›
›

Đồ án Nghiên cứu công nghệ MC-CDMA - Nguyễn Thành Hưng

pdf 75 trang huongle 210
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Nghiên cứu công nghệ MC-CDMA - Nguyễn Thành Hưng", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfdo_an_nghien_cuu_cong_nghe_mc_cdma_nguyen_thanh_hung.pdf

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu công nghệ MC-CDMA - Nguyễn Thành Hưng

  1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG ISO 9001:2008 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG Người hướng dẫn : KS. Nguyễn Thị Hương Sinh viên : Nguyễn Thành Hưng HẢI PHÕNG – 2013
  2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG NGHIÊN CỨU CƠNG NGHỆ MC-CDMA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG Người hướng dẫn : KS. Nguyễn Thị Hương Sinh viên : Nguyễn Thành Hưng HẢI PHÕNG – 2013
  3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP HẢI PHÕNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên : Nguyễn Thành Hưng. Mã SV: 1351030002. Lớp : ĐT 1301. Ngành: Điện tử viễn thơng. Tên đề tài : Nghiên cứu cơng nghệ MC-CDMA
  4. NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI 1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ( về lý luận, thực tiễn, các số liệu cần tính tốn và các bản vẽ). 2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính tốn. 3. Địa điểm thực tập tốt nghiệp.
  5. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Người hướng dẫn thứ nhất: Họ và tên: Nguyễn Thị Hương Học hàm, học vị: Kỹ sư Cơ quan cơng tác: Trường Đại học Dân lập Hải Phịng. Nội dung hướng dẫn: Người hướng dẫn thứ hai: Họ và tên: Học hàm, học vị: Cơ quan cơng tác: Nội dung hướng dẫn: Đề tài tốt nghiệp được giao ngày .tháng .năm 2013 Yêu cầu phải hồn thành xong trước ngày .tháng .năm 2013 Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Người hướng dẫn Hải Phịng, ngày tháng năm 2013 Hiệu trưởng GS.TS.NGƯT Trần Hữu Nghị
  6. PHẦN NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1. Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp: 2. Đánh giá chất lượng của khĩa luận (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ Đ.T. T.N trên các mặt lý luận, thực tiễn, tính tốn số liệu ): 3. Cho điểm của cán bộ hướng dẫn (ghi bằng cả số và chữ): Hải Phịng, ngày tháng năm 2013 Cán bộ hướng dẫn
  7. PHẦN NHẬN XÉT TĨM TẮT CỦA NGƯỜI CHẤM PHẢN BIỆN 1. Đánh giá chất lượng đề tài tốt nghiệp về các mặt thu thập và phân tích số liệu ban đầu, cơ sở lý luận chọn phương án tối ưu, cách tính tốn chất lượng thuyết minh và bản vẽ, giá trị lý luận và thực tiễn đề tài. 2. Cho điểm của cán bộ phản biện (Điểm ghi cả số và chữ). Hải Phịng, ngày tháng năm 2013 Người chấm phản biện
  8. MỤC LỤC Chương 1: Cơng nghệ CDMA 3 1.1 Giới thiệu chương 3 1.2 Tổng quan về CDMA 3 1.3. Mã trải phổ 5 1.3.1 Chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN 5 1.3.2.Chuỗi mã trải phổ Walsh-Hardamard 6 1.4 Kỹ thuật trải phổ 7 1.4.1 Kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS) 9 1.4.2 Trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum) 11 1.4.3 Trải phổ nhảy thời gian (Time Hopped Spread Spectrum) 15 1.5 Chuyển giao 15 1.5.1 Mục đích của chuyển giao 16 1.5.2 Các loại chuyển giao 17 1.5.2.1 Chuyển giao mềm và mềm hơn 17 1.5.2.2 Chuyển giao cứng 18 1.6 Điều khiển cơng suất trong CDMA 18 1.6.1. Điều khiển cơng suất vịng hở (OLPC) 19 1.6.2 Điều khiển cơng suất vịng kín (CLPC) 20 1.7 Kết luận chương 21 Chương 2: Kỹ thuật OFDM 23 2.1 Giới thiệu chương 23 2.2 Hệ thống OFDM 23 2.2.1 Sơ đồ khối 23 2.3 Kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM 28 2.3.1 Mã hĩa sửa sai trước FEC 28 2.3.2 Phân tán kí tự 28 2.3.3 Sắp xếp 28 2.3.4 Sử dụng IFFT/FFT trong OFDM 29 2.3.4.1 Phép biến đổi 30
  9. 2.3.4.2 Ứng dụng FFT/IFFT trong OFDM 31 2.4 Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM 32 2.4.1 Ước lượng tham số kênh 33 2.4.2 Đồng bộ trong OFDM 34 2.4.2.1 Đồng bộ ký tự 34 2.4.2.2 Đồng bộ tần số sĩng mang 35 2.4.2.3 Đồng bộ tần số lấy mẫu 36 2.5 Đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM 36 2.5.1 Sự suy hao 36 2.5.2 Tạp âm trắng Gaussian 36 2.5.3 Fading Rayleigh 37 2.5.4 Fading lựa chọn tần số 38 2.5.5 Trải trễ 38 2.5.6 Dịch Doppler 38 2.6 Đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM 39 2.6.1 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM 39 2.6.2 Nhược điểm của kỹ thuật OFDM 39 2.6.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM 40 2.7 Kết luận chương 40 Chương 3: Hệ thống MC-CDMA 41 3.1 Giới thiệu chương 41 3.2 Hệ thống MC-CDM 41 3.2.1 Khái niệm MC-CDMA 41 3.2.2 Sơ đồ khối 41 3.3 Máy phát 42 3.3.1 Quá trình tạo ra tín hiệu MC-CDMA theo thứ tự sau 42 3.4 Máy thu 44 3.5 Kênh truyền 45 3.6 Các kỹ thuật dị tín hiệu ( Detection algorithm) 47 3.6.1 Phương pháp kết hợp khơi phục tính trực giao ORC 48 3.6.2 Phương pháp kết hợp khơi phục tính trực giao ORC đỉnh (TORC) 48
  10. 3.6.3 Phương pháp kết hợp độ lợi bằng nhau (EGC) 49 3.6.4 Phương pháp kết hợp tỷ số cực đại (MRC) 49 3.6.5 Phương pháp kết hợp sai số trung bình bình phương tối thiểu (MMSE) 50 3.7 Nhiễu MAI và nhiễu ICI 50 3.7.1 Nhiễu MAI 51 3.7.2 Nhiễu ICI 51 3.8 Các phương pháp triệt nhiễu 51 3.8.1 Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp (SIC) 51 3.8.2 Phương pháp triệt nhiễu song song (PIC) 53 3.9 Vấn đề dịch của tần số sĩng mang trong hệ thống MC-CDMA 53 3.10 Giới hạn BER của hệ thống MC-CDMA 58 3.10.1 Phân loại 59 3.11 Ưu điểm của kỷ thuật MC-CDMA 61 3.12 Nhược điểm của hệ thống MC-CDMA 62 3.13 Kết luận chương 62 KẾT LUẬN 63
  11. LỜI NĨI ĐẦU Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thơng tin là một nhu cầu thiết yếu. Các hệ thống thơng tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thơng tin mọi lúc, mọi nơi. Nhu cầu này ngày càng lớn nên số lượng khách hang sử dụng thơng tin di động ngày càng tăng, các mạng thơng tin di động vì thế được mở rộng ngày càng nhanh. Chính vì vậy, cần phải cĩ các biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thống thơng tin di động hiện cĩ. Hệ thống CDMA ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đĩ. Hơn nữa, so với hai phương pháp đa truy nhập truyền thống là phân chia theo tần số FDMA và phân chia theo thời gian TDMA thì phương pháp truy nhập phân chia theo mã CDMA cĩ những đặc điểm nổi trội: chống nhiễu đa đường, cĩ tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau. Tuy nhiên, trong tương lai, nhu cầu về các dịch vụ số liệu sẽ ngày càng tăng, mạng thơng tin di động khơng chỉ đáp ứng nhu cầu vừa đi vừa nĩi chuyện mà cịn phải cung cấp cho người sử dụng các dịch vụ đa dạng khác như truyền dữ liệu, hình ảnh và video. Chính vì vậy, vấn đề dung lượng và tốc độ cần phải được quan tâm. Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), một kỹ thuật điều chế đa sĩng mang, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vơ tuyến cũng như hữu tuyến. Ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền chọn lọc tần số, tiết kiệm băng thơng, hệ thống ít phức tạp do việc điều chế và giải điều chế đa sĩng mang bằng giải thuật IFFT và FFT. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, ý tưởng về kỹ thuật MC-CDMA đã ra đời, dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM. MC-CDMA kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM: tốc độ truyền cao, tính bền vững với fading chọn lọc tần số, sử dụng băng thơng hiệu quả, tính bảo mật cao và giảm độ phức tạp của hệ 1
  12. thống. Chính vì vậy, MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thơng tin di động trong tương lai. Đồ án gồm 3 chương : . Chương 1: Cơng nghệ CDMA . Chương 2: Kỹ thuật OFDM . Chương 3: Cơng nghệ MC-CDMA Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến tồn thể Quý thầy cơ Trường Đại Học Dân Lập Hải Phịng. Quý thầy cơ khoa Điện tử - Viễn thơng đã dạy dỗ, truyền đạt những kiến thức quý báu cho em trong suốt 4 năm học tập và rèn luyện tại trường. Với vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học khơng chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu đồ án mà cịn là hành trang quý báu để em bước vào đời một cách vững chắc và tự tin. Đặc biệt, em xin cảm ơn cơ Nguyễn Thị Hương, người đã tần tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ em hồn thành đồ án này. 2
  13. Chương 1: Cơng nghệ CDMA 1.1 Giới thiệu chương Cơng nghệ CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ tín hiệu để phát dữ liệu cùng một phổ tần. Tất cả cơng suất của tín hiệu trong đường truyền CDMA được đồng thời trên cùng một băng tần rộng, phát trên cùng một tần số và tín hiệu nguyên thuỷ sẽ được khơi phục tại đầu thu. Đồng thời tín hiệu trải phổ xuất hiện trải rộng đều trên tồn bộ băng tần với cơng suất phát thấp, do đĩ loại bỏ được nhiễu, giao thoa. Trong chương này chúng ta sẽ đi vào nghiên cứu khả năng đa truy nhập, phân tích ưu nhược điểm và điều khiển cơng suất của quá trình thu phát tín hiệu trong hệ thống CDMA. 1.2 Tổng quan về CDMA CDMA được đưa ra thị trường lần đầu tiên vào năm 1995 với chuẩn IS- 95. Ở thế hệ di động thứ 3 sẽ sử dụng cơng nghệ đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) thay vì cơng nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) theo chuẩn IMT-2000. Trong hệ thống CDMA, mỗi người dùng được cấp phát một chuỗi mã (chuỗi trải phổ) dùng để mã hố tín hiệu mang thơng tin. Tại máy thu, tín hiệu thu sẽ được đồng bộ giải mã để khơi phục tín hiệu gốc và dĩ nhiên máy thu phải biết được chuỗi mã đĩ để mã hố tín hiệu. Kỹ thuật trải phổ tín hiệu giúp các người dùng khơng gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện cĩ 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 thơng của tín hiệu mã được chọn lớn hơn rất nhiều so với băng thơng của tín hiệu mang thơng tin; do đĩ, quá trình mã hố sẽ làm trải rộng phổ của tín hiệu, kết quả cho ta tín hiệu trải phổ. Ở các hệ thống thơng tin trải phổ, độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng hằng trăm lần trước khi phát. Trải phổ khơng mang lại hiệu quả 3
  14. về mặt sử dụng băng thơng đối với hệ thống đơn người dùng. Tuy nhiên nĩ cĩ ưu điểm trong mơi trường đa người dùng vì các người dùng này cĩ thể dùng chung một băng tần trải phổ với can nhiễu lẫn nhau khơng đáng kể. Khả năng đa truy cập: Nếu các người dùng phát tín hiệu trải phổ tại cùng một thời điểm, máy thu cĩ khả năng phân biệt giữa các người dùng, do đĩ các mã trải phổ cĩ các tương quan chéo thấp. Vì vậy, băng thơng của tín hiệu cơng suất của người dùng mong muốn sẽ lớn hơn cơng suất gây ra bởi nhiễu và các tín hiệu trải phổ khác (nghĩa là lúc này tín hiệu của những người dùng khác vẫn là những tín hiệu trải phổ trên băng thơng rộng). Bảo vệ chống nhiễu đa đường: Trong kênh truyền vơ tuyến khơng chỉ cĩ một đường truyền giữa máy thu và máy phát. Vì tín hiệu bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ nên tín hiệu thu được tại đầu thu bao gồm các tín hiệu trên các đường khác nhau. Tín hiệu trên các đường khác nhau đều là bản sao của cùng một tín hiệu nhưng khác biên độ, pha, độ trễ và gĩc tới. Khi cộng tất cả các tín hiệu này lại sẽ tạo nên những tần số mới và cũng làm mất đi một số tần số mong muốn. Trong miền thời gian điều này làm phân tán tín hiệu. Điều chế trải phổ chống lại nhiễu đa đường, việc giải trải phổ sẽ coi phiên bản của trễ là tín hiệu nhiễu và giữ lại một phần nhỏ của tín hiệu này trong băng thơng tín hiệu mong muốn, tuy nhiên nĩ phụ thuộc nhiều vào phương pháp điều chế được sử dụng. Bảo mật: Vì tín hiệu trải phổ sử dụng tồn băng thơng tại mọi thời điểm nên nĩ cĩ cơng suất rất thấp trên một đơn vị băng thơng, và việc khơi chỉ được thực hiện khi biết được mã trải phổ. Điều này gây khĩ khăn cho việc phát hiện tín hiệu đã trải phổ tức là tính bảo mật rất cao. 4
  15. Khử nhiễu băng hẹp: Tách sĩng đồng bộ tại máy thu liên quan tới việc nhân tín hiệu nhận được với chuỗi mã được tạo ra bên trong máy thu. Tuy nhiên như chúng ta thấy ở máy phát, nhiễu băng hẹp sẽ bị trải phổ sau khi nhân nĩ với mã trãi phổ. Do đĩ, cơng suất của nhiễu này trong băng thơng tín hiệu mong muốn giảm đi một lượng bằng độ lợi xử lý. 1.3. Mã trải phổ Mã dùng để trải phổ là một chuỗi tín hiệu giả ngẫu nhiên. Tín hiệu ngẫu nhiên là tín hiệu mà ta khơng thể dự đốn trước sự thay đổi của nĩ theo thời gian và để biểu diễn tín hiệu người ta dựa vào lý thuyết xác suất thống kê. Với tín hiệu giả ngẫu nhiên thì khơng hồn tồn ngẫu nhiên. Cĩ nghĩa, với thuê bao này nĩ khơng ngẫu nhiên, là tín hiệu cĩ thể dự đốn trước cả phía phát và phía thu nhưng với các thuê bao khác thì nĩ là ngẫu nhiên. Nĩ hồn tồn độc lập với tín hiệu, khơng phải là tín hiệu và cĩ tính chất thống kê của một tín hiệu nhiễu trắng. Các mã trải phổ cĩ thể là các mã giả tạp âm PN hoặc các mã được tạo ra từ các hàm trực giao. 1.3.1 Chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN Chuỗi PN là một chuỗi nhị phân cĩ hàm tương quan giống như hàm tương quan của một chuỗi nhị phân ngẫu nhiên qua một chu kỳ. Mặc dù quy luật biến đổi của các chuỗi này là hồn tồn xác định nhưng chuỗi PN cĩ nhiều đặc tính giống với chuỗi nhị phân ngẫu nhiên, chẳng hạn: số bit 0 và bit 1 gần bằng nhau, tương quan chéo giữa mã PN và phiên bản bị dịch theo theo thời gian của nĩ là rất nhỏ. Chuỗi PN được tạo ra bằng cách sử dụng các mạch logic tuần tự. Loại quan trọng nhất trong số các chuỗi PN là chuỗi thanh ghi dịch cơ số 2 cĩ chiều dài cực đại hay cịn gọi là chuỗi m. Một chuỗi m trong một chu kỳ là „-1/N‟ đối với tương quan chéo và „1‟ đối với tự tương quan. 5
  16. Hàm tự tương quan được định nghĩa như sau : 1 N R() pn(k)pn(k ) (1.1) N k1 R( ) 1 - - N 2 2 N N N - 1/N Hình 1.1 Hàm tương quan của chuỗi PN Trong đĩ: pn(k) là chuỗi m pn(k- ) là phiên bản trễ theo thời gian của mã pn(k) một khoảng . 1.3.2.Chuỗi mã trải phổ Walsh-Hardamard Các hàm Walsh được tạo ra từ các ma trận vuơng đặc biệt N×N gọi là các ma trận Hadamard. Các ma trận này chứa một hàng tồn số 0 và các hàng cịn lại cĩ số số 1 và số số 0 bằng nhau. Hàm Walsh được cấu trúc cho độ dài khối N=2j trong đĩ j là một số nguyên dương. Các tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định theo ma trận Hadamard như sau: 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 H N H N H1 0 , H 2 , H 4 , H 2N (1.2) 0 1 0 0 1 1 H N H N 0 1 1 0 Trong đĩ H N là đảo cơ số hai của HN Trong thơng tin di động CDMA, mỗi thuê bao sử dụng một phần tử trong tập các hàm trực giao để trải phổ. Khi đĩ, hiệu suất sử dụng băng 6
  17. tần trong hệ thống sẽ lớn hơn so với khi trải phổ bằng các mã được tạo ra bởi các thanh ghi dịch. 1.4 Kỹ thuật trải phổ Trải phổ làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các máy thu khơng mong muốn, làm cho các máy thu này khĩ 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 hố bản tin. Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết mã này để cĩ 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 cĩ độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần của bản tin. Bản tin được mã hĩa sao cho tín hiệu sau khi mã hố cĩ 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 thơng tin được xem là trải phổ khi thỏa 2 điều kiện: . Băng thơng tín hiệu đã trải phổ lớn hơn rất nhiều so với băng thơng tín hiệu thơng tin. . Mã dùng để trải phổ độc lập với tín hiệu thơng tin. 1.2 Ri Bi Rc BS : BS GS (1.3) Bi 7
  18. 1.2 Ưu điểm của kỹ thuật thơng tin trải phổ . Khả năng đa truy cập: 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. Đĩ là do mỗi user đã được cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều user, nĩ tiến hành giải mã và tách ra tín hiệu mong muốn. . Tính bảo mật thơng tin cao: Mật độ phổ cơng suất của tín hiệu trải phổ rất thấp, gần như mức nhiễu nền. Do đĩ, các máy thu khơng mong muốn khĩ 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 cĩ 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 vơ 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 (Line of Sight). Vì vậy tín hiệu thu được ở máy thu đã bị sai lệch, khơng giống tín hiệu phát đi. Sử dụng kỹ thuật trải phổ cĩ thể tránh 8
  19. được nhiễu đa đường khi tín hiệu trải phổ sử dụng tốt tính chất tự tương quan của nĩ. 1.4.1 Kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS) Mỗi bit dữ liệu được biểu diễn bằng chuỗi nhiều chip (tốc độ chip lớn hơn nhiều lần so với tốc độ bit). Mã trải phổ làm phổ tín hiệu rộng ra tỷ lệ so với số chip được dùng. Một phương pháp cụ thể dùng để trải phổ chuỗi trực tiếp: . Kết hợp dữ liệu với mã trải phổ bằng mạch XOR - Bit 1 sẽ làm đảo cực tính mã trải phổ. - Bit 0 khơng làm thay đổi. Mỗi user sử dụng một mã trải phổ riêng các mã trải phổ cĩ sự tương quan chéo rất thấp. Hình 1.3 Tín hiệu trải phổ 9
  20. Hình 1.4 Quá trình trải phổ Hình 1.5 Máy phát DS-SS 10
  21. MÁY THU Hình 1.6 Máy thu DS-SS Ưu điểm . Cĩ thể thực hiện đa cập mà khơng cần đồng bộ giữa các máy phát. . Việc tạo ra các tín hiệu mã hĩa tương đối đơn giản do chỉ cần sử dụng các bộ nhân. Nhược điểm . Cặp máy phát-thu phải được đồng bộ chip,sai số đồng bộ phải nhỏ hơn chu kỳ chip (Tchip) . Các máy phát gần máy thu cĩ thể gây nhiễu và làm sai lệch tín hiệu từ các máy phát ở xa (hiệu ứng gần-xa). 1.4.2 Trải phổ nhảy tần (Frequency Hopping Spread Spectrum) Tín hiệu được phát đi trên một dãy các tần số dường như là thay đổi ngẫu nhiên.Và phía máy thu cũng thay đổi liên tục giữa các tần số theo thứ tự như phía máy phát. Những máy thu trộm khĩ cĩ thể thu được đúng thơng tin,việc thu trộm ở tần số nào đĩ chỉ ảnh hưởng đến vài bit dữ liệu.Thường dùng L trạng thái nhảy tần số (L= 2^N -1 với N là chiều dài 11
  22. chuổi mã). Mỗi kênh phát trong một khoảng thời gian xác định.Theo IEEE 802.11 là 300mS. Chuỗi tần số được qui định bởi một mã trải phổ Hình 1.7 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần 12
  23. MÁY PHÁT Hình 1.8 Máy phát FH-SS MÁY THU Hình 1.9 Máy thu FH-SS Trong hệ thống trải phổ nhảy tần, cứ sau khoảng thời gian TH tần số sĩng mang lại nhảy sang một tần số khác.Tốc độ nhảy tần cĩ thể nhanh hoặc chậm hơn so với tốc độ bit Tb của tín hiệu thơng tin. Nếu fH ≥ fb : Trong khi máy phát phát một bit dữ liệu, cĩ ít nhất một lần nhảy tần số. Và hệ thống được gọi là nhảy tần nhanh 13
  24. FHSS NHANH Hình 1.10 Nhảy tần nhanh Nếu fH > Tchip trong hệ thống DS – SS. . Xác suất nhiều user cùng truyền trên một tần số tại một thời điểm là rất 14
  25. nhỏ. Vì vậy cĩ thể tránh được hiệu ứng gần – xa do các user ở gần trạm gốc và xa trạm gốc cĩ thể đang phát ở các tần số khác nhau. . Hệ thống FH – SS cĩ thể sử dụng băng thơng rộng hơn nên khả năng triệt nhiễu băng hẹp tốt hơn hệ thống DS – SS. Nhược điểm : . Để đạt được số tần số nhiều (độ lợi xử lí cao) là vấn đề hết sức khĩ khăn.Đĩ là vấn đề thiết kế bộ tổng hợp tần số. . Sự thay đổi đột ngột tần số của tín hiệu khi nhảy tần dẫn đến việc tăng băng tần sử dụng. 1.4.3 Trải phổ nhảy thời gian (Time Hopped Spread Spectrum) 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 nĩ sẽ sử dụng một trong k khe thời gian của khung. Tín hiệu được truyền trong mỗi khe cĩ tốc độ gấp k lần so với trường hợp tín hiệu truyền trong tồn bộ khung nhưng tần số cần thiết để truyền tăng gấp k lần. Tần số Khe Thời gian Khung Hình 1.12 Trải phổ nhảy thời gian 1.5 Chuyển giao Chuyển giao là thủ tục cần thiết đảm bảo thơng tin được liên tục trong thời gian kết nối. Khi thuê bao chuyển động từ một cell này sang một cell 15
  26. khác thì kết nối với cell mới phải được thiết lập và kết nối với cell cũ phải được hủy bỏ. 1.5.1 Mục đích của chuyển giao Lý do cơ bản của việc chuyển giao là kết nối vơ tuyến khơng thỏa mãn một bộ tiêu chuẩn nhất định và do đĩ UE hoặc UTRAN sẽ thực hiện các cơng việc để cải thiện kết nối đĩ. Khi thực hiện các kết nối chuyển mạch gĩi, chuyển giao được thực hiện khi cả UE và mạng đều thực hiện truyền gĩi khơng thành cơng. 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 vơ 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 vơ 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 đĩ. Khi đĩ các thuê bao ở ngồi rìa của cell (cĩ mật độ tải cao) sẻ được chuyển giao sang cell bên cạnh (cĩ 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 khơng thay đổi, tốc độ di chuyển của UE càng cao thì càng cĩ nhiều chuyển giao thực hiện trong UTRAN. Quyết định thực hiện chuyển giao thơng thường được thực hiện bởi RNC đang phục vụ thuê bao đĩ, 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). 16
  27. 1.5.2 Các loại chuyển giao Tùy theo hình thức sử dụng trong các cơ chế chuyển giao, cĩ thể phân chia chuyển giao thành các nhĩm như: chuyển giao cứng, chuyển giao mềm và chuyển giao mềm hơn. Chuyển giao đảm bảo thơng 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 thơng tin khơng bị ngắt quãng, khơng bị mất tín hiệu khi đang di chuyển. 1.5.2.1 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 đĩ trạm di động bắt đầu thơng tin với một trạm gốc mới mà vẫn chưa cắt thơng tin với trạm gốc cũ. Chuyển giao mềm chỉ cĩ thể được thực hiện khi cả trạm gốc cũ lẫn trạm gốc mới đều làm việc ở cùng một tần số. MS thơng 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 đĩ tín hiệu mới được thêm vào hoặc xĩa 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 thơng tin với hai sector của cùng một cell và một sector của cell khác. Các tài nguyên mạng cần cho kiểu 17
  28. 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. 1.5.2.2 Chuyển giao cứng Chuyển giao cứng được thực hiện khi cần chuyển kênh lưu lượng sang một kênh tần số mới. Các hệ thống thơng 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) cĩ 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 phĩng trước khi thực hiện kết nối mới. Do vậy, tín hiệu bị ngắt trong khoảng thời gian chuyển giao. Tuy nhiên, thuê bao khơng cĩ khả năng nhận biết được khoảng ngừng đĩ. Trong trường hợp chuyển giao cứng khác tần số, tần số sĩng mang của kênh truy cập vơ tuyến mới khác so với tần số sĩng mang hiện tại. Nhược điểm của chuyển giao cứng là cĩ 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. 1.6 Điều khiển cơng suất trong CDMA Trong CDMA, điều khiển cơng suất được thực hiện cho cả đường lên lẫn đường xuống. Về cơ bản, điều khiển cơng suất đường xuống cĩ mục đích nhằm tối thiểu nhiễu đến các cell khác và bù nhiễu do các cell khác gây ra cũng như nhằm đạt được mức SNR yêu cầu. Tuy nhiên, điều khiển cơng suất cho đường xuống khơng thực sự cần thiết như điều khiển cơng suất cho đường lên. Hệ thống CDMA sử dụng cơng suất đường xuống nhằm cải thiện tính năng hệ thống bằng cách kiểm sốt nhiễu từ các cell khác. Điều khiển cơng suất đường lên tác động lên các kênh truy nhập và lưu lượng. Nĩ được sử dụng để thiết lập đường truyền khi khởi tạo cuộc gọi 18
  29. và phản ứng lên các thăng giáng tổn hao đường truyền lớn. Mục đích chính của điều khiển cơng suất đường lên nhằm khắc phục hiệu ứng xa- gần bằng cách duy trì mức cơng suất truyền dẫn của các máy di động trong cell như nhau tại máy thu trạm gốc với cùng một QoS. Do vậy việc điều khiển cơng suất đường lên là thực hiện tinh chỉnh cơng suất truyền dẫn của máy di động. Hệ thống CDMA sử dụng hai phương pháp điều khiển cơng suất khác nhau : . Điều khiển cơng suất vịng hở (OLPC). . Điều khiển cơng suất (nhanh) vịng kín (CLPC). - Điều khiển cơng suất vịng trong. - Điều khiển cơng suất vịng ngồi. Hình 1.13 Các cơ chế điều khiển cơng suất của CDMA 1.6.1. Điều khiển cơng suất vịng hở (OLPC) Một phương pháp điều khiển cơng suất là đo sự điều khuếch (AGC- Automatic Gain Control) ở máy thu di động. Trước khi phát, trạm di động giám sát tổng cơng suất thu được từ trạm gốc. Cơng suất đo được cho thấy tổn hao đường truyền đối với từng người sử dụng. Trạm di động điều chỉnh cơng suất phát của mình tỷ lệ nghịch với tổng cơng suất mà nĩ thu được. Cĩ thể phải điều chỉnh cơng suất ở một dải động lên tới 80 dB. Phương pháp này được gọi là điều chỉnh cơng suất vịng hở, ở phương pháp này trạm gốc khơng tham gia vào các thủ tục điều khiển cơng suất. 19
  30. OLPC sử dụng chủ yếu để điều khiển cơng suất cho đường lên. Trong quá trình điều khiển cơng suất, UE xác định cường độ tín hiệu truyền dẫn bằng cách đo đạc mức cơng suất thu của tín hiệu hoa tiêu từ BTS ở đường xuống. Sau đĩ, UE điều chỉnh mức cơng suất truyền dẫn theo hướng tỷ lệ nghịch với mức cơng suất tín hiệu hoa tiêu thu được. Do vậy, nếu mức cơng suất tín hiệu hoa tiêu càng lớn thì mức cơng suất phát của UE (P_trx) càng nhỏ. Việc điều khiển cơng suất vịng hở là cần thiết để xác định mức cơng suất phát ban đầu (khi khởi tạo kết nối). Hình 1.14 OLPC đường lên 1.6.2 Điều khiển cơng suất vịng kín (CLPC) CLPC được sử dụng để điều khiển cơng 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 vơ tuyến. Do đĩ, chu kỳ điều khiển phải đủ nhanh để phản ứng lại sự thay đổi nhanh của mức tín hiệu vơ tuyến. Trong CLPC, BTS điều khiển UE tăng hoặc giảm cơng suất phát. Quyết định tăng hoặc giảm cơng suất phụ thuộc vào mức tín hiệu thu SNR tại BTS. Khi BTS thu tín hiệu từ UE, nĩ 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 cơng suất phát (TPC) tới UE để giảm mức cơng 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 cơng suất phát. 20
  31. TPC: Transmit Power Control: Điều khiển cơng suất truyền dẫn. Hình 1.15 Cơ chế điều khiển cơng suất CLPC Các tham số được sử dụng để đánh giá chất lượng cơng suất thu nhằm thực hiện quyết định điều khiển cơng suất như: SIR, tỷ lệ lỗi khung-FER, tỷ lệ lỗi bit BER. Cơ chế CLPC nĩi trên là cơ chế điều khiển cơng suất vịng trong và đĩ cơ chế điều khiển cơng suất nhanh nhất trong hệ thống CDMA. 1.7 Kết luận chương Chương này giới thiệu về phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA, phương pháp này cũng được xem như kỹ thuật đa truy cập phổ trải rộng. Các kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong cơng nghệ CDMA như là : . Trải phổ trực tiếp nhận tín hiệu bằng cách điều chế tin tức bằng tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng. . Trải phổ nhảy tần là nhảy hoặc chuyển tần số sĩng mang trên một tập tần số theo một mẫu xác định bỡi dãy PN. . Trải phổ nhảy thời gian thì dữ liệu được phát đi thành từng cụm gồm k bit dữ liệu và thời điểm chính xác để phát mỗi cụm được xác định bỡi dãy PN. 21
  32. Mỗi loại hệ thống trải phổ cĩ ưu và nhược điểm của mình. Việc lựa chọn hệ thống nào để sử dụng phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Bảng 2.1 So sánh các Trải phổ nhảy thời Trải phổ trực tiếp Trải phổ nhảy tần gian - Làm giảm cơng - Tại thời điểm bất kỳ đã - Tránh nhiễu bằng suất nhiễu bằng cho các người dung khác cách phịng ngừa cách trải nĩ trên phổ nhau các tần số khác nhau nhiều hơn một tần rộng. vì thế tránh được nhiễu người dung phát - Dùng giải điều chế cùng thời điểm. - Cĩ thể thiết kế với khơng kết hợp vì khĩ duy giải điều chế kết trì đồng bộ pha sĩng hợp hoặc khơng kết mang do sự thay đổi hợp. nhanh của tần số phát. - Cĩ khả năng chịu đựng tốt các tín hiệu đa tia và các can nhiễu. Một mơ hình CDMA được trình bày ngắn gọn trong chương này nhằm nắm bắt được những lý thuyết cơ bản về hệ thống CDMA. Để ứng dụng cho việc truyền dữ liệu đi được kiểm sốt cũng như được bảo mật thì cơng việc trải phổ lại là rất quan trọng. Do hệ thống MC-CDMA tổng hợp từ các kỹ thuật OFDM và CDMA nên ở chương tiếp theo chúng ta sẽ bàn về kỹ thuật OFDM. 22
  33. Chương 2: Kỹ thuật OFDM 2.1 Giới thiệu chương Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là kỹ thuật điều chế đa sĩng mang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vơ tuyến lẫn hữu tuyến. OFDM được chọn làm chuẩn cho hệ thống phát âm thanh số DAB, hệ thống phát hình số DVB và mạng LAN khơng dây Ưu điểm của OFDM là khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao qua kênh truyền fading cĩ tính chọn lọc tần số và sử dụng băng thơng hiệu quả. Ngồi ra, quá trình điều chế và giải điều chế đa sĩng mang cĩ thể được thực hiện dễ dàng nhờ phép biến đổi Fourier thuận và nghịch. Trong chương này chúng ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu từng đặc điểm của OFDM: khái niệm, điều chế đa sĩng mang, hệ thống OFDM băng cơ sở, kỹ thuật xử lí tín hiệu OFDM, chèn Pilot, tiền tố lặp CP 2.2 Hệ thống OFDM 2.2.1 Sơ đồ khối Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM 23
  34. Nguyên lý làm việc: . Đầu tiên, dịng dữ liệu vào tốc độ cao được chia thành nhiều dịng dữ liệu song song tốc dộ thấp hơn nhờ bộ chuyển đổi S/P(Serial/Parallel). Mỗi dịng dữ liệu song song sau đĩ được mã hĩa sử dụng thuật tốn FEC(Forward Error Correcting) và được sắp xếp theo một trình tự hỗn hợp. Những ký tự hỗn hợp được đưa đến đầu vào của khối IFFT. Khối này sẽ tính tốn các mẫu thời gian tương ứng với các kênh nhánh trong miền tần số . Sau đĩ, khoảng bảo vệ được chèn vào để giảm nhiễu xuyên ký tự ISI do truyền trên các kênh vơ 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 cĩ các nguồn nhiễu gây ảnh hưởng như nhiễu Gausian trắng cộng AWGN. . Ở phía thu, tín hiệu thu được chuyển xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc đạt được tại bộ lọc thu. Khoảng bảo vệ được loại bỏ và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng phép biến đổi DFT dùng thuật tốn FFT. Sau đĩ, tùy vào sơ đồ điều chế được sử dụng, sự dịch chuyển về biên độ và pha của sĩng 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, chúng ta nhận được dịng dữ liệu nối tiếp ban đầu. Đa sĩng mang (Multi-Carrier) Nếu truyền tín hiệu khơng phải bằng một sĩng mang mà bằng nhiều sĩng mang, mỗi sĩng mang tải một phần dữ liệu cĩ ích và được trải đều trên cả băng thơng thì khi chịu ảnh hưởng xấu của đáp tuyến kênh sẽ chỉ cĩ một phần dữ liệu cĩ ích bị mất, trên cơ sở dữ liệu mà các sĩng mang khác mang tải cĩ thể khơi phục dữ liệu cĩ ích. 24
  35. Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống truyền dẫn đa sĩng mang. Do vậy, khi sử dụng nhiều sĩng mang cĩ tốc độ bit thấp, các dữ liệu gốc sẽ thu được chính xác. Để khơi phục dữ liệu đã mất, người ta sử dụng phương pháp sửa lỗi tiến FFC. Ở máy thu, mỗi sĩng mang được tách ra khi dùng bộ lọc thơng thường và giải điều chế. Tuy nhiên, để khơng cĩ can nhiễu giữa các sĩng mang (ICI) phải cĩ khoảng bảo vệ khi hiệu quả phổ kém. OFDM là một kỹ thuật điều chế đa sĩng mang, trong đĩ dữ liệu được truyền song song nhờ vơ số sĩng mang phụ mang các bit thơng tin. Bằng cách này ta cĩ thể tận dụng băng thơng tín hiệu, chống lại nhiễu giữa các ký tự, Để làm được điều này, một sĩng mang phụ cần một máy phát sĩng sin, một bộ điều chế và giải điều chế của riêng nĩ. Trong trường hợp số sĩng mang phụ là khá lớn, điều này là khơng thể chấp nhận được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi IDFT/DFT được dùng để thay thế hàng loạt các bộ dao động tạo sĩng sin, bộ điều chế, giải điều chế. Hơn nữa, IFFT/FFT được xem là một thuật tốn giúp cho việc biến đổi IDFT/DFT nhanh và gọn hơn bằng cách giảm số phép nhân phức khi thực hiện phép biến đổi IDFT/DFT và giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. Với hệ thống đa sĩng mang OFDM ta cĩ thể biểu diễn tín hiệu ở dạng sau: 25
  36. N 1 1 j2 k (t lTs (N L)) (2.1) S(t) al,k e N l k 0 Trong đĩ : al,k là dữ liệu đầu vào được điều chế trên sĩng mang nhánh thứ k trong symbol OFDM thứ l N : số sĩng mang nhánh L : chiều dài tiền tố lặp (CP) 1 1 Khoảng cách sĩng mang nhánh là T NTs Giải pháp khắc phục hiệu quả phổ kém khi cĩ khoảng bảo vệ (Guard Period) là giảm khoảng cách các sĩng mang và cho phép phổ của các sĩng mang cạnh nhau trùng lặp nhau. Sự trùng lắp này được phép nếu khoảng cách giữa các sĩng mang được chọn chính xác. Khoảng cách này được chọn ứng với trường hợp sĩng mang trực giao với nhau. Đĩ chính là phương pháp ghép kênh theo tần số trực giao. Từ giữa những năm 1980, người ta đã cĩ những ý tưởng về phương pháp này nhưng cịn hạn chế về mặt cơng nghệ, vì khĩ tạo ra các bộ điều chế đa sĩng mang giá thành thấp theo biến đổi nhanh Fuorier IFFT. Hiện nay, nhờ ứng dụng cơng nghệ mạch tích hợp nên phương pháp này đã được đưa vào ứng dụng trong thực tiễn. Sự trực giao (Orthogonal) Orthogonal chỉ ra rằng cĩ một mối quan hệ chính xác giữa các tần số của các sĩng mang trong hệ thống OFDM. Trong hệ thống FDM thơng thường, các sĩng mang được cách nhau trong một khoảng phù hợp để tín hiệu thu cĩ thể nhận lại bằng cách sử dụng các bộ lọc và các bộ giải điều chế thơng thường. Trong các máy như vậy, các khoảng bảo vệ cần được dự liệu trước giữa các sĩng mang khác nhau. Việc đưa vào các khoảng bảo vệ này làm giảm hiệu quả sử dụng phổ của hệ 26
  37. thống. Đối với hệ thống đa sĩng mang, tính trực giao trong khía cạnh khoảng cách giữa các tín hiệu là khơng hồn tồn phụ thuộc, đảm bảo cho các sĩng mang được định vị chính xác tại điểm gốc trong phổ điều chế của mỗi sĩng mang . Tuy nhiên, cĩ thể sắp xếp các sĩng mang trong OFDM sao cho các dải biên của chúng che phủ lên nhau mà các tín hiệu vẫn cĩ thể thu được chính xác mà khơng cĩ sự can nhiễu giữa các sĩng mang. Để cĩ được kết quả như vậy, các sĩng mang phải trực giao về mặt tốn học. Máy thu hoạt động gồm các bộ giải điều chế, dịch tần mỗi sĩng mang xuống mức DC, tín hiệu nhận được lấy tích phân trên một chu kỳ của symbol để phục hồi dữ liệu gốc. Nếu mọi sĩng mang đều dịch xuống tần số tích phân của sĩng mang này (trong một chu kỳ τ, kết quả tính tích phân các sĩng mang khác sẽ là zero. Do đĩ, các sĩng mang độc lập tuyến tính với nhau (trực giao) nếu khoảng cách giữa các sĩng là bội của 1/τ. Bất kỳ sự phi tuyến nào gây ra bởi sự can nhiễu của các sĩng mang ICI cũng làm mất đi tính trực giao. Miền thời gian Miền tần số Hình 2.3: Trực giao của sĩng mang con trong miền thời gian và miền tần số Phần đầu của tín hiệu để nhận biết tính tuần hồn của dạng sĩng, nhưng lại dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu xuyên ký tư (ISI). Do đĩ, phần này cĩ thể được lặp lại, gọi là tiền tố lặp (CP: Cycle Prefix). Do tính trực giao, các sĩng mang con khơng bị xuyên nhiễu bởi 27
  38. các sĩng mang con khác. Thêm vào đĩ, nhờ kỹ thuật đa sĩng mang dựa trên FFT và IFFT nên hệ thống OFDM đạt được hiệu quả khơng phải bằng việc lọc dải thơng mà bằng việc xử lý băng tần gốc. 2.3 Kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM 2.3.1 Mã hĩa sửa sai trước FEC Trong hệ thống thơng tin số nĩi chung, mã hĩa sửa sai trước FEC (Forward Error Correcting) được sử dụng để nâng cao chất lượng thơng tin, cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép mà khơng phải nâng cao giá trị của tỷ số Eb/No (hoặc SNR), điều này càng thể hiện rõ ở kênh truyền bị tác động của AWGN. Mã hĩa FEC được chia thành 2 loại mã chính: . Mã khối (Block coding) . Mã chập (Convolutional coding). Ngồi ra, người ta cịn dùng mã hĩa Trellis: là một dạng của mã chập nhưng cĩ thêm phần mã hĩa. Bên thu cĩ thể sử dụng thuật tốn Viterbi. 2.3.2 Phân tán kí tự Do fading lựa chọn tần số của các kênh vơ tuyến điển hình làm cho những nhĩm sĩng mang phụ ít tin cậy hơn những sĩng mang khác. Vì vậy tạo ra các chùm lỗi bit lớn hơn được phân tán một cách ngẫu nhiên. Hầu hết các mã sửa lỗi khơng được thiết kế để sửa lỗi chùm. Do đĩ, bộ phân tán kí tự được tạo ra nhằm ngẫu nhiên hố sự xuất hiện của những bit lỗi trước khi giải mã. Tại bộ phát, bằng cách nào đĩ người ta hốn vị những bit đã mã hố sao cho những bit kề nhau bị cách nhau nhiều bit. Tại bộ thu, việc hốn vị ngược lại được thực hiện trước khi giải mã. 2.3.3 Sắp xếp Về nguyên tắc, cĩ thể áp dụng bất kỳ phương pháp điều chế nào cho mỗi sĩng mang. Dạng điều chế được quy định bởi số bit ở ngõ vào và cặp giá trị (I, Q) ở ngõ ra. Tức là dịng bit trên mỗi nhánh được sắp xếp thành 28
  39. các nhĩm cĩ Nbs (1, 2, 4, 8) bit khác nhau tương ứng với các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM. Dạng điều Nbs an, bn chế 1 BPSK [ 1] QPSK (4- 2 [ 1] QAM) 4 16_QAM [ 1][ 3] 8 64_QAM [ 1][ 3][ 5][ 7] Hình 2.4 Bảng các giá trị an, bn theo dạng điều chế Nĩi chung, mơ hình điều chế tuỳ thuộc vào việc dung hồ giữa yêu cầu tốc độ truyền dẫn và chất lượng truyền dẫn. Một ưu điểm đặc biệt hứa hẹn cho các ứng dụng đa phương tiện sau này là mơ hình điều chế khác nhau cĩ thể được áp dụng cho các kênh (sĩng mang phụ) khác nhau, chẳng hạn cho các lớp dịch vụ khác nhau. 2.3.4 Sử dụng IFFT/FFT trong OFDM OFDM là kỹ thuật điều chế đa sĩng mang, trong đĩ dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sĩng mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sĩng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên khơng hiệu quả, nhiều khi là khơng thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế tồn bộ các bộ tạo dao động sĩng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. FFT/IFFT được xem là một thuật tốn giúp cho việc thực hiện phép biến đổi DFT/IDFT nhanh và gọn hơn. 29
  40. 2.3.4.1 Phép biến đổi DFT là phép biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform), thực hiện chuyển đổi tín hiệu x(n) trong miền thời gian sang tín hiệu trong miền tần số X(k). Phép biển đổi IDFT là quá trình ngược lại, thực hiện chuyển đổi phổ tín hiệu X(k) thành tín hiệu x(n) trong miền thời gian. Giả sử tín hiệu x(n) cĩ chiều dài là N (n = 0,1, 2, , N-1). Cơng thức của phép biến đổi DFT là N 1 nk X (k) x(n)WN , k = 0, 1, , N-1 (2.2) n 0 j 2 N Trong đĩ WN được xác định là = e (2.3) nk Do vậy, WN cĩ giá trị là j 2 kn = e N (2.4) . Cơng thức của phép biến đổi IDFT là N 1 1 -nk x(n) N X (k)WN , n = 0, 1, , N-1 (2.5) k 0 . Chuyển đổi Fourier nhanh(FFT) là thuật tốn giúp cho việc tính tốn DFT nhanh và gọn hơn.Từ cơng thức (2.2), (2.5) ta thấy thời gian tính DFT bao gồm : - Thời gian thực hiện phép nhân phức. - Thời gian thức hiện phép cộng phức. - Thời gian đọc các hệ số WN. - Thời gian truyền số liệu. Trong đĩ chủ yếu là thời gian thực hiện phép nhân phức. Vì vậy, muốn giảm thời gian tính tốn 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 đĩ để giảm thời gian tính DFT thì người ta phải giảm được số lượng phép tính nhanh bằng cách sử dụng thuật tốn FFT. Để tính trực tiếp cần N 2 phép nhân. Khi tính bằng FFT số phép 30
  41. N nhân chỉ cịn log N . Vì vậy tốc độ tính bằng FFT nhanh hơn tính trực 2 2 2N tiếp là . log2 N Ngồi ra FFT cịn cĩ ưu điểm giúp tiết kiệm bộ nhớ bằng cách tính tại chỗ. 2.3.4.2 Ứng dụng FFT/IFFT trong OFDM . Sơ đồ khối của hệ thống OFDM sử dụng FFT hình 2.5 Hình 2.5 Sơ đồ khối của hệ thống OFDM dùng FFT Tại máy phát, tín hiệu được định nghĩa trong miền tần số, là tín hiệu số đã được lấy mẫu, và được định nghĩa như phổ Fourier rời rạc tồn tại chỉ tại tần số rời rạc. Mỗi sĩng mang OFDM tương ứng với một phần tử của phổ Fourier rời rạc. Biên độ và pha của các sĩng mang phụ thuộc data được truyền. Sự chuyển tiếp data được đồng bộ tại các sĩng mang,và cĩ thể xử lý cùng nhau, symbol by symbol. Xét một chuỗi data(do, d1, d2, ,dN-1), trong đĩ dn=an+jbn (an,bn= 1 với QPSK,an,bn= 1, 3 với 16QAM, ) 2 N 1 N 1 j kn j(2 nm/ N ) N Dm dne dne với k=0,1,2, ,N-1 (2.6) n 0 n 0 31
  42. trong đĩ f n n /( T) , tk=k t và t là khoảng thời gian ký tự được lựa chọn một cách tùy ý của chuỗi dn. Phần thực của vector D cĩ thành phần N 1 Ym Re Dm an cos(2 f ntm ) bn sin(2 f ntm ) k 0,1, , N 1 n 0 (2.7) Nếu thành phần này qua bộ lọc thơng thấp trong khoảng thời gian t, tín hiệu đạt được gần đúng với tín hiệu FDM N 1 y(t) ancos(2 f ntm ) bn sin(2 f ntm ) 0 t N t (2.8) n 0 . Hình (2.45 minh họa quá trình FFT của hệ thống OFDM cơ sở. Đầu tiên, data vào được chuyển từ nối tiếp sang song song và được nhĩm thành x bits dưới dạng một số phức. Số x xác định chịm sao tín hiệu của sĩng mang tương ứng, như 16QAM hoặc 32QAM. Số phức được điều chế trong băng gốc bằng thuật tốn IFFT và được chuyển trở lại thành data nối trên đường truyền. Khoảng bảo vệ được chèn giữa các ký tự để tránh ISI. Các ký tự rời rạc được chuyển thành analog và LPF đối với trên tần số RF. Máy thu thực hiện quá trình ngược lại của máy phát. Một bộ tap- equalizer được sử dụng. Hệ số tap (tap-coefficents) của bộ lọc được tính tốn dựa trên thơng tin kênh. 2.4 Các vấn đề kỹ thuật trong OFDM OFDM là giải pháp kỹ thuật rất thích hợp cho truyền dẫn vơ tuyến tốc độ cao. Tuy nhiên, để cĩ thể đem áp dụng vào các hệ thống, cĩ ba vấn đề cần phải giải quyết khi thực hiện hệ thống sử dụng OFDM: . Ước lượng tham số kênh. . Đồng bộ sĩng mang Vấn đề thứ nhất liên quan trực tiếp đến chỉ tiêu chất lượng hệ thống OFDM nếu dùng phương pháp giải điều chế liên kết, cịn hai vấn đề sau liên quan đến việc xử lý các nhược điểm của OFDM. Ngồi ra, để nâng 32
  43. cao chỉ tiêu chất lượng hệ thống, người ta sử dụng mã hĩa tín hiệu OFDM. 2.4.1 Ước lượng tham số kênh Ước lượng kênh (Channel estimation) trong hệ thống OFDM là xác định hàm truyền đạt của các kênh con và thời gian để thực hiện giải điều chế bên thu khi bên phát sử dụng kiểu điều chế kết hợp (coherent modulation). Để ước lượng kênh, phương pháp phổ biến hiện nay là dùng tín hiệu dẫn đường (PSAM-Pilot signal assisted Modulation). Trong phương pháp này, tín hiệu pilot bên phát sử dụng là tín hiệu đã được bên thu biết trước về pha và biên độ. Tại bên thu, so sánh tín hiệu thu được với tín hiệu pilot nguyên thủy sẽ cho biết ảnh hưởng của các kênh truyền dẫn đến tín hiệu phát. Ước lượng kênh cĩ thể được phân tích trong miền thời gian và trong miền tần số. Trong miền thời gian thì các đáp ứng xung h(n) của các kênh con được ước lượng. Trong miền tần số thì các đáp ứng tần số H(k) của các kênh con được ước lượng. Cĩ hai vấn đề chính được quan tâm khi sử dụng PSAM : . Vấn đề thứ nhất là lựa chọn tín hiệu pilot : phải đảm bảo yêu cầu chống nhiễu, hạn chế tổn hao về năng lượng và băng thơng khi sử dụng tín hiệu này. Với hệ thống OFDM, việc lựa chọn tín hiệu pilot cĩ thể được 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 sĩng mang. Việc lựa chọn tín hiệu pilot ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu hệ thống. . Vấn đề thứ hai là việc thiết kế bộ ước lượng kênh: phải giảm được độ phức tạp của thiết bị trong khi vẫn đảm bảo được độ chính xác yêu cầu. Yêu cầu về tốc độ thơng tin cao (tức là thời gian xử lý giảm) và các chỉ tiêu hệ thống là hai yêu cầu ngược nhau. Chẳng hạn, bộ ước lượng kênh tuyến tính tối ưu (theo nguyên lý bình phương lỗi nhỏ nhất-MSE) là bộ lọc Wiener hai chiều (2D-Wiener filter) cĩ chỉ tiêu kỹ thuật rất cao nhưng cũng rất phức tạp. Vì vậy, khi thiết kế cần phải dung hịa hai yêu cầu trên. 33
  44. 2.4.2 Đồng bộ trong OFDM Đồng bộ là một trong những vấn đề đang rất được quan tâm trong kỹ thuật OFDM bởi nĩ cĩ ý nghĩa quyết định đến khả năng cải thiện các nhược điểm của OFDM. Chẳng hạn, nếu khơng đảm bảo sự đồng bộ về tần số sĩng mang thì sẽ dẫn đến nguy cơ mất tính trực giao giữa các sĩng 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 sĩng mang (carrier frequency synchronization), và đồng bộ tần số lấy mẫu (sampling frequency synchronization). 2.4.2.1 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 sĩng 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 cịn nằm trong chiều dài khoảng tiền tố lặp (CP) thì hệ thống vẫn đảm bảo sự trực giao giữa các sĩng 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 thì hệ thống sẽ xuất hiện lỗi ISI. Cĩ hai phương pháp để thực hiện đồng bộ thời gian, đĩ là : đồng bộ thời gian dựa vào tín hiệu pilot và đồng bộ thời gian dựa vào tiền tố lặp. 34
  45. . Nhiễu pha sĩng mang Nhiễu pha sĩng mang là hiện tượng khơng ổn định về pha của các sĩng mang do sự khơng ổn định của bộ tạo dao động bên phát và bên thu. 2.4.2.2 Đồng bộ tần số sĩng mang Trong đồng bộ tần số sĩng mang, hai vấn đề chính được quan tâm đến là : lỗi tần số (frequency error) và thực hiện ước lượng tần số. . Lỗi tần số Lỗi tần số được tạo ra do sự khác biệt về tần số giữa hai bộ tao dao động bên phát và bên thu, do độ dịch tần Doppler, hoặc do nhiễu pha xuất hiên khi kênh truyền khơng tuyến tính. Hai ảnh hưởng do lỗi tần số gây ra là : suy giảm biên độ tín hiệu thu được (vì tín hiệu khơng được lấy mẫu tại đỉnh của mỗi sĩng mang hình sin) và tạo ra nhiễu xuyên kênh ICI (vì các sĩng mang bị mất tính trực giao). . Ước lượng tần số Tương tự như kỹ thuật đồng bộ ký tự, để thực hiện đồng bộ tần số, cĩ thể sử dụng tín hiệu pilot hoặc sử dụng tiền tố lặp. Trong kỹ thuật sử dụng tín hiệu pilot, một số sĩng 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 vịng khĩa pha (Phase Lock Loop-PLL). Nhận xét : Một vấn đề cần được quan tâm đến là mối quan hệ giữa đồng bộ ký tự và đồng bộ tần số sĩng mang. Để giảm ảnh hưởng của sự mất đồng bộ tần số sĩng mang thì cĩ thể giảm số lượng sĩng mang, tăng khoảng cách giữa hai sĩng mang cạnh nhau. Nhưng khi giảm số sĩng mang thì phải giảm chu kỳ của mỗi ký tự trên mỗi sĩng mang, dẫn đến việc đồng bộ ký tự rất khĩ khăn và phải chặt chẽ hơn. Điều đĩ chứng tỏ hai vấn đề đồng bộ trên cĩ quan hệ chặt chẽ lẫn nhau, cần phải cĩ sự dung hịa hợp lý để hệ thống đạt được các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. 35
  46. 2.4.2.3 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 khơng 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. 2.5 Đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM 2.5.1 Sự suy hao Suy hao là sự suy giảm cơng suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm khác. Nĩ 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 bĩng thường rất rộng, tốc độ thay đổi cơng suất tín hiệu chậm. Vì thế, nĩ cịn được gọi là fading chậm. Hình 2.6 Đáp ứng tần số của kênh truyền đa đường 2.5.2 Tạp âm trắng Gaussian Tạp âm trắng Gaussian cĩ mật độ phổ cơng suất là đồng đều trong cả băng thơng 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 36
  47. thống OFDM, khi số sĩng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng cĩ 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. 2.5.3 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 cịn được gọi là fading nhanh vì sự suy giảm cơng suất tín hiệu rõ rệt trên khoảng cách ngắn (tại các nửa bước sĩng) từ 10-30dB. Trong mơi 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 2.7 Các tín hiệu đa đường Fading Rayleigh gây ra do sự giao thoa (tăng hoặc giảm) bởi sự kết hợp của các sĩng thu được. Khi bộ thu di chuyển trong khơng gian pha giữa các thành phần đa đường khác nhau thay đổi gây ra giao thoa cũng thay đổi, từ đĩ dẫn đến sự suy hao cơng suất tín hiệu thu được. Phân bố Rayleigh thường được sử dụng để mơ tả trạng thái thay đổi theo thời gian của cơng suất tín hiệu nhận được. 37
  48. 2.5.4 Fading lựa chọn tần số Trong truyền dẫn vơ tuyến đáp ứng phổ của kênh là khơng bằng phẳng, nĩ bị dốc và suy giảm do phản xạ dẫn đến tình trạng cĩ một vài tần số bị triệt tiêu tại đầu thu. Phản xạ từ các vật gần như mặt đất, cơng trình xây dựng, cây cối cĩ thể dẫn đến các tín hiệu đa đường cĩ cơng suất tương tự như tín hiệu nhìn thẳng. Điều này sẽ tạo ra các điểm “0”(nulls) trong cơng suất tín hiệu nhận được do giao thoa. 2.5.5 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 thơng tin vơ tuyến, trải trễ cĩ thể gây nên nhiễu xuyên ký tự ISI. Điều này là do tín hiệu sau khi trải trễ cĩ 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 đĩ làm giảm nhiễu ISI do trải trễ. Hình 2.8 Trải trễ đa đường 2.5.6 Dịch Doppler Khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số của tín hiệu tại bộ thu khơng 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 38
  49. ra xa nhau thì tần số thu được sẽ giảm đi. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Doppler. 2.6 Đặc điểm và ứng dụng của kỹ thuật OFDM 2.6.1 Ưu điểm của kỹ thuật OFDM Dưới đây là các ưu điểm chính 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 sĩng mang phụ trực giao với nhau. . Hiệu suất sử dụng phổ cao hơn so với FDM do phổ của các sĩng mang phụ cĩ thể chồng phủ lên nhau mà vẫn đảm bảo chất lượng tín hiệu sau khi tách sĩng. Hình 2.9 So sánh việc sử dụng băng tần của FDM và OFDM . Các kênh con cĩ thể coi là các kênh fading phẳng nên cĩ thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thơng tin, giảm độ phức tạp của máy thu. . Điều chế tín hiệu đơn giản, hiệu quả nhờ sử dụng thuật tốn FFT và các bộ ADC, DAC đơn giản. 2.6.2 Nhược điểm của kỹ thuật OFDM Bên cạnh những ưu điểm thì hệ thống OFDM cịn tồn tại nhiều nhược điểm: . Hệ thống OFDM tạo ra tín hiệu trên nhiều sĩng mang, dải động của tín 39
  50. hiệu lớn nên cơng suất tương đối cực đại PAPR lớn, hạn chế hoạt động của bộ khuếch đại cơng suất. . Dễ bị ảnh hưởng của dịch tần và pha hơn so với hệ thống một song mang. Vì vậy phải thực hiện tốt đồng bộ tần số trong hệ thống. Cùng với các nhược điểm trên, ít cĩ nhu cầu OFDM trong thơng 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. 2.6.3 Ứng dụng của kỹ thuật OFDM Hiện nay, OFDM đã được khuyến nghị sử dụng trong các hệ thống thơng tin số tốc độ cao như phát thanh và truyền hình số và sẽ được ứng dụng trong hệ thống thơng tin di động tương lai như hệ thống LAN vơ tuyến, các cơng nghệ truyền dẫn số tốc độ cao: ADSL, VDSL OFDM cũng là một giải pháp đầy hứa hẹn để thực hiện hệ thống thơng tin di động đa phương tiện (4G). 2.7 Kết luận chương Trong chương này, chúng ta đã tìm hiểu tổng quát về hệ thống OFDM. Nĩ cho thấy rằng đây là một giải pháp cơng nghệ đầy hứa hẹn. Kỹ thuật OFDM khơng phải là một kỹ thuật đa truy nhập vì tất cả các sĩng mang được điều chế bằng dữ liệu của cùng một thuê bao. Để hỗ trợ nhiều thuê bao, OFDM phải được kết hợp với một kỹ thuật đa truy nhập. Cơng nghệ MC-CDMA là sự kết hợp giữa OFDM và CDMA. Vì thế, ở chương tiếp theo chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về cơng nghệ MC-CDMA. 40
  51. Chương 3: Hệ thống MC-CDMA 3.1 Giới thiệu chương Bên cạnh việc cung cấp các dịch vụ và ứng dụng mới, thành cơng của 4G sẽ phụ thuộc nhiều vào sự lựa chọn các khái niệm và sự đổi mới cơng 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 mơ hình đa truy cập mới. Một trong những mơ hình hệ thống này là MC-CDMA (MultiCarrier CDMA). Do vậy mà trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu nguyên lý MC-CDMA, các vấn đề về máy phát, máy thu và kênh truyền trong hệ thống. Bên cạnh đĩ chúng ta tìm hiểu các loại nhiễu tồn tại trong hệ thống và các phương pháp khắc phục. 3.2 Hệ thống MC-CDM 3.2.1 Khái niệm MC-CDMA MC-CDMA (MultiCarrier CDMA) là một hệ thống đa truy nhập mới dựa trên việc kết hợp giữa CDMA và OFDM. Khác với CDMA trải phổ trong miền thời gian thì MC-CDMA trải phổ trong miền tần số. Cơng nghệ này sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM để phát tín hiệu trên tập sĩng mang phụ trực giao. 3.2.2 Sơ đồ khối b bit b bit Digital Sinal Parallel Guard to Up spreader mapper IFFT to Interval Analog converter Serial converter Insertion data LPF input Channel Serial b bit b bit data Analog output Despreader Serial to Guard Summation and FFT parallel to Down Interval Digital combining converter Removal converter LPF Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống MC-CDMA 41
  52. 3.3 Máy phát Máy phát MC-CDMA trải tín hiệu băng gốc trong miền tần số bằng một mã trải cho truớc. Ngồi ra, mỗi phần của ký tự tương ứng với một chip của mã trải được điều chế bằng một sĩng mang phụ khác nhau. Đối với truyền đa sĩng mang, chúng ta cần đạt được fading khơng chọn lọc tần số trên mỗi sĩng 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. 3.3.1 Quá trình tạo ra tín hiệu MC-CDMA theo thứ tự sau Chuỗi dữ liệu ngõ vào cĩ tốc độ bit là 1/Ts, được điều chế BPSK, tạo ra các ký tự phức ak. Luồng thơng tin này ak được chuyển thành P chuỗi dữ liệu song song (ak,0(i), ak,1(i), , ak,P-1(i)), trong đĩ I ký hiệu cho chuỗi ký tự thứ I (mỗi khối gồm P ký tự). 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))cĩ chiều dài KMC để tạo ra tất cả N=P.KMC(tương ứng với tổng số sĩng mang phụ) ký tự mới. Mỗi ký hiệu (ký tự) mới này cĩ dạng tương tự như một ký tự trong hệ thống OFDM (chương 2). 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. Hình 3.2 Máy phát MC –CDMA 42
  53. 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 sĩng đa mang tại băng tần gốc cĩ thể được thực hiện bằng phép biến đổi nghịch Fourier rời rạc (IDFT). Sau đĩ,tín hiệu OFDM từ P nhánh được tổng hợp với lại nhau. Khoảng dự phịng (quard interval) được chèn vào dưới dạng tiền tố vịng (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. Tín hiệu phát băng gốc dạng phức như sau: P 1 KMC 1 ' ' k ' j2 (Pm p) f (t iTs ) S MC = a k,p (i)d k (m)ps (t iTs )e (3.1) i p 0 m 0 ‟ T s = PTs (3.2) 1 f ' (3.3) T ' s Trong đĩ: dk(0), dk(1), dk(KMC-1) là mã trải phổ với chiều dài KMC. ‟ T s là khoảng kí hiệu trên mỗi sĩng mang phụ. f ' là khoảng cách tần số nhỏ nhất giữa hai sĩng mang phụ. là hệ số mở băng thơng kết hợp với chèn khoảng dự phịng (0 1): = /PTs (3.4) ps(t) là dạng xung vuơng được định nghĩa: ' 1, t Ts ps(t)= (3.5) 0,t ‟ ‟ (P*KMC-1)/(T s - )+2/ T s = (1+ )KMC/Ts Băng thơng của tín hiệu phát được tính như sau: ‟ ‟ BMC = (P.KMC-1)/(T s- ) +2/ T s (3.6) Nhận xét: Khơng cĩ thao tác trải phổ trong miền thời gian (từ (3.1)) Cơng thức (3.2) cho thấy rằng khoảng ký tự tại mỗi mức sĩng mang phụ gấp P lần khoảng ký tự gốc do việc chuyển đổi từ nối tiếp/song song. 43
  54. Mặc dù khoảng cách giữa các sĩng mang phụ tối thiểu được cho bởi (3.3) ‟ nhưng khoảng cách giữa các sĩng mang phụ cho mỗi ak,p(i) lại là P/(T s- ) 3.4 Máy thu Bộ thu là bộ OFDM thêm vào một cơng việc kết hợp để tách dữ liệu được phát đối với mỗi người sử dụng mong muốn. Giả sử hệ thống MC-CDMA cĩ K người dùng đang truy cập, tín hiệu bưng gốc nhận được cĩ dạng: K1 kk rMC (t) s MC (t )h k0 P 1K1MC K 1 '' k k ' j2 (Pm p) f(t iT)s hm,p a k,p (i)dp(tiT)e m s s n(t) i p 0 m 0 k 0 (3.7) Trong đĩ: k h m,p(t): đường bao phức thu được tại sĩng mang phụ thứ (mP+p) của người sử dụng thứ k. hk(t,) là đáp ứng xung của kênh truyền ứng với người dùng thứ k cĩ dạng: N 1 hk(t,)= a i (t, )exp 2 f c i (t) i (t, )) i (t) (3.8) i 0 với t và là thời gian và độ trễ, ai(t,) và i(t) tương ứng là biên độ thực và biên độ trễ quá của thành phần đa đường thứ i ở thời điểm t, pha 2 biễu diễn độ lệch pha do sự lan truyền trong khơng gian tự do của thành phần đa đường thứ i cộng với bất kì độ dịch pha bắt gặp trên đường truyền. n(t) là nhiễu Gauss cĩ giá trị trung bình bằng 0 và mật độ phổ cơng suất hai phía N0/2. Bộ thu MC-CDMA yêu cầu việc tách sĩng được thực hiện đồng bộ để thao tác giải trải phổ (despreading) thành cơng. 44
  55. Hình 3.3 Máy thu MC-CDMA Hình (3.3) biễu diễn bộ thu MC-CDMA cho người sử dụng thứ k. Quá trình tách sĩng tại máy thu theo thứ tự sau: Sau khi đổi tần xuống và khử khoảng dự phịng, các sĩng mang phụ thứ m (m=0,1, ,KMC-1) tương ứng với dữ liệu thu là ak,p(i), đầu tiên được tách đồng bộ với DFT, ta thu được giá trị trên mỗi nhánh là yp(m). Tiếp theo nhân yp(m) với độ lợi Gk(m) để kết hợp năng lượng tín hiệu rời rạc trong miền tần số, và biến quyết định là tổng của các thành phần băng gốc cĩ trọng số: KMC 1 Dk()()() t iT s G k m y m (3.9) m 0 K kk y()()() m zm iT s a j d m n iT s (3.10) k 1 Trong đĩ: y(m) là thành phần dải nền của tín hiệu nhận được sau khi đã chuyển đổi xuống. nm(iTs) là nhiễu Gauss phức của sĩng mang phụ thứ i tại thời điểm t=iTs. 3.5 Kênh truyền Kênh truyền fading Rayleigh chọn tần số biến đổi chậm là kênh truyền điển hình trong hệ thống MC-CDMA băng rộng. Kênh truyền của hệ thống cĩ băng thơng rộng được chia thành N kênh băng hẹp mà mỗi kênh như vậy chỉ chịu tác động của fading phẳng (fading khơng cĩ tính chọn 45
  56. lọc tần số), nghĩa là chỉ cĩ một hệ số độ lợi trên mỗi kênh phụ (hình 3.4). Vì mỗi kênh truyền phụ cĩ độ lợi khác nhau nên khi xét đến kênh truyền của hệ thống thì nĩ là kênh truyền cĩ tính chọn lọc tần số. Điều kiện để tính chọn lọc tần số của kênh truyền thể hiện trên tồn băng thơng của tín hiệu phát và khơng thể hiện trên từng sĩng mang phụ là: f Bc BW (3.11) Trong đĩ Bc là : băng thơng liên kết của kênh truyền. f là tốc độ ký hiệu của dữ liệu phát. BW là băng thơng tổng của hệ thống. Băng thơng liên kết (kết hợp) Bc là một đơn vị thống kê đo các dải tần số mà trong khoảng tần số này kênh truyền được coi là “phẳng” (kênh truyền cho qua các thành phần phổ cĩ độ lợi xấp xỉ bằng nhau và cĩ fading tuyến tính). Nĩi một cách khác, băng thơng liên kết dải tần số mà trong đĩ khả năng tương quan biên độ của hai thành phần tần số rất lớn. Hai tín hiệu sin cĩ khoảng phân chia tần số lớn hơn Bc sẽ bị kênh truyền gây ảnh hưởng khác nhau. Hình 3.4 Ảnh hưởng của kênh truyền fading cĩ tính chọn lọc tần số lên từng băng tần hẹp Nếu hàm tương quan tần số lớn hơn 0,9 ta cĩ: 1 Bc (3.12) 50S Nếu hàm tương quan tần số lớn hơn 0,5 ta cĩ: 46
  57. 1 Bc (3.13) 5S Nếu kênh truyền cĩ băng thơng liên kết thoả điều kiện (3.11) thì kênh truyền cĩ đáp ứng xung cho bởi (3.8) cĩ thể được xem như là một tập hợp của nhiều kênh truyền phụ băng hẹp. Mỗi kênh truyền phụ cĩ đáp ứng xung dạng như sau: j i hi= ie (3.14) trong đĩ: i và i lần lượt là biên độ và pha của kênh truyền fading trên kênh truyền phụ thứ i hay sĩng mang thứ I; là biến ngẫu nhiên cĩ phân bố đều trong đoạn [0,2 ] Các hệ số fading cĩ phân bố Rayleigh tương quan nhau (khơng độc lập thống kê) và thay đổi qua từng ký hiệu của dữ liệu phát. Đối với hệ thống MC-CDMA, điều kiện (3.11) để mỗi sĩng mang phụ trải qua fading phẳng luơn thoả vì tốc độ bit cao, nghĩa là f lớn, chuỗi bit vào sẽ được chuyển thành P nhánh song song. Khi đĩ, tốc độ bit trên mỗi nhánh sẽ giảm đi P lần. Vì vậy, đáp ứng xung của mỗi kênh truyền phụ tương ứng với mỗi sĩng mang phụ cĩ dạng phương trình (3.14). Hệ số tương quan giữa fading của sĩng mang phụ thứ i và thứ j được cho bởi: 1 i,j 2 (3.15) 1 (fi f j ) / Bc 3.6 Các kỹ thuật dị tín hiệu ( Detection algorithm) Dữ liệu của người dùng sẽ được khơi phục nhờ một số phương pháp kết hợp nhằm tận dụng mơ hình phân tập tần số. Mục tiêu chính của các phương pháp kết hợp này (kỹ thuật dị tín hiệu) là lựa chọn các trọng số Gk‟(m) sao cho nhiễu Gauss và nhiễu MAI được tối thiểu hố. Cĩ 4 phương pháp kết hợp: 47
  58. 3.6.1 Phương pháp kết hợp khơi phục tính trực giao ORC Phương pháp ORC khơi phục tính trực giao giữa các người dùng ngay cả khi cĩ fading, nghĩa là cho phép các biến trên mỗi nhánh kết hợp với nhau theo cách loại bỏ nhiễu đa truy cập MAI. Tuy nhiên, nhiễu trên các nhánh cĩ biên độ sĩng mang phụ chủ yếu cĩ khuynh hướng được khuếch đại mạnh và các sĩng mang phụ này được nhân với độ lợi lớn để biên độ mới bằng 1. Ảnh hưởng của việc khuếch đại nhiễu này làm tăng BER của hệ thống. Chú ý rằng: ORC chỉ áp dụng cho tuyến xuống của hệ thống thơng tin di động MC-CDMA bởi vì đối với tuyến lên (MS đến BS), tín hiệu từ các người dùng đến trạm gốc với độ trễ khác nhau và đáp ứng kênh truyền của mỗi người dùng cũng khác nhau nên cho dù các mã trải phổ cĩ hồn tồn trực giao thì phương pháp ORC cũng khơng đạt được mục tiêu như tên gọi của nĩ. 3.6.2 Phương pháp kết hợp khơi phục tính trực giao ORC đỉnh (TORC) Phương pháp này sẽ loại bỏ ảnh hưởng của việc triệt nhiễu đi kèm với sĩng mang phụ cĩ biên độ yếu trên mỗi nhánh được khuyết đại mạnh như trong phương pháp ORC. Quyết định được tính trên tổng của các thành phần băng gốc của các sĩng mang phụ cĩ biên độ lớn hơn một ngưỡng tách sĩng. Trọng số Gk‟(m) được chọn: k‟ * 2 Gk‟(m) = dm hm / hm u( hm ) (3.16) Trong đĩ u(.) là hàm bước đơn vị và là ngưỡng tách sĩng. Rõ ràng, trong phương pháp ORC đỉnh này, chỉ các giá trị nhiễu lớn hơn một mức ngưỡng tối ưu để đạt được mức ngưỡng thì mới được khuếch đại. Với tỷ số SRN cho trước, sẽ tồn tại một giá trị ngưỡng tối ưu để đạt được giá trị BER nhỏ nhất. 48
  59. 3.6.3 Phương pháp kết hợp độ lợi bằng nhau (EGC) Đối với EGC, trọng số Gk‟(m) được dùng để sửa sự dịch pha gây ra bởi kênh truyền và được cho bởi: k ' k '* k ' Gk‟(m) = d m hm / hm (3.17) Khi tín hiệu được truyền trong kênh truyền nhiễu Gauss trắng cộng thì EGC là một phương pháp kết hợp tối ưu vì phương pháp này khơi phục tính trực giao giữa các người dùng. Do đĩ, nĩ loại bỏ can nhiễu đa truy cập trong khi giá trị nhiễu lại được lấy trung bình. Tuy nhiên, đối với kênh truyền fading phẳng qua từng sĩng mang phụ, nghĩa là kênh truyền cĩ tính chọn lọc tần số trên tồn băng thơng tín hiệu thì EGC vẫn lấy giá trị trung bình của nhiễu nhưng can nhiễu đa truy cập lại khác 0. Do đĩ, nĩ ảnh hưởng mạnh đến biến quyết định D. 3.6.4 Phương pháp kết hợp tỷ số cực đại (MRC) MRC sẽ kết hợp đồng bộ các tín hiệu của các sĩng mang phụ khác bằng cách lấy trung bình cĩ trọng số các sĩng mang phụ này. Trọng số là liên hợp phức hệ số kênh truyền tương ứng của các sĩng mang phụ, nghĩa là trọng số Gk‟(m) được chọn bằng: k' k'* Gk‟(m) = d m h m (3.18) Với việc chọn giá trị trọng số như vậy, phương pháp MRC đã bù sự dịch pha của kênh truyền và lấy giá trị trung bình cĩ trọng số các tín hiệu sau mỗi bộ lọc đối sánh bằng các hệ số tỷ lệ thuận với biên độ của sĩng mang phụ. Trong trường hợp hệ thống chỉ cĩ một người dùng, MRC khai thác phân tập tần số sẵn cĩ và đạt được BER thấp nhất. Tuy nhiên, trong hệ thống đa người dùng, do tính trực giao của các mã trải bị méo dạng nghiêm trọng bởi fading kênh truyền nên dung lượng của bộ tách sĩng bị giới hạn bởi MAI. 49
  60. 3.6.5 Phương pháp kết hợp sai số trung bình bình phương tối thiểu (MMSE) Điều kiện MMSE cho rằng sai số của các ký tự dữ liệu được dự đốn phải trực giao với các thành phần băng gốc của các sĩng mang phụ thu được, nghĩa là: E (a k' a k' )y(m')* 0 , m‟ = 0, 1, ,KMC-1 (3.19) K MC 1 Trong đĩ E[.] là tốn tử kỳ vọng và a k' = G k' (m)y(m) là ước lượng m 0 của ak Nghiệm của phương trình (3.19) là Gk‟(m) xác định bởi: K 1 k' k'* k 2 2 Gk‟(m) = d m h m / h m n (3.20) k 0 2 Trong đĩ n N0 / 2 là phương sai của nhiễu Gauss. k Đối với giá trị h m nhỏ, độ lợi Gk(m) cũng nhỏ để tránh khuếch đại quá k lớn lượng nhiễu đi kèm với sĩng mang phụ cĩ biên độ nhỏ. Khi h m lớn k* k 2 độ lợi này tỷ lệ với nghịch đảo đường bao sĩng mang phụ h m/ h m để khơi phục tính trực giao giữa các người dùng. Như vậy, phương pháp MMSE sẽ kết hợp giá trị y(m) trên các nhánh theo cách tối thiểu nhiễu đa truy cập và nhiễu Gauss. Nhược điểm của phương pháp này là phải biết chính xác số người dùng đang truy cập hệ thống và cơng suất nhiễu. 3.7 Nhiễu MAI và nhiễu ICI Cơng nghệ MC - CDMA là sự kết hợp của cơng nghệ CDMA và OFDM nên nĩ cịn tồn tại những khuyết điểm của hai cơng nghệ trên: Yêu cầu chặt chẽ về tính trực giao của bộ mã và tính trực giao giữa các sĩng mang phụ. Trong thực tế, khơng cĩ sự trực giao hồn tồn mà chỉ cĩ “cận trực giao”. Vì thế, trong hệ thống MC-CDMA chịu ảnh hưởng bởi các loại nhiễu chính: Đa truy nhập MAI, nhiễu xuyên kênh ICI. 50
  61. 3.7.1 Nhiễu MAI Là loại nhiễu đa truy nhập do tín hiệu của các thuê bao khác đang cùng tham gia hoạt động trong hệ thống tác động lên tín hiệu của thuê bao đang xét. Nhiễu này sinh ra khi thực hiện tương quan chéo giữa mã trải phổ đang xét và các mã khác thì giá trị này khơng triệt tiêu. Cĩ hai phương pháp giảm nhiễu MAI: . Trải phổ bằng các mã trực giao cĩ tương quan chéo bằng 0. Để đạt được hiệu quả của các bộ mã trực giao này cần phải cĩ sự đồng bộ giữa các tín hiệu của các thuê bao. Điều này dễ dàng đạt được trong MC-CDMA đường xuống. . Dùng các bộ triệt nhiễu MAI. Các bộ triệt nhiễu rất hiệu quả cho đường lên. Việc áp dụng cho đường xuống khĩ khăn hơn do mỗi thuê bao chỉ cĩ thể biết một mã tích cực mà nĩ sử dụng. 3.7.2 Nhiễu ICI Là một trong các loại nhiễu chính của hệ thống MC-CDMA. Khi các sĩng mang phụ khơng hồn tồn trực giao thì thành phần tín hiệu trên kênh con này sẽ gây nhiễu lên thành phần tín hiệu trên kênh con khác hay xuất hiện nhiễu ICI. Hiện tượng Doppler tác động đến tính trực giao của các sĩng mang phụ là nguyên nhân chính gây ra nhiễu ICI. Vì thế, nhiễu ICI chỉ được giảm khi vấn đề đồng bộ tần số được bảo đảm. 3.8 Các phương pháp triệt nhiễu Để cải thiện thêm nữa độ hiệu quả của máy thu, kỹ thuật tách sĩng đa người dùng được sử dụng. Cĩ các phương pháp triệt nhiễu như sau: 3.8.1 Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp (SIC) Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp SIC được thực hiện như sau: Giải điều chế cho một người dùng, tái tạo lại phần nhiễu đa truy cập của người dùng đĩ và loại trừ khỏi dạng sĩng thu được. Sau đĩ dạng sĩng đã triệt bớt 51
  62. nhiễu này sẽ được dùng tách sĩng cho người dùng kế tiếp. Lặp lại quá trình xử lý trên cho đến khi tách sĩng cho tất cả các người dùng. Nếu quyết định sai (cĩ nghĩa là tách sĩng cho người dùng khơng chính xác) thì sẽ tăng gấp đơi phần nhiễu đa truy cập của người dùng đĩ khi tách sĩng cho người dùng kế tiếp.Vì vậy thứ tự được giải điều chế cĩ ảnh hưởng đến hiệu suất của phương pháp triệt nhiễu nối tiếp. Thơng thường, việc giải điều chế được sắp xếp theo thứ tự giảm dần cơng suất thu được và theo các bước sau: - Tính độ tin cậy (dùng EGC hoặc MMSE) cho tất cả các người dung cịn lại. - Chọn một người dùng cĩ độ tin cậy cao nhất và trừ khỏi thành phần tín hiệu của người dùng mong muốn. - Lặp lại 2 bước trên cho đến khi chọn được người dùng mong muốn. Ra quyết định cuối cùng cho người dùng mong muốn. Khi thưc hiện thực tế bộ triệt nhiễu nối tiếp ta quan tâm đến các đặc điểm sau: - Yêu cầu phải biết đến biên độ thu được. Bất kỳ sai sĩt nào trong việc ước lượng biên độ thu được sẽ chuyển đổi trực tiếp thành nhiễu cho các quyết định tiếp theo. - Các người dùng yếu hơn người dùng quan tâm được bỏ đi. - Bộ triệt nhiễu nối tiếp khơng yêu cầu các phép tính số học đối với các tương quan chéo ngồi tích của chúng với biên độ thu được. - Độ phức tạp trên bit là tuyến tính theo số lượng các người dùng. - Thời gian trễ khi giải điều chế bằng bộ triệt nhiễu nối tiếp tăng tuyến tính theo số lượng người dùng. - Một khuyết điểm của triệt nhiễu nối tiếp là hiệu suất khơng đối xứng: các người dùng cĩ cùng cơng suất được giải điều chế với độ tin cậy khác nhau. 52
  63. 3.8.2 Phương pháp triệt nhiễu song song (PIC) Ngược với bộ triệt nhiễu nối tiếp là lần lượt giải điều chế cho các người dùng, sử dụng các bộ quyết định thử nghiệm thử nghiệm từ tầng trước đĩ (các ngõ ra của bộ tách sĩng bất kỳ) để ước lượng và loại trừ tất cả nhiễu MAI cho mỗi người dùng. Quá trình xử lý cĩ thể lặp lại nhiều lần tạo nên bộ triệt nhiễu song song nhiều tầng, với hi vọng tăng độ tin cậy của các quyết định thử nghiệm khi ước lượng nhiễu đa truy cập. Tầng 1: Tầng 2: Tầng 2: bộ tách bộ triệt nhiễu bộ triệt nhiễu song song thứ sĩng bất kỳ song song thứ nhất m-1 Hình 3.5 Sơ đồ triệt nhiễu song song nhiều tầng. Đối với hệ thống MC-CDMA, độ hiệu quả của các giải thuật dựa trên PIC phụ thuộc mạnh vào chất lượng của việc ước lượng MAI với can nhiễu đa truy cập được khơi phục từ hệ số kênh truyền và ước lượng dữ liệu cho các người dùng. Vì vậy hiệu quả của tầng đầu tiên (nhờ đĩ mà việc ước lượng dữ liệu đạt được) cĩ quan hệ gần gũi với độ hiệu quả của máy thu PIC. Do vậy, tín hiệu triệt nhiễu MAI chủ yếu là ở tầng thứ nhất này, một số phương pháp dị tín hiệu người dùng được áp dụng trong tầng này. Phương pháp triệt can nhiễu song song giả sử máy thu biết tất cả mã trải phổ của các người dùng, trạng thái kênh truyền đối với mỗi sĩng mang phụ của mỗi người dùng và biết chính xác số người dùng trong hệ thống. Tuy nhiên, việc lựa chọn chúng giống nhau sẽ làm giảm độ phức tạp của máy thu. Bởi vì độ hiệu quả của PIC phụ thuộc vào độ hiệu quả của tầng khởi đầu của máy thu nên việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của tầng thứ nhất là thật sự rất cần thiết. 3.9 Vấn đề dịch của tần số sĩng mang trong hệ thống MC-CDMA Hiệu quả của hệ thống MC-CDMA bị suy giảm nghiêm trọng theo dịch tần số. Cĩ hai nguyên nhân chính gây ra dịch tần số: 53
  64. - Trải Doppler do thiết bị di động ở tốc độ cao. - Sai lệch giữa bộ tạo dao động cho các sĩng mang ở phía máy phát và ở phía máy thu. Các dịch tần số do sự đồng bộ khơng chính xác giữa bộ tạo dao động ở phía máy phát và máy thu như nhau đối với tất cả các sĩng mang phụ. Trái lại, các dịch tần số do hiệu ứng Doppler lại khác nhau đối với từng song mang phụ bởi vì nĩ là hàm theo tấn số. Tuy nhiên, đối với các hệ thống thơng tin di động hoạt động ở tần số sĩng mang điển hình 2 Ghz và chiếm một băng thơng 1Mhz thì sai lệch tần số tối đa giữa các sĩng mang phụ do hiệu ứng Doppler là khoảng 0-5 Mhz. Vì sai lệch này là rất nhỏ (cĩ thể bỏ qua) so với khoảng cách giữa các sĩng mang phụ là khoảng 30 Khz nên chúng ta xem xét dịch tần số do trải Doppler là một hiện tượng cĩ đặc tính giống nhau trên tất cả các sĩng mang phụ. Dịch tần số trong hệ thống MC-CDMA gây ra 2 ảnh hưởng nghiêm trọng: - Thứ nhất, nĩ làm suy giảm biên độ của tín hiệu mong muốn. - Thứ hai, nĩ làm mất tính trực giao giữa các sĩng mang phụ. Điều này sẽ dẫn đến nhiễu liên sĩng mang ICI. Để đơn giản cho việc ký hiệu, phần chứng minh sau chỉ tập trung vào một trong P ký tự mà mỗi người dùng phát đi bằng cách cho P=1. Khi đĩ, ‟ N=KMC và T s=Tb (tốc độ bit của dữ liệu). Xét tuyến xuống của hệ thống thơng in di động MC-CDMA cĩ K người dùng đang hoạt động. Đặc điểm của kênh truyền hướng xuống là tất cả các người dùng sẽ trải qua cùng một đặc tính kênh truyền (kênh truyền fading Rayleigh phẳng, nghĩa là kênh truyền cĩ tính chọn lọc tần số trên tồn bộ băng thơng của tín hiệu phát nhưng khơng cĩ tính chọn lọc trên từng sĩng mang phụ) và các người dùng này đồng bộ với nhau. Tín hiệu cao tần s(t) cho ký tự thứ i phát từ trạm gốc là tổng của K tín hiệu băng gốc của các người dùng (tín hiệu của mỗi người dùng cĩ dạng như phương trình (3.1)) được đổi tần lên. Dạng phức của tín hiệu s(t) là: 54
  65. K 1 N 1 ' j2 t mt s(t) = a k (i)d k (m)p(t)e (3.21) k 0 m 0 trong đĩ: fm=fc+m/Tb và p(t)= ps(t) cho bởi cơng thức (3.5); fc: sĩng mang cao tần. Khi hệ thống thoả điều kiện (3.11), mỗi sĩng mang phụ của tất cả các người dùng sẽ trải qua kênh truyền cĩ đáp ứng xung dạng (3.14). Tín hiệu nhận được tại thuê bao di động r(t) của ký tự thứ i cĩ dạng: K 1 N 1 j m j2 fmt r(t) = me a k (i)d k (m)p(t)e n(t) (3.22) k 0 m 0 Phương trình (3.22) thực chất là phương trình (3.7) được viết lại cho ký k j m tự thứ i bằng cách thay P=1 và h m me . Sau khi giải điều chế (cho sĩng mang và cả sĩng mang phụ) ta kết hợp tín hiệu trên mỗi nhánh tương ứng với sĩng mang phụ, ta cĩ biến quyết định cho bit dữ liệu thứ i của người dùng thứ 0: Tb 1 2 N 1 D(i) = e j(2 tfmt n )G (n)r(t)dt (3.23) T 0 b Tb n 0 2 Trong đĩ: ‟ ‟ n , fn là ước lượng pha của tần số sĩng mang phụ thứ n; fn=f n=n/Tb với f n là ước lượng tần số sĩng mang. Thế (3.22) vào (3.23), ta cĩ: Tb 2 NKN1 1 1 1 j(2 fn t n ) j m j 2 f m t D()()()()()() i e G0 nm e a k i d k m p t e n t dt T n0 k 0 n 0 b Tb 2 NKN1 1 1 Tb 2 j(m n )1 j 2 ( f m f n ) t mG0 ( n ) a k ( i ) d k ( m ) e e dt A WGN (3.24) n0 k 0 m 0 T b Tb 2 NKN1 1 1 sin (f f ) T =( G n ) a ( i ) d ( m ) e j () mn n m b A WGN m 0 kk ()f f T n0 k 0 m 0 n m b ‟ Xét biểu thức: (fn-fm)Tb= [(f c+n/Tb) -(fc+m/Tb)]Tb (3.25) Gọi là dịch tần số chuẩn hố: 55
  66. f ' f offset tần số sóng mang thực sự = c c (3.26) khoảng cách giữa hai sóng mang liên tiếp 1 Tb Thì (3.25) được viết lại như sau: (fn-fm)Tb= ( +n-m) (3.27) Sử dụng (3.27), ta cĩ thể viết lại biểu thức: j( m n ) j( m n ) e sin (f n f m )Tb e sin (3.28) ' Trong đĩ n n (n m) (3.29) Thế (3.27) và (3.28) vào (3.24) ta cĩ thu được: N 1 K 1 N 1 1 j( m n ) sin D(i) = mG 0 (n)a k (i)d k (m)e +AWGN n 0 k 0 m 0 n m = S + MAI + ICI1 + ICI2 + AWGN (3.30) Trong đĩ: S là tín hiệu mong muốn MAI là nhiễu đa truy cập ICI1 là nhiễu liên sĩng mang do các chip trong cùng mã trải phổ của người dùng thứ 0 ICI2 là nhiễu liên sĩng mang do các chip trong cùng mã trải phổ của người dùng thứ 0 và của K-1 người dùng khác. AWGN là nhiễu Gauss trắng cộng. Các số hạng trong biểu thức (3.30) được xác định như sau: Các tín hiệu mong muốn S: Từ (3.30) cho k=0 và n=m, ta cĩ: sin N 1 S = a 0 (i) mG 0 (n)d 0 (m) (3.31) m 0 Nhiễu đa truy cập MAI: Với k 0 và n=m, biểu thức (3.30) được rút gọn thành: sin MAI = mG 0 (m)a k (i)d k (m) (3.32) 56
  67. Nhiễu liên sĩng mang do các chip trong cùng mã trải phổ của người dùng thứ 0 ICI1 được tìm bằng cách thay thế k=0 và m n vào (3.29): N 1 N 1 sin 1 j( m n ) ICI1 = a 0 (i) mG 0 (n)d 0 (m) e (3.33) m 0 k 1 n m Nhiễu liên sĩng mang do các chip trong mã trải phổ của người dùng thứ 0 và của K-1 người dùng khác. Nhiễu này được rút ra từ (3.30) với k 0 và m n: sin N 1 K 1 N 1 1 ICI2 = mG 0 (n)a k (i)d 0 (m) (3.34) n 0 m 0 m n n m AWGN N 1 AWGN = G 0 (m)n m (3.35) m 0 Dựa trên các phương trình từ phương trình (3.31) đến (3.35), ta rút ra nhận xét sau: - Tín hiệu mong muốn bị suy hao bởi một hệ số là hàm theo . - Nhiễu đa truy cập cũng bị giảm đi theo . - ICI1 và ICI2 khơng xuất hiện khi =0. Các nhiễu này được xem là nhiễu cộng thêm vào nhiễu đa truy cập. Từ phương trình (3.32) cho thấy nhiễu đa truy cập trung bình đối với mỗi sĩng mang phụ chỉ phụ thuộc vào tỷ số K/N. Do đĩ, đối với hai hệ thống cĩ cùng tỷ số K/N , nhiễu MAI trung bình của chúng đối với mỗi sĩng mang là bằng nhau. Tuy nhiên, khơng giống như nhiễu MAI, nhiễu ICI lại là hàm theo số sĩng mang phụ và số người dùng K. Vì vậy, nếu tổng số sĩng mang phụ của hai hệ thống khác nhau thì ICI của mỗi hệ thống sẽ khác nhau ngay cả nếu tỷ số K/N là giống nhau. Tĩm lại, hệ thống MC-CDMA nào cĩ nhiều sĩng mang phụ hơn do dịch tấn số của sĩng mang phụ ngay cả các hệ thống cĩ cùng K/N. 57
  68. 3.10 Giới hạn BER của hệ thống MC-CDMA Giả sử bit phát là của người dùng thứ 0 là “-1” thì tỷ lệ lỗi BER là xác suất mà D(i) lớn hơn 0 hoặc tương đương với xác suất mà -S nhỏ hơn MAI+ICI1+ICI2+AWGN, nghĩa là: BER = p( -S< MAI+ICI1+ICI2+AWGN) (3.36) Nếu giả sử tất cả các số hạng MAI, ICI1, ICI2, AWGN trong biểu thức (3.29) cĩ phân bố xấp xỉ phân bố Gauss thì BER đối với hệ thống sử dụng MRC là: 1 N MRC BERMRC erfc (3.37) 2 M MRC Trong đĩ: erfc(.) là hàm sai số bổ phụ. sin 2 NMRC= 2 2 N 1 N 1 2K sin K sin N0 DMRC = 2 (3.38) N N n 0 i 0,i n n i E b Với Eb là năng lượng của một bit tin và được định nghĩa như sau: N 1 1 2 Eb= E( m ) Tb (3.39) i 0 2 2 Với E ( m ) là tốn tử kỳ vọng. Ngồi định nghĩa Eb/N0, một thơng số khác cũng rất thường gặp trong việc đánh giá chất lượng của hệ thống là tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR: 2 N.E i SNR = 2 (3.40) Với 2 là cơng suất nhiễu của biến ngẫu nhiên Gauss trên mỗi nhánh của bộ tách sĩng. Như đã biết, BER tối thiểu cĩ thể đạt được với hệ thống đơn người dùng và sử dụng phương pháp MRC. Do đĩ, giới hạn BER của hệ thống MC- CDMA là: 58
  69. 1 1 BERLB = erfc (3.41) 2 2 1 N SNR Biểu thức (3.41) thực ra là biểu thức (3.37) với một số thay đổi nhỏ 0 , K=1. 3.10.1 Phân loại Cơng nghệ MC-CDMA được chia thành 2 nhĩm: . Trải phổ trong miền thời gian MC-DS-CDMA và MT-CDMA : Chuỗi tín hiệu ban đầu sau khi được chuyển từ nối tiếp sang song song được trải phổ bằng mã trải phổ. Sau đĩ các chip của cùng một kí tự sẽ được điều chế trên một sĩng mang. Để phân biệt MC-DS-CDMA và MT-CDMA, người ta dựa vào khoảng cách giữa các sĩng mang phụ. Nếu kí hiệu chu kỳ bit dữ liệu là Tb và chu kỳ chip là Tc thì khoảng cách giữa các sĩng mang phụ trong hệ thống MC-DS-CDMA là 1/Tc cịn trong hệ thống MT- CDMA là 1/Tb. Khoảng cách giữa các sĩng mang phụ Δf và băng thơng hệ thống B được tính theo cơng thức sau: 1 N s N F N P N s f Rs Rs N F T N c N F N c 1 N s Với Rs (N F N P ) (3.42) N c N F N P T N c B N c f N s Rs N s Rs N F T N F Rs là tốc độ tín hiệu ban đầu, Nc là hệ số của bộ chuyển đổi S/P, Ns là chiều dài của mã trải phổ, NF là chiều dài bộ chuyển đổi IFFT, Np là chiều dài của CP. . Trải phổ trong miền tần số MC-CDMA: Chuỗi tín hiệu ban đầu được trải phổ bằng mã trải phổ, sau đĩ mỗi chip của cùng một kí tự sẽ được điều chế trên mỗi sĩng mang khác nhau. MC-CDMA trải phổ trong miền tần 59
  70. số nên khơng 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 Khoảng cách giữa các sĩng mang phụ Δf và băng thơng hệ thống B được tính theo cơng thức sau: 1 N N f R F P R N T s N s F F (3.43) N s N F N P B N s f N s Rs N s Rs N FT N F Nhận xét: So sánh Δf và B của 2 hệ thống, ta nhận thấy: . B bằng nhau, phụ thuộc vào chiều dài mã trải phổ và tốc độ dữ liệu ban đầu. . Δf khác nhau. Đối với hệ thống MC-CDMA, Δf chính bằng tốc độ dữ liệu ban đầu. Cịn đối với hệ thống MC-DS-CDMA thì khoảng cách Δf phụ thuộc vào tốc độ dữ liệu ban đầu, hệ số của bộ S/P và chiều dài mã trải phổ. Các sơ đồ MC-CDMA : Multicarrier DS-CDMA: Hệ thống DS-CDMA đa sĩng mang trải phổ luồng dữ liệu đã được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song trong miền thời gian sử dụng mã trải phổ CDMA. Kết quả dữ liệu trên các sĩng mang trực giao nhau với sự tách biệt nhỏ nhất. Hình 3.6 Bộ phát MC-DS-CDMA 60
  71. Hình 3.7 Mã trải phổ trong MC-DS-CDMA Hình 3.8 Phổ cơng suất của tín hiệu phát th Hệ thống phát MC DS-CDMA cho user j minh họa trong hình 3.6 Nc là số sĩng mang phụ trong hệ thống và mã trải phổ cho user thứ j là C j (t) C jC j C j trong hình 3.7. Phổ cơng suất của tín hiệu trải phổ 1 2 GMD được minh họa trong hình 3.8 Multitone CDMA (MT-CDMA): Các luồng dữ liệu đã được chuyển đổi từ nối tiếp sang song song được trải phổ bằng chuỗi mã trải phổ CDMA trong miền thời gian để phổ của mỗi sĩng mang phụ trước khi trải phổ cĩ thể thỏa mãn điều kiện trực giao với sự tách biệt tần số nhỏ nhất. Do đĩ phổ của mỗi sĩng mang phụ khơng cịn thỏa mãn điều kiện trực giao nữa. Sơ đồ MT-CDMA sử dụng các mã trải phổ dài hơn tỷ lệ với số sĩng mang phụ so với sơ đồ DS-CDMA (đơn sĩng mang ) thơng thường, do đĩ hệ thống cĩ thể đáp ứng được nhiều người sử dụng hơn sơ đồ DS-CDMA. Mã trải phổ cho hệ thống MT- CDMA minh họa trong hình 3.10. Hình 3.9 Mã trải phổ cho hệ thống MT-CDMA 3.11 Ưu điểm của kỷ thuật MC-CDMA Các ưu điểm của kỹ thuật MC-CDMA: 61
  72. . Hiệu quả sử dụng băng tần tốt. . Phân tập tần số hiệu quả. . Cĩ khả năng chống lại ảnh hưởng của fading lựa chọn tần số. . Giải quyết vấn đề nhiễu liên kí tự ISI gặp phải ở hệ thống cĩ tốc độ dữ liệu cao trên các kênh đa đường bằng cách chia băng thơng tín hiệu thành nhiều băng con cĩ tốc độ thấp trực giao nhau. . Tín hiệu được truyền và nhận một cách dễ dàng bằng cách sử dụng thiết bị chuyển đổi FFT mà khơng làm tăng độ phức tạp của máy phát, máy thu. . Bảo mật. 3.12 Nhược điểm của hệ thống MC-CDMA Tuy nhiên, MC-CDMA cũng tồn tại những nhược điểm của CDMA và OFDM: . Khi xét hệ thống MC-CDMA, loại nhiễu đáng quan tâm nhất là nhiễu đa truy nhập MAI (Multiple Access Interference). . Tỷ số đường bao cơng suất đỉnh trên cơng suất trung bình (PAPR) cao nên làm giảm hiệu quả của bộ khuếch đại cơng suất, dẫn đến hiệu suất khơng cao. . Nhạy với dịch tần số sĩng mang. . Nhạy với nhiễu pha. 3.13 Kết luận chương MC-CDMA là một trong những hệ thống đa sĩng mang sử dụng cơng nghệ đa truy nhập CDMA. Nĩ mang theo cả những ưu điểm và khuyết điểm của 2 cơng nghệ truyền dẫn OFDM và đa truy nhập CDMA. Với những ưu điểm nổi trội ,MC-CDMA là một trong những cơng nghệ đa truy nhập chủ yếu của thơng tin di động 4G 62
  73. KẾT LUẬN Sau ba tháng nghiên cứu và thực hiện đề tài dưới sự hướng dẫn tận tình của cơ Nguyễn Thị Hương cùng với sự cố gắng nỗ lực của bản thân, em đã hồn thành đồ án tốt nghiệp của mình theo đúng kế hoạch được giao. Trong đề tài này em đã thực hiện được những vấn đề như sau: - Tìm hiểu về cơng nghệ CDMA, nguyên lý hoạt động, đặc điểm, ưu nhược điểm, ứng dụng trong thực tế. - Kỹ thuật OFDM, nguyên lý hoạt động, sự trực giao sĩng mang, hoạt động của bộ IFFT, FFT , ưu nhược điểm của hệ thống. - Cơng nghệ MC-CDMA, sự kết hợp của CDMA và OFDM tạo ra một hệ thống với nhiều ưu điểm nổi trội là nền tảng để phát triển thơng tin di động trong tương lai. Đồ án tốt nghiệp được thực hiện dưới sự nỗ lực của bản thân và sự chỉ bảo tận tình của giáo viên hướng dẫn tuy nhiên những thiếu xĩt và khiếm khuyết là điều khơng thể tránh khỏi. Em rất mong được những đĩng gĩp ý kiến của thầy cơ giáo trong hội đồng cùng tồn thể các bạn để đồ án của em được hồn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phịng, ngày tháng năm 2013. Sinh viên Nguyễn Thành Hưng 63