Luận văn Thạc sĩ: Hệ thống lai ghép CDMA đa sóng mang đa mã

Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu hệ thống lai ghép CDMA đa sóng mang đa mã. Tìm hiểu kỹ thuật, ứng dụng và đánh giá hiệu quả hệ thống.

• Tác giả: Hoàng Văn Tuấn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Viết Kính
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Điện Tử - Viễn Thông
• Đề tài: Hệ Thống Lai Ghép CDMA Đa Sóng Mang-Đa Mã
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• Lời nói đầu
• 1. Phần I: Giới thiệu các Hệ thống CDMA lai ghép
• 1.1. Kỹ thuật trải phổ CDMA
• 1.2. Hệ thống CDMA đa sóng mang
• 1.2.1. Mô tả hệ thống truyền dẫn Đa sóng mang
• 1.2.2. Mô hình hệ thống lai ghép CDMA đa sóng mang
• 1.2.3. Ưu nhược điểm của hệ thống MC CDMA
• 1.2.3.1. Ưu điểm của MC CDMA
• 1.2.3.2. Nhược điểm của MC CDMA
• 1.3. Hệ thống CDMA đa mã
• 1.3.1. Giới thiệu tổng quan
• 1.3.2. Các loại mã sử dụng trong hệ thống CDMA
• 1.3.2.1. Mã Gold và Kasami
• 1.3.3. Mô hình hệ thống CDMA đa mã
• 2. Phần II: Hệ thống lai ghép CDMA đa sóng mang đa mã
• 2.1. Mô hình hệ thống MTC-MC CDMA
• 2.2. Phân tích hệ thống MTC-MC CDMA
• 2.3. Hiệu năng của hệ thống MTC-MC CDMA
• 2.4. Sự thích nghi tốc độ của hệ thống MTC-MC CDMA trên kênh fading đa đường
• 2.4.1. Mô hình kênh fading đa đường
• 2.4.1.1. Kênh fading đa đường điển hình
• 2.4.1.2. Đa đường do tán xạ và đa đường rời rạc
• 2.4.1.3. Mô hình hóa kênh fading đa đường
• 2.4.2. Sự thích nghi tốc độ
• 2.4.3. Mô phỏng
• Kết luận
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục: Mã nguồn một vài chương trình mô phỏng (Matlab)

Tóm tắt

I. Tổng Quan Hệ Thống Lai Ghép CDMA Đa Sóng Mang Giới thiệu

Hệ thống không dây tương lai, như mạng tế bào thế hệ thứ 4 (4G), đòi hỏi sự linh hoạt trong việc cung cấp các dịch vụ đa dạng cho thuê bao. Các dịch vụ như thoại, dữ liệu, ảnh và truyền hình có tốc độ dữ liệu khác nhau đáng kể. Do đó, hệ thống thế hệ tương lai cần thích nghi với sự đa dạng này. Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) đã chứng minh sự thành công trong hệ thống thoại tế bào, nhưng vẫn có hoài nghi về khả năng thích hợp của CDMA với các loại truyền khác thoại. Điều này thúc đẩy nghiên cứu về hệ thống CDMA đa mã, cho phép tốc độ dữ liệu thay đổi thông qua phân phối đa mã và thay đổi dung lượng người dùng. Trong khi đó, CDMA đa sóng mang (MC-CDMA) nổi lên như một sự thay thế mạnh mẽ cho CDMA chuỗi trực tiếp (DS-CDMA) truyền thống trong thông tin vô tuyến di động, cho thấy hiệu quả tốt hơn trên kênh fading đa đường. Bài luận văn này giới thiệu và phân tích kỹ thuật điều chế, đa truy cập mới và sự kết hợp giữa CDMA đa sóng mang với hệ thống đa mã. Kỹ thuật này tận dụng lợi thế của cả hai hệ thống. So với kỹ thuật truyền đa tốc trên hệ thống CDMA đơn sóng mang trong kênh AWGN, kỹ thuật đa mã mới cân bằng giữa số lượng thuê bao và tốc độ dữ liệu. Điều này có nghĩa số người sử dụng đồng thời tốc độ cao trong hệ thống CDMA đa mã sẽ ít hơn so với hệ thống CDMA truyền thống. Thay đổi sơ đồ đa mã sẽ giúp thay đổi tốc độ dữ liệu bằng cách thay đổi tập hợp chuỗi mã được chỉ định cho mỗi người dùng. Người dùng truyền dữ liệu bằng cách chọn một chuỗi từ tổ hợp mã của họ để truyền trên cùng kênh. Hiệu năng hệ CDMA đa mã chỉ còn coi như trong kênh AWGN. Hiện có hai loại nghiên cứu truyền dẫn đa tốc độ dựa trên đa sóng mang–trải phổ chuỗi trực tiếp (MC-DS CDMA). Thứ nhất nghiên cứu truyền đa tốc cho hệ thống CDMA chuỗi trực tiếp đa sóng mang dựa trên nguyên lý cơ bản gồm truy cập đa mã và thứ hai truy cập mã hệ số trải biến đổi. Trong CDMA đa mã, dòng dữ liệu của người sử dụng tốc độ M ban đầu được ghép kênh vào M dòng liên tiếp khác nhau với một tốc độ dữ liệu cơ bản, và mỗi dòng liên tục này coi như một người sử dụng riêng biệt. Sau khi mỗi dòng liên tiếp M được biến đổi thành P dòng nhỏ song song thì được trải phổ bởi mã trải phổ giống nhau cùng một hệ số trải phổ. Hệ thống CDMA chuỗi trực tiếp đa sóng mang này có M lần nhiễu/người sử dụng, bởi mỗi dòng trong M dòng dữ liệu được coi như một người dùng độc lập. Do đó, hệ thống này chịu nhiều nhiễu hơn khi tăng tốc độ dữ liệu, với số người dùng cố định. Trong hệ thống CDMA đa sóng mang đa tốc, các sóng mang con được phân chia vào M nhóm theo tốc độ dữ liệu yêu cầu. Do đó, khi số sóng mang con là cố định, hệ số trải trong miền tần số của dữ liệu bị giảm khi tăng tốc độ dữ liệu. Hệ thống CDMA đa mã đặt vấn đề trải rộng can nhiễu bằng hệ đa mã bởi chỉ sử dụng một chuỗi mã để thay cho việc trải từng dòng trong M dòng dữ liệu được ghép kênh, làm cho nhiễu không tăng tuyến tính với tốc độ dữ liệu. Dù thế nào thì hệ thống CDMA đa mã cũng không thể đạt được độ lợi phân tập tần số của điều chế đa sóng mang. Hệ thống CDMA đa sóng mang đa mã (MTC-MC CDMA) là sự kết hợp hoàn hảo hai hệ thống CDMA đa sóng mang và hệ thống CDMA đa mã, nó có được ưu điểm của cả hai hệ thống như: (i) tốc độ dữ liệu thay đổi mà không mở rộng nhiễu và (ii) khả năng chống kênh fading đa đường. Hơn nữa, hệ thống này có cả hệ số trải miền tần số và trải miền thời gian để tận dụng hài hòa cả phân tập và trung bình hóa can nhiễu của các đặc tính của hệ thống điều chế đa sóng mang và CDMA. Hiệu năng của hệ thống MTC-MC CDMA được suy ra theo biểu thức giải tích và cải tiến hệ thống từ hệ thống MC-CDMA, cũng thông qua những phân tích và được mô phỏng trên kênh fading chọn lọc tần số.

1.1. Tổng Quan về Kỹ Thuật Trải Phổ CDMA Hiện Nay

Kỹ thuật trải phổ CDMA, về lý thuyết bắt nguồn từ những ý tưởng của C. Shannon. Kỹ thuật này đã được sử dụng từ thế chiến lần thứ II với mục đích bảo đảm chất lượng các cuộc thông tin và không bị phát hiện. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực quân sự tiếp tục phát triển kỹ thuật này nhằm tăng cường khả năng chống nhiễu của tín hiệu, còn các nhà thiết kế vệ tinh sử dụng kỹ thuật trải phổ để ngăn sự quá tải của các bộ phát đáp analog. Kỹ thuật trải phổ có nguyên lý thực chất rất đơn giản: tín hiệu trước hết được điều chế, mã hóa sao cho gần giống như tín hiệu nhiễu, sau đó được truyền đi và được khôi phục lại tại máy thu đầu cuối. Việc biến đổi (mã hóa) tín hiệu nhằm bảo vệ tín hiệu khi nó được truyền trên phương tiện truyền dẫn. Vì vậy, chất lượng của tín hiệu sau khi được khôi phục phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế và mã hóa. Mục đích của việc điều chế và mã hóa tín hiệu là biến đổi tín hiệu thành nhiễu. Càng giống nhiễu bao nhiêu, càng khó thâm nhập bấy nhiêu do nhiễu là hoàn toàn ngẫu nhiên. Hơn nữa, tín hiệu càng được trải khắp phổ tần bao nhiêu thì càng được bảo vệ bấy nhiêu, ngay cả khi một phần phổ của tín hiệu không được khôi phục, tín hiệu vẫn không bị mất. Hiện nay, người ta sử dụng hai phương pháp chính để mã hóa tín hiệu: Phương pháp nhảy tần FH (Frequence Hopping) và phương pháp dãy trực tiếp DS (Direct Sequence). Phương pháp trải phổ trực tiếp DS-SS trong hệ thống CDMA được sử dụng khi cần tốc độ truyền cao. Phương pháp này trộn mã của tín hiệu gốc với mã giả ngẫu nhiên của tín hiệu trải phổ có tốc độ rất cao. Tín hiệu thu được có chứa tín hiệu gốc song hoàn toàn bị che mờ đi bởi tín hiệu mã giả ngẫu nhiên này. Đồng thời, tín hiệu mã có mức độ trải phổ cao hơn (do tần số tỷ lệ nghịch với thời gian) nên tín hiệu thu được là tín hiệu trải phổ của tín hiệu gốc. Các bít mã của tín hiệu mã trải phổ (được gọi là chip) sinh ra bởi một máy phát tín hiệu giả ngẫu nhiên với tốc độ cao, như biều diễn trong hình 1. Tín hiệu tổng hợp nhận được ở máy thu, quá trình giải trải phổ (nén phổ), tức là trộn nó với tín hiệu mã đồng bộ với tín hiệu mã trải phổ gốc tại máy phát sẽ khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Ở phương pháp này, nếu máy thu không biết được mã của máy phát thì không thể khôi phục được tín hiệu gốc ban đầu. Điều đó cho phép tất cả các tín hiệu có thể được truyền đồng thời tới tất cả các máy thu.

1.2. Ưu Điểm của CDMA Băng Rộng và Ứng Dụng Thực Tế

Từ các ưu điểm về dung lượng, tính đơn giản trong quy hoạch tần số, chuyển giao mềm, chống nhiễu, chống phá hoại, bảo mật… công nghệ CDMA băng rộng là kỹ thuật đa truy cập vô tuyến được đề nghị sử dụng trong thông tin di động thế hệ 3 và tương lai với đủ loại hình dịch vụ. Trong hệ thống DS-CDMA, nhiều người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu mã giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu mong muốn của mình bằng cách nén phổ. Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng nhiễu phổ rộng công suất thấp tựa tạp âm. Tín hiệu trải phổ phản ứng tốt đối với kênh fading đa đường. Trong kênh đa đường, tín hiệu gốc bị phản xạ bởi những chướng ngại vật như các công trình, đồi núi. Do đó, máy thu nhận được nhiều bản sao của tín hiệu gốc với các độ trễ khác nhau. Nếu mức độ trễ của các bản sao lớn hơn một chip, thì máy thu có thể phân tách chúng bằng máy thu RAKE.

II. Tìm Hiểu Hệ Thống CDMA Đa Sóng Mang Tổng quan chi tiết

Trong những năm gần đây, thông tin vô tuyến dựa trên kỹ thuật điều chế đa sóng mang MCM được quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Giải pháp kỹ thuật này đã được đề xuất trong thông tin tốc độ cao từ những năm 50, hệ thống đầu tiên sử dụng điều chế đa sóng mang MCM (Mutli-Carrier Modulation) là hệ thống vô tuyến KINEPLEX và KATHRYN sử dụng trong quân đội, với 20 sóng mang con, mỗi sóng mang truyền dữ liệu 150bit/s. Sau này với sự phát triển của công nghệ xử lý tín hiệu số, việc xử lý tín hiệu trên các sóng mang trực giao được thiết lập hiệu quả bởi biến đổi Fourrier rời rạc DFT và kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM càng được quan tâm nhiều hơn trong thông tin vô tuyến. Kỹ thuật OFDM là trường hợp riêng của điều chế đa sóng mang. Thậm chí trong một số tài liệu, người ta còn gọi chung là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin tốc độ cao bởi vì dòng dữ liệu phát được truyền qua các sóng mang tốc độ thấp hơn. Điều đáng nói ở đây là OFDM được nhìn theo cả kỹ thuật điều chế và kỹ thuật ghép kênh. Nói tóm lại, nguyên tắc của OFDM cũng như kỹ thuật điều chế đa sóng mang là sử dụng tách các kênh thông tin băng rộng thành các kênh thông tin băng hẹp và thực hiện truyền song song thông tin trên nhiều sóng mang tương ứng các kênh băng hẹp này. Một trong những lý do OFDM được quan tâm nhiều là OFDM rất hiệu quả đối với fading chọn lọc tần số và nhiễu băng hẹp. Đối với hệ thống , fading hoặc nhiễu ảnh hưởng rất mạnh đến chất lượng hệ thống, nhưng đối với hệ thống đa sóng mang chỉ có một phần nhỏ sóng mang bị ảnh hưởng do đó chất lượng của toàn bộ hệ thống không bị ảnh hưởng nếu chúng ta sử dụng các giải thuật tách tín hiệu trên miền tần số. Hơn nữa, vì tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang con trong truyền dẫn OFDM nhỏ hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu ban đầu nên ảnh hưởng của độ trải trễ hay hiệu ứng xuyên ký hiệu ISI giảm, các bộ cân bằng trên miền tần số trở nên đơn giản dẫn đến cấu trúc máy thu không phức tạp và khả năng thích nghi linh động với các loại hình dịch vụ khác nhau khi sử dụng xử lý tín hiệu số.

2.1. Nguyên Tắc Hoạt Động của Kỹ Thuật OFDM và Ứng Dụng

Một điều quan trọng trong việc truyền dẫn đa sóng mang dựa theo OFDM trong kênh vô tuyến di dộng đó là kênh di động có thể xem như là không thay đổi theo thời gian trong một ký hiệu OFDM và fading trên mỗi sóng mang là fading phẳng. Do vậy thời khoảng ký hiệu OFDM phải nhỏ hơn thời gian kết hợp của kênh (t) c và khoảng cách giữa các sóng mang phải nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh Bc . Hệ thống truyền dẫn đa sóng mang số áp dụng kỹ thuật OFDM biểu diễn trên hình 1.3 Hệ thống truyền dẫn đa sóng mang áp dụng OFDM Hệ thống thông tín với điều chế đa sóng mang truyền các ký hiệu Sl trên Nc sóng mang, l = 0, 1,…,Nc-1, với Sl là các tín hiệu đầu vào có khoảng thời gian là Td . Sau khi biến đổi nối tiếp sang song song khoảng thời gian của ký hiệu OFDM là Ts = NcTd (1.1) Với việc sử dụng dạng xung vuông, sự trực giao giữa các tín hiệu trên các sóng mang đạt được bằng cách chọn khoảng cách giữa các sóng mang bằng nghịch đảo của thời khoảng ký hiệu trên sóng mang Ts là 1 f s  (1.2) Ts

2.2. Vai Trò của Biến Đổi Fourier và Tiền Tố Vòng CP trong OFDM

Đóng vai trò chính trong OFDM là thiết lập biến đổi ngược rời rạc Fourier IDFT hay hiệu quả hơn là biến đổi ngược nhanh Fourier IFFT. Các mẫu đường bao phức x(t) của ký hiệu OFDM có thể thu được sau khi biến đổi IFFT của mẫu tín hiệu lối ra là 1 N c 1 j 2l / N c x   Sl e Nc l 0 ,  0, 1,.4) Khi số sóng mang con tăng, khoảng thời gian của ký hiệu OFDM Ts trở lên rất lớn so với thời khoảng đáp ứng xung  max của kênh và khi đó có thể giảm được ISI. Tuy nhiên, để hoàn toàn tránh được ISI và duy trì sự trực giao giữa các tín hiệu trên các sóng mang, tức là tránh được cả ICI thì khoảng bảo vệ với thời khoảng Tg   max phải được chèn vào giữa các ký hiệu OFDM cạnh nhau. Khoảng bảo vệ là khoảng mở rộng có tính chu kỳ, nó còn được gọi là tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix) là sao chép trong miền thời gian một phần cuối của mỗi ký hiệu OFDM. Bằng cách đặt tiền tố lặp này trước mỗi ký hiệu OFDM, ảnh hưởng của ISI và ICI được khắc phục. Lúc đó thời khoảng của ký hiệu OFDM là Ts'  Tg  Ts (1.5) Độ dài rời rạc của khoảng bảo vệ phải thỏa mãn điều kiện  N  Lg   max c  (1.6)  Ts  Do đó chuỗi ký hiệu OFDM sau khi chèn khoảng bảo vệ là

III. Mô Hình Hệ Thống Lai Ghép CDMA Đa Sóng Mang Chi tiết

Với sự phát triển của thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di dộng nói riêng theo hướng nâng cao tốc độ để hỗ trợ một số dịch vụ cấp cao như Multimedia, truyền hình, truyền dữ liệu …di động, việc kết hợp kỹ thuật MCM với kỹ thuật CDMA nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai kỹ thuật này là một giải pháp đầy hứa hẹn, hệ thống CDMA đa sóng mang (MC CDMA– Multicarrier CDMA). CDMA đa sóng mang này được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1993 và ngay lập tức trở thành một trong những vấn đề mang tính thời sự nhất về thông tin di động cho đến nay. Như đã biết, hệ thống trải phổ CDMA đa sóng mang là sự kết hợp của CDMA với MCM nên nó đã phát huy các ưu điểm của kỹ thuật trải phổ cũng như kỹ thuật MCM. Từ nguyên lý trải phổ của hệ thống MC CDMA ta thấy L chíp của dãy trải phổ được sử dụng song song trên các sóng mang nhánh. Nếu số lượng sóng mang nhánh N c bằng độ dài của dãy trải phổ, thì băng thông tổng cộng của Multicarrier-CDMA bằng với băng thông của DS-CDMA khi mà thực hiện trải phổ trên một sóng mang như bình thường. Mỗi ký hiệu dữ liệu được sao thành L bản, sau đó mỗi bản được nhân với một chip của dãy trải phổ trước khi được điều chế để truyền trên Nc sóng mang nhánh. Như vậy, thời khoảng mỗi chíp trong Multicarrier-CDMA sẽ lớn hơn Nc lần so với thời khoảng chip sử dụng trong hệ thống DS-CDMA tương đương. So sánh với sơ đồ biểu diễn DS-CDMA có thể thấy Multicarrier-CDMA đạt được độ linh động trên miền tần số cao hơn. Đây là cơ sở quan trọng trong việc xây dựng một hệ thống phục vụ nhiều loại hình dịch vụ với tốc độ thông tin khác nhau.

3.1. So Sánh Hiệu Quả Giữa MC CDMA và DS CDMA

Sơ đồ nguyên lý của máy phát, máy thu và phổ cổng suất của Multicarrier-CDMA được minh họa trên hình 1. Ở đây, dữ liệu được truyền song song trên N c sóng mang nhánh. Việc trải phổ tín hiệu Multicarrier-CDMA được thực hiện trên miền tần số.6, số lượng sóng mang nhánh Nc được lựa chọn đúng bằng độ lợi xử lý PG của hệ thống trải phổ. Khoảng cách giữa hai sóng mang nhánh liên tiếp là: F f multicarrier  (1.11) Ts với Ts là thời khoảng ký hiệu dữ liệu và F là hệ số tách biệt tần số có giá trị nguyên dương. Để tiết kiệm băng thông, người ta thường chọn F=1. Khi đó, tín hiệu Multicarrier-CDMA là tín hiệu OFDM. Do đó, có thể sử dụng biến đổi Fourier nhanh FFT để điều chế tín hiệu một cách đơn giản và hiệu quả.

3.2. Tính Linh Hoạt của MC CDMA trong Ứng Dụng Thực Tế

Tuy nhiên, Nc không nhất thiết phải bằng PG. Việc lựa chọn N c chỉ cần bảo đảm bản sao cho các kênh nhánh không chọn lọc tần số. Khi đó, có thể điều chế tín hiệu Multicarrier-CDMA bằng cách biến đổi nối tiếp sang song song S/P dữ liệu trước khi trải phổ tín hiệu trên miền tần số như trên hình 1. Giả sử thực hiện biến đổi S/P theo tỷ lệ 1:M. Thời khoảng bit trên mỗi nhánh song song sau biến đổi S/P là MTs . Khoảng cách tần số giữa hai sóng mang nhánh liên tiếp sẽ là giảm đi M lần và số sóng mang nhánh sử dụng tăng lên M lần. Phổ mỗi sóng mang nhánh giảm, đảm bảo yêu cầu không lựa chọn tần số. Phần lớn các hệ thống Multicarrier-CDMA được đề nghị sử dụng cho đường xuống (từ BS đến MS) trong thông tin di động vì có thể thực hiện được các máy thu có độ phức tạp không cao, đồng thời sự đồng bộ về thời gian/tần số theo hướng này có thể làm cho quá trình ước lượng kênh trở nên đơn giản hơn. Do đó, với cấu trúc phỏng theo OFDM, Multicarrier-CDMA sẽ cũng có một số ưu điểm và cũng có một số nhược điểm giống như OFDM.

3.3. Ưu điểm và hạn chế của MC CDMA so với OFDM

Mặt khác, để có thể hạn chế được ảnh hưởng của nhiễu ISI mà không sử dụng khoảng thời gian bảo vệ giống như CP ở hệ thống OFDM, đối với Multicarrier-CDMA, người ta phải sử dụng máy thu tách tín hiệu kết hợp (Joint Detection – JD, hay MultiUser Detection). Máy thu này phức tạp hơn, song lại có ưu điểm đó là tránh được hạn chế tốc độ truyền dẫn do sử dụng CP, đặc biệt khi sử dụng ở vùng có fading mạnh. Vì độ phức tạp của máy thu, giải pháp này chỉ được sử dụng đối với đường lên (MS đến BS).

IV. Đánh Giá Ưu Nhược Điểm Của Hệ Thống MC CDMA Chi tiết

Hệ thống đa sóng mang rất mạnh với fading đa đường và hạn chế ảnh hưởng của nó. Chống được ảnh hưởng của nhiễu công nghiệp và nhiễu phá hoại (jamming), nhiễu tín hiệu vi ba băng hẹp…Để loại bỏ nhiễu băng hẹp ảnh hưởng tới tín hiệu CDMA thì khả năng triệt nhiễu của hệ thống đa sóng mang là rất hiệu quả. Với Nc sóng mang tải tin trải rộng trên băng tần có sẵn, nhiễu băng hẹp có thể tránh bằng cách không sử dụng sóng mang phủ tín hiệu giao thoa. Tốc độ chip thấp hơn yêu cầu. Vì trong hệ thống đa sóng mang có Nc sóng mang tải tin trên toàn bộ băng tần của hệ thống chia thành N c dải có độ rộng bằng nhau, như vậy mỗi sóng mang được điều chế bởi một chuỗi trải phổ với chu kỳ chip nhỏ hơn N c lần so với hệ thống DS-CDMA. Nói cách khác, hệ thống đa sóng mang yêu cầu tốc độ thấp hơn, vì nó sử dụng ưu điểm của MCM là truyền song song thông tin trên các sóng mang nhánh, kiểu sử lý tín hiệu này tương phản với tín hiệu tốc độ nhanh. Ngược lại, đối với hệ thống đơn sóng mang phải sử dụng các quá trình xử lý tín hiệu nối tiếp, tốc độ cao (trong các bộ thu RAKE) dẫn đến máy thu có độ phức tạp cao hơn.

4.1. Ưu Điểm Vượt Trội Của MC CDMA

Độ linh động cao do hệ thống được thực hiện trên cả miền thời gian và tần số. Ví dụ có thể điều khiển thay đổi độ lợi xử lý từng sóng mang nhánh theo thời gian tùy theo yêu cầu của mạng. Hiệu suất sử dụng băng tần cao; hệ số sử dụng băng tần tăng gấp nhiều lần so với hệ thống DS-CDMA. Bộ cân bằng trên các sóng mang đơn giản, dễ thực hiện. Máy thu di động đơn giản: sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu FFT làm cho máy di động trở nên đơn giản hơn so với máy di động của hệ thống DS- CDMA (máy thu RAKE). Tăng thêm người sử dụng trong hệ thống, ít ảnh hưởng đến chất lượng chung của hệ thống. Hệ thống có thể tách tín hiệu cả trên miền tần số hoặc thời gian, nên hệ thống rất dễ dàng thích nghi với các môi trường khác nhau, chẳng hạn như môi trường đơn tế bào (single cell), đa tế bào (multicell), mạng topology, với các vùng phủ khác nhau. Hơn nữa, nhiều lĩnh vực ứng dụng như MIMO (sử dụng phân tập không gian) đã được kết hợp với trải phổ đa sóng mang cho thông tin di động tốc độ cao (4G).

4.2. Nhược Điểm Cần Lưu Ý Của MC CDMA

Công suất tương đối cực đại khá cao gây ảnh hưởng đến hiệu suất sử dụng của bộ khuếch đại công suất. Yêu cầu cao về đồng bộ cả về thời gian và tần số. Dễ bị ảnh hưởng của nhiễu pha. Hệ số tái sử dụng tần số kém hơn DS-CDMA. Bị ảnh hưởng của nhiễu đa người dùng MUI.

V. Hệ Thống CDMA Đa Mã MTC CDMA Phân tích tổng quan

Một trong hai khuynh hướng truyền dẫn song song trong CDMA là truyền dẫn CDMA đa mã hay còn gọi là CDMA đa mã trực giao (Orthogonal Multi-code CDMA). Các nhà nghiên cứu tập trung vào hướng thứ hai này là do nhu cầu cung cấp đa dịch vụ cho thông tin di động CDMA với tốc độ truyền dữ liệu cao và thỏa mãn yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau mà mỗi loại hình dịch vụ yêu cầu một băng thông và tốc độ truyền dữ liệu khác nhau. Vào năm 1995, Gilin đã đề xuất CDMA đa mã mà nó cung cấp băng thông theo yêu cầu bằng cách ấn định nhiều mã cho các người dùng trong hệ thống. Từ đó đến nay, rất nhiều công trình nghiên cứu tập trung vào vấn đề này.

5.1. Tầm Quan Trọng của CDMA Đa Mã trong Truyền Dẫn Song Song

Trong các hệ thống W-CDMA nói chung, các mã trực giao thường được dùng để tăng hiệu suất băng thông. Như chúng ta đã biết, hiệu suất phổ (băng thông) được tính theo đơn vị bits/Hz . Do vậy khi thực hiện cải tiến hiệu suất băng thông, sẽ tăng số lượng bit truyền thông của các đầu cuối và giảm nhiễu đa người dùng (MAI). Đây chính là cơ sở cho truyền dữ liệu tốc độ cao. Mỗi đầu cuối di động sử dụng một thành phần trong trong tập hợp các hàm trực giao. Một trong số các cách tạo tập hợp các hàm trực giao hữu ích cho W-CDMA là chuỗi Walsh-Hadamard.

5.2. Các Loại Mã Sử Dụng Trong Hệ Thống CDMA Walsh Gold Kasami

Chuỗi Walsh-Hadamard có khả năng giảm sự ảnh hưởng của nhiễu đa truy cập MAI do các  i trực giao với nhau từng đôi một, nên khi giải mã chỉ cần nhân tín hiệu thu được với đúng mã Walsh đã phát đi thì ảnh hưởng của tín hiệu người dùng khác bị triệt tiêu. Chuỗi Gold là mã trải phổ dùng cho hệ thống CDMA, có hàm tương quan chéo giữa hai dãy Gold bất kỳ khá nhỏ. Các chuỗi Gold được tạo ra từ 2 dãy m nhờ sử dụng một bộ cộng mod 2 để thêm vào mỗi một chip của dãy m1 thành dãy m2. Sau đó mỗi một chip được dịch chuyển theo dãy m1 để có được góc pha mới vào tạo dãy Gold thứ 2, sau đó phép cộng được lặp lại. Quá trình cộng pha của dãy m1 thành dãy m2 này không chuyển dịch tạo ra dãy Gold khác có chu kỳ L=(2 m-1). Mã Kasami được tạo ra từ chuỗi PN bằng cách phân chia một chuỗi có độ dài cực đại (chuỗi m) trong cách thức phân chia Kasami mọi chuỗi có độ dài (2m+1) được chọn ra từ chuỗi m. Cách này tạo ra tập hợp mã giả ngẫu nhiên ít hơn so với chuỗi Gold nhưng có giá trị cực đại tương quan chéo là R L. Để so sánh chuỗi Gold và Kasami ta so sánh giá trị của hàm tương quan chéo của hai chuỗi. Từ giá trị cực đại của hàm tương quan chéo của 2 mã Gold và mã Kasami thì ta thấy rằng mã Kasami tối ưu hơn mã Gold.

5.3. Mô Hình Hệ Thống CDMA Đa Mã MTC CDMA Chi tiết

Trong hệ thống Multi-Code CDMA, truyền dẫn tốc độ cao có thể đạt được bằng việc ấn định một số mã (một số chuỗi mã trực giao) cho người dùng thông qua truyền dẫn song song. Điều này cho phép người dùng sử dụng m mã để truyền tín hiệu với tốc độ gấp m lần tốc độ tín hiệu nguồn ban đầu đối với trong trường hợp đơn mã trực giao. Chính vì vậy, Multi-Code CDMA rất ưu việt cho việc tăng lưu lượng đa dịch vụ mà độ lợi xử lý và băng thông trải phổ vẫn giống như trong hệ thống DS-CDMA. Như vậy, Multi-Code CDMA trực giao có độ linh động rất cao, thay đổi tốc độ truyền chỉ cần dựa vào thay đổi số chuỗi mã trực giao mà số chuỗi mã trực giao này được truyền đồng thời.

VI. Hệ Thống Lai Ghép CDMA Đa Sóng Mang Đa Mã Tương lai

Hệ thống MTC-MC CDMA được mô tả bằng hình 2. Tập hợp M mã của người sử dụng gọi là tập hợp chuỗi mã để điều chế M-mức. Mỗi người dùng có tập hợp chuỗi mã như nhau đại diện một ký hiệu log2M bit dữ liệu thông tin. Kích thước của tập hợp chuỗi mã phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu yêu cầu. Với trường hợp CDMA thường, kích thước của một tập hợp chuỗi mã là 2. Tức là, có 2 chuỗi trong tổ hợp, một chỉ „1‟ và cái kia chỉ „-1‟. Trong hệ thống ta xét, mỗi người dùng có một tập hợp chuỗi M mã, ở đây log2M là tỷ số của tốc độ dữ liệu yêu cầu trên tốc độ dữ liệu cơ sở (1 bit/symbol). Do đó, nếu tốc độ dữ liệu yêu cầu này được tạo ra từ log2M lần tốc độ dữ liệu cơ sở, thì kích thước của tập hợp chuỗi mã là M, và mỗi ký hiệu dữ liệu M mức được ánh xạ tới một chuỗi mã độ dài N. Mã độ dài N này là cố định với tất cả giá trị M khác nhau. Do đó, sự thay đổi tốc độ dữ liệu không làm thay đổi độ dài mã N, nhưng nó làm thay đổi kích thước của M tập hợp chuỗi mã.

6.1. Sự Kết Hợp Hoàn Hảo Giữa CDMA Đa Sóng Mang và Đa Mã

Để duy trì sự độc lập tuyến tính giữa các tổ hợp mã thì đòi hỏi M≤N. Một ký hiệu M-mức sẽ chọn một chuỗi trong M chuỗi mã đã được ánh xạ để truyền dẫn. Mỗi chuỗi mã có một tỷ số trải miền thời gian là N. Mỗi bit của chuỗi mã độ dài N được sao chép vào L nhánh sóng mang con và được nhân với mã riêng biệt của người dùng của nhánh tương ứng, c k ,l . Mỗi nhánh này sau đó điều chế với một trong L nhánh mang trực giao và cuối cùng được tổng hợp (trộn) lại.

6.2. Ứng Dụng của Biến Đổi Fourier Nhanh trong MTC MC CDMA

Giống như trong hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), việc xử lý này có thể được bổ sung nhờ sử dụng Biến đổi Fourier nhanh ngược kích thước L để thay cho phép nhân và phép cộng các sóng mang con. Khác với hệ thống OFDM sẽ làm tăng tốc độ truyền dữ liệu không bị xuyên ký hiệu (ISI), và cũng khác hệ thống CDMA đa sóng mang bít thông tin như nhau được thay thế trên tất cả các sóng mang để có được độ lợi trải phổ cho đa truy cập. Ngoài ra, tiền tố vòng không được tận dụng trong CDMA đa sóng mang bởi bản thân nhiễu ISI có ảnh hưởng nhỏ hơn so với nhiễu đa truy cập.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề trải rộng can nhiễu bằng hệ đa mã bởi chỉ sử dụng một chuỗi mã để thay cho việc trải từng dòng trong M dòng dữ liệu được ghép kênh, làm cho nhiễu không tăng tuyến tính với tốc độ dữ liệu. Dù thế nào thì hệ thống CDMA đa mã cũng không thể đạt được độ lợi phân tập tần số của điều chế đa sóng mang. Hệ thống CDMA đa sóng mang đa mã (MTC-MC CDMA ) là sự kết hợp hoàn hảo hai hệ thống CDMA đa sóng mang và hệ thống CDMA đa mã, nó có được ưu điểm của cả hai hệ thống như: (i) tốc độ dữ liệu thay đổi mà không mở rộng nhiễu và (ii) khả năng chống kênh fading đa đường. Hơn nữa, hệ thống này có cả hệ số trải miền tần số và trải miền thời gian để tận dụng hài hòa cả phân tập và trung bình hóa can nhiễu của các đặc tính của hệ thống điều chế đa sóng mang và CDMA.

TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - 10 - Hiệu năng của hệ thống MTC-MC CDMA được suy ra theo biểu thức giải tích và cải tiến hệ thống từ hệ thống MC-CDMA, cũng thông qua những phân tích và được mô phỏng trên kênh fading chọn lọc tần số. Nội dung của những phần tiếp theo của luận văn gồm: Phần I : Giới thiệu về các hệ thống CDMA lai ghép PhầnII : Hệ thống lai ghép CDMA đa sóng mang đa mã TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Giới thiệu các hệ thống CDMA lai ghép 1.1 Kỹ thuật trải phổ CDMA [9] [10] Kỹ thuật trải phổ CDMA, về lý thuyết bắt nguồn từ những ý tưởng của C. Kỹ thuật này đã được sử dụng từ thế chiến lần thứ II với mục đích bảo đảm chất lượng các cuộc thông tin và không bị phát hiện.

Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực quân sự tiếp tục phát triển kỹ thuật này nhằm tăng cường khả năng chống nhiễu của tín hiệu, còn các nhà thiết kế vệ tinh sử dụng kỹ thuật trải phổ để ngăn sự quá tải của các bộ phát đáp analog. Kỹ thuật trải phổ có nguyên lý thực chất rất đơn giản: tín hiệu trước hết được điều chế, mã hóa sao cho gần giống như tín hiệu nhiễu, sau đó được truyền đi và được khôi phục lại tại máy thu đầu cuối. Việc biến đổi (mã hóa) tín hiệu nhằm bảo vệ tín hiệu khi nó được truyền trên phương tiện truyền dẫn. Vì vậy, chất lượng của tín hiệu sau khi được khôi phục phụ thuộc vào kỹ thuật điều chế và mã hóa.

Mục đích của việc điều chế và mã hóa tín hiệu là biến đổi tín hiệu thành nhiễu. Càng giống nhiễu bao nhiêu, càng khó thâm nhập bấy nhiêu do nhiễu là hoàn toàn ngẫu nhiên. Hơn nữa, tín hiệu càng được trải khắp phổ tần bao nhiêu thì càng được bảo vệ bấy nhiêu, ngay cả khi một phần phổ của tín hiệu không được khôi phục, tín hiệu vẫn không bị mất.1 Nguyên lý trải phổ theo DS-CDMA TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - 12 - Hiện nay, người ta sử dụng hai phương pháp chính để mã hóa tín hiệu: Phương pháp nhảy tần FH (Frequence Hopping) và phương pháp dãy trực tiếp DS (Direct Sequence). Phương pháp trải phổ trực tiếp DS-SS trong hệ thống CDMA được sử dụng khi cần tốc độ truyền cao.

Phương pháp này trộn mã của tín hiệu gốc với mã giả ngẫu nhiên của tín hiệu trải phổ có tốc độ rất cao. Tín hiệu thu được có chứa tín hiệu gốc song hoàn toàn bị che mờ đi bởi tín hiệu mã giả ngẫu nhiên này. Đồng thời, tín hiệu mã có mức độ trải phổ cao hơn (do tần số tỷ lệ nghịch với thời gian) nên tín hiệu thu được là tín hiệu trải phổ của tín hiệu gốc. Các bít mã của tín hiệu mã trải phổ (được gọi là chip) sinh ra bởi một máy phát tín hiệu giả ngẫu nhiên với tốc độ cao, như biều diễn trong hình 1.

Tín hiệu tổng hợp nhận được ở máy thu, quá trình giải trải phổ (nén phổ), tức là trộn nó với tín hiệu mã đồng bộ với tín hiệu mã trải phổ gốc tại máy phát sẽ khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Ở phương pháp này, nếu máy thu không biết được mã của máy phát thì không thể khôi phục được tín hiệu gốc ban đầu. Điều đó cho phép tất cả các tín hiệu có thể được truyền đồng thời tới tất cả các máy thu. Trong hệ thống DS-CDMA, nhiều người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời.

Máy thu sử dụng tín hiệu mã giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu mong muốn của mình bằng cách nén phổ. Các tín hiệu khác xuất hiện ở dạng nhiễu phổ rộng công suất thấp tựa tạp âm. Tín hiệu trải phổ phản ứng tốt đối với kênh fading đa đường. Trong kênh đa đường, tín hiệu gốc bị phản xạ bởi những chướng ngại vật như các công trình, đồi núi.

Do đó, máy thu nhận được nhiều bản sao của tín hiệu gốc với các độ trễ khác nhau. Nếu mức độ trễ của các bản sao lớn hơn một chip, thì máy thu có thể phân tách chúng bằng máy thu RAKE.2 chỉ ra sơ đồ DS-CDMA (gồm máy phát, phổ và máy thu RAKE). TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.2 a) Máy phát; b) Phổ công suất phát; c) Máy thu RAKE Từ các ưu điểm về dung lượng, tính đơn giản trong quy hoạch tần số, chuyển giao mềm, chống nhiễu, chống phá hoại, bảo mật … công nghệ CDMA băng rộng là kỹ thuật đa truy cập vô tuyến được đề nghị sử dụng trong thông tin di động thế hệ 3 và tương lai với đủ loại hình dịch vụ.2 Hệ thống CDMA đa sóng mang [1] [5] [10] 1.1 Mô tả hệ thống truyền dẫn đa sóng mang (MCM) Trong những năm gần đây, thông tin vô tuyến dựa trên kỹ thuật điều chế đa sóng mang MCM được quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Giải pháp kỹ thuật này đã được đề xuất trong thông tin tốc độ cao từ những năm 50, hệ thống đầu tiên sử dụng điều chế đa sóng mang MCM (Mutli-Carrier TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - 14 - Modulation) là hệ thống vô tuyến KINEPLEX và KATHRYN sử dụng trong quân đội, với 20 sóng mang con, mỗi sóng mang truyền dữ liệu 150bit/s.

Sau này với sự phát triển của công nghệ xử lý tín hiệu số, việc xử lý tín hiệu trên các sóng mang trực giao được thiết lập hiệu quả bởi biến đổi Fourrier rời rạc DFT và kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM càng được quan tâm nhiều hơn trong thông tin vô tuyến. Kỹ thuật OFDM là trường hợp riêng của điều chế đa sóng mang. Thậm chí trong một số tài liệu, người ta còn gọi chung là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin tốc độ cao bởi vì dòng dữ liệu phát được truyền qua các sóng mang tốc độ thấp hơn. Điều đáng nói ở đây là OFDM được nhìn theo cả kỹ thuật điều chế và kỹ thuật ghép kênh.

Nói tóm lại, nguyên tắc của OFDM cũng như kỹ thuật điều chế đa sóng mang là sử dụng tách các kênh thông tin băng rộng thành các kênh thông tin băng hẹp và thực hiện truyền song song thông tin trên nhiều sóng mang tương ứng các kênh băng hẹp này. Một trong những lý do OFDM được quan tâm nhiều là OFDM rất hiệu quả đối với fading chọn lọc tần số và nhiễu băng hẹp. Đối với hệ thống , fading hoặc nhiễu ảnh hưởng rất mạnh đến chất lượng hệ thống, nhưng đối với hệ thống đa sóng mang chỉ có một phần nhỏ sóng mang bị ảnh hưởng do đó chất lượng của toàn bộ hệ thống không bị ảnh hưởng nếu chúng ta sử dụng các giải thuật tách tín hiệu trên miền tần số. Hơn nữa, vì tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang con trong truyền dẫn OFDM nhỏ hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu ban đầu nên ảnh hưởng của độ trải trễ hay hiệu ứng xuyên ký hiệu ISI giảm, các bộ cân bằng trên miền tần số trở nên đơn giản dẫn đến cấu trúc máy thu không phức tạp và khả năng thích nghi linh động với các loại hình dịch vụ khác nhau khi sử dụng xử lý tín hiệu số.

Một điều quan trọng trong việc truyền dẫn đa sóng mang dựa theo OFDM trong kênh vô tuyến di dộng đó là kênh di động có thể xem như là không thay đổi theo thời gian trong một ký hiệu OFDM và fading trên mỗi TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - 15 - sóng mang là fading phẳng. Do vậy thời khoảng ký hiệu OFDM phải nhỏ hơn thời gian kết hợp của kênh (t) c và khoảng cách giữa các sóng mang phải nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh Bc. Hệ thống truyền dẫn đa sóng mang số áp dụng kỹ thuật OFDM biểu diễn trên hình 1.3 Hệ thống truyền dẫn đa sóng mang áp dụng OFDM Hệ thống thông tín với điều chế đa sóng mang truyền các ký hiệu Sl trên Nc sóng mang, l = 0, 1,…,Nc-1, với Sl là các tín hiệu đầu vào có khoảng thời gian là Td. Sau khi biến đổi nối tiếp sang song song khoảng thời gian của ký hiệu OFDM là Ts = NcTd (1.1) Với việc sử dụng dạng xung vuông, sự trực giao giữa các tín hiệu trên các sóng mang đạt được bằng cách chọn khoảng cách giữa các sóng mang bằng nghịch đảo của thời khoảng ký hiệu trên sóng mang Ts là 1 f s  (1.2) Ts TIEU LUAN MOI download : [e-mail] - 16 - Khi đó, ký hiệu nguồn đầu vào Sl , l = 0, 1,…,Nc-1 được điều chế trên Nc sóng mang có thể xem như là một ký hiệu OFDM và đường bao phức của nó là: 1 N c 1 x(t )   N c l 0 S l e j 2f l t , 0  t  Ts (1.3) fl là tần số của các sóng mang con.

Đóng vai trò chính trong OFDM là thiết lập biến đổi ngược rời rạc Fourier IDFT hay hiệu quả hơn là biến đổi ngược nhanh Fourier IFFT. Các mẫu đường bao phức x(t) của ký hiệu OFDM có thể thu được sau khi biến đổi IFFT của mẫu tín hiệu lối ra là 1 N c 1 j 2l / N c x   Sl e Nc l 0 ,  0, 1,.4) Khi số sóng mang con tăng, khoảng thời gian của ký hiệu OFDM Ts trở lên rất lớn so với thời khoảng đáp ứng xung  max của kênh và khi đó có thể giảm được ISI. Tuy nhiên, để hoàn toàn tránh được ISI và duy trì sự trực giao giữa các tín hiệu trên các sóng mang, tức là tránh được cả ICI thì khoảng bảo vệ với thời khoảng Tg   max phải được chèn vào giữa các ký hiệu OFDM cạnh nhau.