I. Tổng Quan Hệ Thống Truyền Dữ Liệu Đa Kênh Giới Thiệu
Hệ thống truyền dữ liệu đa kênh ngày càng trở nên phổ biến do nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông di động tăng cao. Việc nâng cao chất lượng dịch vụ và mở rộng hệ thống là vô cùng quan trọng. Các nhà nghiên cứu không ngừng tìm tòi và phát triển công nghệ mới, sử dụng chúng trong thực tế. Thông tin di động sử dụng CDMA đã đáp ứng được những yêu cầu trên. Nó cho phép nhiều người sử dụng chung một kênh, từ đó tiết kiệm tài nguyên và nâng cao dung lượng hệ thống. Tuy nhiên, nó cũng đặt ra một thách thức là khả năng thu được chính xác tín hiệu đã phát đi. Luận văn này trình bày một bộ thu DS/CDMA được sử dụng trong hệ truyền thông dùng CDMA, với tính năng ưu việt, mang lại hiệu quả sử dụng thực tế, góp phần nâng cao chất lượng của hệ thống.
1.1. Lịch Sử Phát Triển của Công Nghệ Truyền Dữ Liệu CDMA
Lý thuyết về CDMA đã 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, công nghệ CDMA đã được thương mại hóa từ phương pháp thu GPS và 0mmi-TГAເS, phương pháp này cũng được đề xuất trong hệ thống tổ 0пǥ của Qualເ0mm-Mỹ vào năm 1990.
1.2. Nguyên Tắc Hoạt Động Cơ Bản của Truyền Dữ Liệu Đa Kênh
CDMA sử dụng công nghệ trải phổ nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi. Những người sử dụng nói trên được phân biệt nhờ một mã trải riêng không trùng với ai. Mỗi máy phát gửi đi luồng dữ liệu bằng cách điều chế mã trải của riêng nó với dữ liệu như trong trường hợp hệ thống có một người dùng. Tuy nhiên trong trường hợp hàm tương quan giữa các mã trải là không trực giao hoàn toàn, khi tách sẽ lấy tích phân tín hiệu có chứa cả thành phần không trực giao giữa các người dùng. Do đó ta phải tìm cách hạn chế nhiễu giữa các người dùng với nhau càng nhiều càng tốt. Điều này đòi hỏi ta phải chọn các mã trải sao cho hàm tương quan chéo của nó có giá trị càng nhỏ càng tốt.
II. Thách Thức và Vấn Đề trong Hệ Thống Truyền Thông Đa Kênh
Một yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống chính là độ rộng băng thông và tốc độ truyền dữ liệu, vì chúng có thể gây ra mất trực giao. Ngoài sự tương quan của các mã trải, còn có các yếu tố khác đóng vai trò quan trọng như là: tỉ số tín hiệu trên tạp của tín hiệu thu (SNR), phương pháp mã hóa…loại máy thu. Và yếu tố cuối cùng là chất lượng bộ thu đa người dùng, phải thiết kế và phân tích sao cho chống được nhiễu đa truy nhập (MAI). Như vậy nền tảng của hệ truyền thông dùng CDMA đó là trải phổ, trước tiên ta sẽ xét nguyên tắc của nó.
2.1. Ảnh Hưởng của Hiệu Ứng Đa Đường Truyền Dẫn Tín Hiệu
Như chúng ta biết, một trạm di động thường được đặt gần mặt đất, và tín hiệu phát đi sẽ bị khúc xạ, phản xạ, tán xạ bởi những vật thể trong thành phố như cây cối, nhà cửa, đồi núi. Vì vậy tín hiệu thu được sẽ bao gồm một dãy các tín hiệu chồng nhau, là bản sao bị trễ của tín hiệu phát. Mỗi một tín hiệu trễ có thời gian đến, công suất và pha khác nhau. Khi bộ thu cũng như các vật thể phản xạ không dừng, nên các thành phần phản xạ sẽ gây fading lên tín hiệu thu, trong đó fading là nguyên nhân gây ra tín hiệu thay đổi cường độ theo cách không tiên đoán được.
2.2. Vấn Đề Nhiễu Đa Truy Nhập MAI trong Truyền Dữ Liệu
Trong các phần trên ta chỉ xét đến truyền dẫn một người dùng. Vậy làm thế nào để hệ thống có thể làm việc cho truyền dẫn nhiều người sử dụng. Việc đa truy nhập đạt được trong hệ thống DS/CDMA cho phép nhiều người sử dụng cùng chia sẻ băng tần chung. Mỗi một bộ phát và bộ thu đã ấn định trước của nó được phân cho chuỗi trải phổ riêng biệt. Khi đó chỉ những bộ thu biết rõ ràng về chuỗi trải phổ riêng biệt này mới có khả năng tách ra được tín hiệu đã phát.
III. Phương Pháp Tách Sóng Đa Người Dùng Giải Pháp Hiệu Quả
Xét hệ thống CDMA có K người sử dụng đang hoạt động, và đang phát tín hiệu cùng một lúc. Và để đơn giản, giả sử rằng không có truyền dẫn đa đường và điều khiển công suất là hoàn hảo. Về mặt toán học tín hiệu của người sử dụng thứ k được thể hiện theo công thức sau: ь (k ) (ƚ) = ь (k ) (ƚ − jT ) 1.7) Tín hiệu dữ liệu của người sử dụng thứ k ь (k ) (ƚ) và chuỗi trải phổ riêng biệt a(k) (ƚ) được nhân với nhau để tạo ra tín hiệu băng tần rộng tương đương băng tần cơ bản, là: s (k) (t) = Pb(k ) b(k ) (t)a(k ) (t) (1.8) đ trong P όь (k )
3.1. Tách Sóng Đa Người Dùng Tuyến Tính Ưu và Nhược Điểm
Tín hiệu thu băng cơ bản tổ hợp đa người sử dụng sẽ là: K г(ƚ) = Ρb(k ) ь (k ) (ƚ − )a (k ) (ƚ − ) + п(ƚ) (k ) (k ) (1.9) k =1 trong (k ) là trễ truyền dẫn, cộng thêm trễ truyền tương đối của người sử dụng thứ k với các người sử dụng khác, п(ƚ) là nhiễu AWGN với mật độ phổ П0 công suất W/Hz. 2 (Hình 1-5-Mô Hình Hệ Thống CDMA)
3.2. So Sánh Hiệu Năng Các Phương Pháp Tách Sóng Đa Người Dùng
Trong đường xuống (tức là từ trạm gốc đến trạm di động), trạm gốc có khả năng đồng bộ sự truyền dẫn tín hiệu của tất cả người sử dụng, sao cho độ kéo dài của các tín hiệu được đồng chỉnh xen lẫn nhau. Như vậy tín hiệu tổ hợp sẽ được thu tại mỗi trạm di động với (k ) =0 với k=1,2,…,K. Quá trình truyền dẫn này là truyền đồng bộ theo kí hiệu. Sử dụng bộ tách một người dùng truyền thống, mỗi kí tự của người sử dụng thứ j sẽ được lấy ra từ tín hiệu thu được г(ƚ) bằng cách lấy tương quan của nó so với mã trải của người sử dụng thứ j , để thu được:
IV. Bộ Thu DS CDMA Thích Nghi Nghiên Cứu và Phát Triển
Ngược lại với đường xuống, hiện tượng hoàn toàn trực giao không thể đạt được với đường lên (từ trạm di động đến trạm gốc). Vì không thể phối hợp truyền dẫn tín hiệu của tất cả người sử dụng. Trong CDMA, tất cả người sử dụng đều phát cùng một băng tần số theo cách không phối hợp. Khi đó (k ) ≠ 0, và hiện tượng ứng với kịch bản này được gọi là truyền dẫn không đồng bộ. Trong trường hợp này thì trễ thời gian (k ) , k=1,2,…K sẽ có trong khi tính toán. Không làm mất tính chất khái quát, có thể giả sử rằng (1)=0, và khi đó thì: 0< (2) <(3) <…<(K) <Tь .10), việc giải điều chế kí hiệu thứ i của người sử dụng thứ j được thực hiện bởi phép tương quan giữa tín hiệu
4.1. Thiết Kế và Phân Tích Bộ Thu DS CDMA Thích Nghi
Vì trễ đường truyền lớn nhất giả định là giới hạn chỉ một kí hiệu.11) biểu diễn kí hiệu dữ liệu ước tính của người sử dụng thứ j tại trạm gốc và trạm di động. Cả hai đều bao gồm kí hiệu mong muốn của người sử dụng thứ j . Tuy nhiên, nó vẫn chịu ảnh hưởng của nhiễu và ồn từ những người sử dụng khác. Nhiễu này được gọi là nhiễu đa truy nhập (MAI). Nó bao gồm tín hiệu không mong muốn từ (K-1) người sử dụng khác. MAI sẽ làm cho tương quan chéo của mã trải khác không. Trong trường hợp lý tưởng, mã trải sẽ thỏa mãn trực giao như sau:
4.2. Ứng Dụng Thực Tế của Bộ Thu DS CDMA Thích Nghi
Tuy nhiên, không thể thiết kế được một mã có thể trực giao ở mọi thời điểm với thời gian trôi khác nhau do quá trình truyền ở tuyến lên là không đồng bộ. Chính vì vậy sẽ luôn luôn tồn tại MAI trong tuyến lên. Ngược lại nhiễu đa đường luôn tồn tại ở cả hai đường lên và xuống. Nhiễu đa đường là do thời điểm đến khác nhau của cùng một tín hiệu theo các đường khác nhau của bộ thu. Điều này tương tự như tín hiệu phát từ những người dùng khác nhau, do đó nhiễu đa đường thì luôn được xét như MAI.
V. Mã Trải trong Hệ Thống Truyền Dữ Liệu Đa Kênh Lựa Chọn
Như đã thấy ở trên, sự lựa chọn mã trải như thế nào là vô cùng quan trọng trong hệ thống CDMA. Tiêu chí để lựa chọn mã trải cho người sử dụng là số lượng chuỗi trải phổ khác nhau với chiều dài bất kỳ, phải lớn hơn số lượng người sử dụng tối đa trong một cell. Chuỗi trải phải thể hiện tương quan chéo thấp để giảm nhiễu đa người dùng trong quá trình điều chế. Mặt khác, tỉ số giữa các đỉnh tự đại chính và phụ của tự tương quan cao theo công thức (1.17) cũng là một tiêu chí quan trọng, và thực chất thì để tối thiểu hóa xác suất lỗi trong suốt qu...
5.1. Tiêu Chí Lựa Chọn Mã Trải Phổ Tối Ưu
Tiêu chí để lựa chọn mã trải cho người sử dụng là số lượng chuỗi trải phổ khác nhau với chiều dài bất kỳ, phải lớn hơn số lượng người sử dụng tối đa trong một cell. Chuỗi trải phải thể hiện tương quan chéo thấp để giảm nhiễu đa người dùng trong quá trình điều chế.
5.2. Các Loại Mã Trải Phổ Phổ Biến và Ứng Dụng
Mặt khác, tỉ số giữa các đỉnh tự đại chính và phụ của tự tương quan cao theo công thức (1.17) cũng là một tiêu chí quan trọng, và thực chất thì để tối thiểu hóa xác suất lỗi trong suốt qu...
VI. Kết Luận và Xu Hướng Phát Triển Truyền Dữ Liệu Đa Kênh
Hệ thống truyền dữ liệu đa kênh không ngừng phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tốc độ và dung lượng. Các nghiên cứu tiếp tục tập trung vào việc cải thiện hiệu suất, giảm nhiễu và tăng cường bảo mật. Ứng dụng của hệ thống này ngày càng mở rộng, từ viễn thông di động đến IoT và các lĩnh vực công nghiệp khác.
6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Chính
Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc phát triển các thuật toán tách sóng tiên tiến, sử dụng trí tuệ nhân tạo để tối ưu hóa hiệu suất và giảm nhiễu trong môi trường truyền dẫn phức tạp.
6.2. Triển Vọng và Hướng Nghiên Cứu Tương Lai
Trong tương lai, hệ thống truyền dữ liệu đa kênh sẽ tiếp tục được cải tiến để đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng mới, như 5G, 6G và các hệ thống truyền thông không dây thế hệ tiếp theo.
