềm Matlab, để tạo ra các chuỗi giả ngẫu nhiên nhƣ Gold, chuỗi m, chuỗi Walsh, kasami. Do còn hạn chế về kiến thức, tài liệu tham khảo cũng nhƣ thời gian nghiên cứu có hạn, nên Luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế.
Rất mong đƣợc sự góp ý và chỉ bảo tận tình của các Thầy cô và bạn đọc. Tác giả xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Viết Kính, giáo viên hƣớng dẫn đề tài, đã tận tình giúp đỡ định hƣớng đề tài, tài liệu tham khảo cho em trong suốt quá trình hoàn thành Luận văn. Xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô khoa Điện tử - Viễn thông cùng các Thầy Cô Phòng đào tạo Sau đại học trƣờng Đại học Công nghệ - ĐHQG Hà Nội đã giúp đỡ, đào tạo trong suốt thời gian em học tập tại trƣờng. Hà Nội, ngày 05 tháng 5 năm 2009 Học viên thực hiện Hoàng Văn Tùng z 11 Chƣơng 1: MỘT SỐ NÉT CHÍNH VỀ OFDM VÀ PHƢƠNG PHÁP GIẢM PAPR 1.
Mô hình hệ thống OFDM[1][3] 1. Nguyên lý xây dựng mô hình hệ thống OFDM sử dụng FFT/IFFT [1] Theo lịch sử phát triển, kỹ thuật OFDM đã đƣợc đƣa ra vào cuối thập niên 1960 nhƣ đƣợc mô tả ở hình 1.1, tuy nhiên, đó chỉ là mô hình điều chế tƣơng tự, trong đó, đòi hỏi phải có các băng lọc hoàn hảo và nhiều bộ dao động cao tần với độ ổn định tần số rất cao. Yêu cầu khắt khe này có thể đƣợc thay thế bằng cách sử dụng bộ biến đổi nhanh Fourier ngƣợc (IFFT). Nơi phát Kênh truyền Nơi thu 0(t) x0,1 0(t) n(t) y0,1 x1,1 1(t) y1,1 1(t) g(;t) xN-1,1 N-1(t) N-1(t) yN-1,1 Hình 1.1: Mô hình hệ thống OFDM tương tự Thật vậy, trong trƣờng hợp tổng quát, mỗi sóng mang nhánh trong sơ đồ trên có thể đƣợc biểu diễn dƣới dạng phức nhƣ sau: S c (t ) An (t )e j nt n (t ) (1.2) z 12 Khi phân tích tín hiệu nhận đƣợc sau khi thực hiện điều chế OFDM, ta thƣờng phải quan tâm đến các đặc điểm và chu kỳ T của ký hiệu OFDM.
Nếu xét trong khoảng thời gian T này, các biến An (t) và n(t) - chỉ phụ thuộc vào tần số của mỗi sóng mang con – là cố định. Do đó, ta có thể viết: n(t) n, An (t) An Thực hiện lấy mẫu tín hiệu trên với tần số 1/T0 ta có: 1 N 1 S OFDM (t ) N n 0 An (t )e j 0 n kT0 n (1.3) Không mất tính tổng quát, giả sử w0 = 0 và T0 =T/N nkT 1 N 1 j S OFDM (t ) An e j n e N (1.4) N n 0 2 nfT 1 N 1 S OFDM (t ) An e j n e j N (1.5) N n 0 So sánh công thức này với kết quả phép IFFT của N điểm rời rạc S c(kT) tại N đầu ra của bộ thu IFFT là : 2 nk 1 N 1 n j N S OFDM (t ) S c e (1.6) N n0 NT Với N là kích thƣớc của bộ FFT/IFFT, ta có thể thấy có thế sử dụng IFFT thay cho các bộ lọc hoàn hảo đắt tiền và nhiều bộ dao động cao tần có độ ổn định tần số rất cao. Điều quan trọng là đạt đƣợc tính trực giao giữa các sóng mang trên các nhánh. Điều kiện này thoả mãn khi khoảng cách tần số giữa các sóng mang con Δf thoả mãn điều kiện: 1 1 f (1.7) 2 T NT0 Trong đó, T là chu kỳ ký hiệu OFDM T0 là chu kỳ lấy mẫu tín hiệu OFDM của mỗi ký tự.
Lý thuyết trên là cơ sở để xây dựng mô hình hệ thống OFDM số dùng trong thực tế. Cùng với sự phát triển của kỹ thuật số, của công nghệ vi mạch tích hợp tốc độ xử lý cao, kỹ thuật OFDM sử dụng IFFT/FFT đƣợc thực hiện đơn giản, hiệu quả hơn và ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rãi. Mô hình cơ bản của hệ thống OFDM sử dụng FFT/IFFT RF Bộ tạo giao động tần số vô tuyến oscilator Dữ liệu phát Chuyển Điều Chuyển IFFT Chèn CP D/A đổi S/P chế số đổi P/S HPA Kênh truyền RF oscilator Bộ tạo giao động tần số vô tuyến Dữ liệu thu Chuyển Chuyển Chuyển Loại CP FFT A/D đổi S/P đổi P/S đổi S/P Hình 1.2: Mô hình hệ thống OFDM số Chức năng của từng khối ở phần phát của hệ thống đƣợc mô tả nhƣ sau: Bộ chuyển đổi từ nối tiếp thành song song (S/P) Tại nơi phát, luồng dữ liệu phát (nối tiếp) với tốc độ cao sẽ đƣợc chuyển thành các nhánh dữ liệu con truyền đồng thời cùng nhau, tốc độ bit truyền trên từng nhánh con nhỏ hơn nhiều so với luồng dữ liệu phát ban đầu. Do đó, chu kỳ một ký hiệu OFDM tăng, tạo nên hiệu quả chống ISI cho hệ thống.
Khối điều chế số Thực chất là quá trình điều chế dữ liệu trên các sóng mang con. Khối IFFT Trên thực tế, số sóng mang con đƣợc sử dụng thƣờng nhỏ hơn kích thƣớc của bộ IFFT. Đó là do trong số NIFFT đầu vào của bộ IFFT có một số đầu vào đƣợc dùng cho các mục đích khác nhau nhƣ tạo khoảng trống giữa các ký hiệu OFDM hoặc chèn tiền tố lặp. Các bộ biến đổi IFFT/FFT dựa trên thuật toán biến đổi Fourier nhanh cho phép giảm số lƣợng phép nhân phức của các biến đổi Fourier rời rạc (DFT).
Điều này làm tăng tính đơn giản và hiệu quả cho hệ thống. z 14 Khối chuyển đổi từ song song thành nối tiếp (P/S) Khối này chuyển các ký hiệu sau IFFT thành chuỗi nối tiếp nhau. Nếu chu kỳ lấy mẫu của tín hiệu ban đầu là T0 và N là kích thƣớc bộ IFFT/FFT thì sau bộ biến đổi này ta thu đƣợc ký hiệu OFDM có chu kỳ T=N. Trong quá trình truyền đi, các ký hiệu gồm nhóm N mẫu này thƣờng đƣợc đánh dấu để phân biệt đƣợc với nhau nhờ phƣơng pháp chèn CP hoặc chèn các ký hiệu đặc biệt vào giữa các ký hiệu OFDM.
Chèn tiền tố lặp (CP) GI: Guard Interval (khoảng bảo vệ) Hình 1.3: Kĩ thuật chèn tiền tố lặp Việc này nhằm mục đích làm cho khoảng thời gian kéo dài của mỗi ký hiệu OFDM lớn hơn trải trễ cực đại của kênh đa đƣờng, đồng thời giữ nguyên tính trực giao giữa các sóng mang con trong ký hiệu OFDM.