Nghiên cứu phương pháp bắt đồng bộ mã cho tín hiệu MC - CDMA

- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC II NGÀNH: CN ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Đề tài: TÌM HIỂU HỆ THỐNG MC-CDMA GVHD: Nguyễn Ngô Lâm SVTH : Trương Quang Phúc MSSV Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2010 Cuốn đồ án môn học II đã hoàn thành đúng thời gian quy định và đạt được một số kết quả nhất định.
- Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang ii Phn A : Gii thiu NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN.
- Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang iii Phn A : Gii thiu LỜI NÓI ĐẦU Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin là một nhu cầu thiết yếu.
- Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọi lúc, mọi nơi.
- Nhu cầu này ngày càng lớn nên số lượng khách hàng sử dụng thông tin di động ngày càng tăng, các mạng thông tin di động vì thế được mở rộng ngày càng nhanh.
- Chính vì vậy, cần phải có các biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thống thông tin di động hiện có.
- Hệ thống CDMA ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗ trợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đó.
- 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 có những đặc điểm nổi trội: chống nhiễu đa đường, có 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 thông tin di động không chỉ đáp ứng nhu cầu vừa đi vừa nói chuyện mà còn 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 sóng mang, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô 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 thông, hệ thống ít phức tạp do việc điều chế và giải điều chế đa sóng 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 thông hiệu quả, tính bảo mật cao và giảm độ phức tạp của hệ thống.
- Chính vì vậy, MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động trong tương lai.
- Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang iv Phn A : Gii thiu MỤC LỤC Trang Phần A: Giới thiệu i Phần B: Nội dung 1 Chương I:Một số vấn đề về thông tin di động 2 1.1 Khái quát về hệ thống thông tin di động tế bào 2 1.2 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động 3 1.3 Kênh truyền vô tuyến 5 1.4 Các kỹ thuật đa truy cập 9 Chương II: Các kỹ thuật trải phổ 13 2.1 Giới thiệu chung 14 2.2 Các kỹ thuật trải phổ 15 2.3 Các chuỗi trải phổ 19 Chương III: Kỹ thuật DS-CDMA 21 3.1 Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã 22 3.2 Máy thu RAKE 23 3.3 Điều khiển công suất 24 3.4 Hệ thống DS- CDMA 26 Chương IV: MC-CDMA 4.1 Kỹ thuật OFDM 32 4.2 Hệ thống MC-CDMA 34 4.3 Kết luận và hướng phát triển đề tài Phần C : Phụ lục và tài liệu tham khảo Phụ luc I :Hình ảnh mô phỏng OFDM 46 Phụ lục II: Hình ảnh mô phỏng MC-CDMA 47 Tài liệu tham khảo 54 Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang v Phn A : Gii thiu Liệt Kê Hình Hình 1.1 Hệ thống di động tế bào Hình 1.2 Sử dụng lại tần số với Cluster gồm 7 cells Hình 1.3 Hiệu ứng đa đường Hình 1.4a Kênh truyền chọn lọc tần số Hình 1.4b Kênh truyền fading phẳng Hình 1.5 Kỹ thuật phân kênh theo tần số Hình 1.6 Kỹ thuật phân kênh theo thời gian Hình 2.1 Kỹ thuật trải phổ nhảy tần Hình 2.2 Máy phát FH-SS Hình 2.3 Máy thu FH-SS Hình 2.4 Nhảy tần nhanh Hình 2.5 Nhảy tần chậm Hình 2.6 Trải phổ nhảy thời gian Hình 2.7 Tín hiệu trải phổ Hình 2.8 Quá trình trải phổ tín hiệu Hình 2.9 Máy phát DS-SS Hình 2.10 Máy thu DS-SS Hình 2.11 Hàm tự tương quan chuỗi PN Hình 3.1 Kỹ thuật CDMA Hình 3.2 Quá trình trải – nén phổ Hình 3.4 Máy thu RAKE Hình 3.5 Điều khiển công suất vòng hở Hình 3.6 Điều khiển công suất vòng kín Hình 4.1 Vấn đề công suất đỉnh Hình 4.2 Tín hiệu vào bộ khuếch đại phi tuyến Hình 4.3 Phương pháp patrial transmit Phần B NỘI DUNG CHƯƠNG I Một số vấn đề về thông tin di động Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 2 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng 1.1 Khái quát về hệ thống thông tin di động tế bào Thay vì dùng các máy phát sóng vô tuyến công suất cực lớn để cung cấp các dịch vụ thông tin di động cho một lượng lớn users trong một vùng rộng lớn thì thông tin tế bào chia các vùng địa lý thành các ô (cell), mỗi ô sử dụng máy phát sóng công suất nhỏ hơn và các bộ điều khiển được gọi là trạm gốc (BS – Base Station).
- Các trạm gốc (BS) được điều khiển bởi Trung tâm chuyển mạch di động (MSC – Mobile Switching Center), các MSC này lại được điều khiển bởi Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN – Public Switched Telephone Network) Hình 1.1.
- Hệ thống di động tế bào Trong hệ thống thông tin di động tế bào, tần số mà các máy di động sử dụng là không cố định ở một kênh nào đó mà thay đổi tùy theo vị trí của user.
- Mỗi ô được gán cho một nhóm tần số.
- Vì vậy, các ô kế cận nhau sử dụng các nhóm tần số khác nhau để tránh nhiễu đồng kênh.
- Còn ở các ô cách xa một khoảng cách nhất định thì có thể sử dụng lại nhóm tần số đó (Frequency Reuse).
- Nhờ vậy mà dung lượng của hệ thống có thể được tăng lên mà không cần tăng thêm dải tần.
- Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 3 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng Hình 1.2.
- Sử dụng lại tần số với cluster gồm 7 cells.
- Ta nhận thấy cứ 1 nhóm 7 cells tần số được sử dụng lại.
- Nhóm 7 cells này được gọi là 1 cluster.
- Ví dụ : cell thứ nhất (được đánh dấu số 1) của cluster này sẽ được sử dụng cùng tần số với cell 1 của cluster kia Khi user di chuyển từ cell này qua cell khác trong khi đang thực hiện cuộc gọi thì MSC sẽ thực hiện định tuyến lại cuộc gọi để không làm gián đoạn cuộc gọi.
- Quá trình này gọi là chuyển vùng (Handoff).
- Những ưu điểm của Hệ thống thông tin di động tế bào.
- Do sử dụng hiệu quả dải tần số mà dung lượng của hệ thống tăng rất nhiều.
- Chất lượng của hệ thống được cải thiện do khả năng chống nhiễu đồng kênh (CCI – Co-Channel Interference.
- 1.2 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 4 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng Thế hệ thứ nhất – 1G.
- Các hệ thống thông tin di động 1G được xây dựng từ những năm 80 Ví dụ: NMT (Nordic Mobile Telephone) của công ty Ericsion, Thụy Điển.
- AMPS (American Mobile Phone System) của công ty AT&T, Mỹ + Dựa trên công nghệ analog, dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA – Frequency Division Multiple Access.
- Cung cấp những dịch vụ chủ yếu là thoại.
- Các hệ thống di động 1G được phát triển trong phạm vi Quốc gia, do đó không có khả năng tương thích lẫn nhau.
- Do yêu cầu thông tin di động ngày càng cao, hơn thế nữa là nhu cầu phải có một hệ thống thông tin di động toàn cầu.
- Vì vậy, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 2 (2G) ra đời.
- Dựa trên công nghệ số, dùng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple Access) và đa truy cập phân chia theo mã (CDMA – Code Division Multiple Access.
- Theo quan điểm người sử dụng, hệ thống 2G hấp dẫn hơn hệ thống 1G bởi Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 5 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng vì ngoài dịch vụ thoại truyền thống, hệ thống 2G còn cung cấp thêm một số dịch vụ truyền dữ liệu, tuy tốc độ còn thấp.
- Chưa thực hiện được hệ thống thông tin di động toàn cầu, do đó trên thị trường tồn tại một số hệ thống di động 2G như GSM (Global System for Mobile Communication), IS-95 (Interim Standard – 95), PDC (Personal Digital Celular.
- Trong đó, GSM được sử dụng rộng rãi nhất.
- Đến những năm 2000, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) ra đời với mục tiêu hình thành một hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới.
- Có khả năng cung cấp những dịch vụ có tốc độ khác nhau như thoại, Internet tốc độ cao, truyền hình ảnh chất lượng cao, nhắn tin đa phương tiện (MMS.
- Các chuẩn cho 3G: IMT-2000, CDMA2000, W-CDMA … Hệ thống di động 3G chưa được áp dụng rộng rãi, nhưng các nghiên cứu về hệ thống 4G, mà công nghệ chủ yếu là các kỹ thuật đa sóng mang, đã được tiến hành và MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá.
- Vì vậy, việc tìm hiểu về Hệ thống thông tin di động dùng kỹ thuật MC-CDMA là cần thiết và mang ý nghĩa thực tế.
- Con đường đi lên 3G của Việt Nam: Các nhà cung cấp dịch vụ di động chính ở Việt Nam là Mobifone, Vinaphone, S-Fone và Viettel.
- Con đường đi lên 3G từ các công nghệ khác nhau đều đã có: các nhà khai thác GSM sẽ đi lên W-CDMA, còn các nhà cung cấp sử dụng công nghệ CDMA sẽ tiến lên CDMA2000.
- Năm 2004, Ericsson đã cùng Mobifone thử nghiệm thành công dịch vụ di động 3G.
- Hiện nay các nhà mạng đã và đang triển khai dịch vụ 3G trên khắp cả nước.
- 1.3 Kênh truyền vô tuyến Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu.
- Không giống như kênh truyền hữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 6 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng hoàn toàn ngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích.
- Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối.
- các hiện tượng này được gọi chung là Fading.
- Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát.
- Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vô tuyến.
- 1.3.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền a.Hiệu ứng đa đường (multipath) Hình 1.3 Hiệu ứng đa đường Nhiễu đa đường là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ … của tín hiệu trên kênh truyền vô 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).
- Tín hiệu thu được tại máy thu là tổng của các thành phần này, là một tín hiệu phức tạp với biên độ và pha thay đổi rất nhiều so với tín hiệu ban đầu.
- Hiệu ứng Doppler Gây ra bởi sự chuyển động tương đối của máy thu và máy phát và sự di chuyển của các đối tượng trong kênh truyền vô tuyến.
- Khi sự chuyển động tương đối này càng nhanh thì tần số Doppler càng lớn, và do đó tốc độ thay đổi của kênh truyền càng nhanh.
- Hiệu ứng này được gọi là fading nhanh (fast fading).
- Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 7 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng c.
- Hiệu ứng bóng râm (shadowing) Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhà cao tầng, các ngọn núi, đồi … làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm.
- Vì vậy, hiệu ứng này được gọi là fading chậm (slow fading).
- 1.3.2 Các dạng kênh truyền Tùy theo đáp ứng tần số của kênh truyền và băng thông của tín hiệu phát mà ta có + Kênh truyền chọn lọc tần số hay Kênh truyền Fading phẳng + Kênh truyền chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truyền biến đổi nhanh (Fast Channel)) hay Kênh truyền không chọn lọc thời gian (hay còn gọi là Kênh truyền biến đổi chậm (Slow Channel).
- Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền fading phẳng (Frequency Selective Channel và Flat Channel hay Frequency Nonselective Channel) Mỗi kênh truyền đều tồn tại một khoảng tần số mà trong khoảng đó, đáp ứng tần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảng tần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1.4 là f0.
- Hình 1.4a Kênh truyền chọn lọc tần số (f0 < W) Trên hình 1.4a, ta nhận thấy kênh truyền có f0 nhỏ hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát.
- Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 8 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng truyền không cho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyền đi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau.
- Dạng kênh truyền như vậy được gọi là kênh truyền chọn lọc tần số .
- Hình 1.4b Kênh truyền fading phẳng (f0 > W) Ngược lại, trên hình 1.4b, kênh truyền có f0 lớn hơn nhiều so với băng thông của tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sự suy giảm và dịch pha gần như nhau.
- Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là Kênh truyền fading phẳng hoặc Kênh truyền không chọn lọc tần số.
- Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc thời gian (Time Selective Channel và Time Nonselective Channel) Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trên đường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuất hiện và những vật thể cũ mất đi … Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phản xạ, tán xạ … qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổi theo thời gian.
- Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherent time.
- Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi rất ít (có thể xem là phẳng về thời gian).
- Khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất lớn so với coherent time thì kênh truyền đó được gọi là Kênh truyền chọn lọc thời gian.
- Ngược lại, khi ta truyền tín hiệu với chu kỳ ký hiệu (symbol duration) rất nhỏ so với coherent time thì kênh truyền đó là được gọi là Kênh truyền không chọn lọc thời Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 9 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng gian hay phẳng về thời gian.
- Xét kênh truyền điển hình trong MC-CDMA Với một kênh fading chọn lọc tần số, chúng ta giả sử có một kênh WSSUS với L đường dẫn nhận được ở dạng phức tương đương một đáp ứng xung dãi nền.
- Giả sử với một kênh truyền độc lập và đồng nhất cho mỗi người dùng, tuyến thứ l là một biến Gaussian phức độc lập lẫn nhau với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai là 2l, đặc tính trễ đa đường của kênh truyền được cho bởi.
- (1.2) Và hàm tương quan khoảng cách tần số của kênh được cho bởi công thức.
- (1.3) Hình 9.1 cho thấy đặc điểm của trễ đa đường.
- 1.4 Các kỹ thuật đa truy cập 1.4.1 Giới thiệu chung Trong bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến nào, dải băng tần được cho phép sử dụng là luôn bị giới hạn.
- Vì vậy, việc chia sẻ kênh truyền để nhiều users Tìm hiu h thng MC-CDMA Trang 10 Chng I : Mt s vn đ v thông tin di đng có thể sử dụng đồng thời là một nhu cầu cấp thiết.
- Các kỹ thuật đa truy nhập ra đời từ đó.
- Có ba kỹ thuật chính được sử dụng, đó là: FDMA – Frequency Division Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo tần số TDMA – Time Division Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo thời gian CDMA – Code Division Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo mã Chúng ta tưởng tượng dải băng tần sử dụng là một căn phòng lớn.
- TDMA: tất cả các cặp tập trung trong một phòng lớn và thay phiên nhau nói chuyện, mỗi cặp được nói chuyện trong một khoảng thời gian nhất định.
- 1.4.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) Kỹ thuật phân kênh theo tần số ra đời đầu tiên.
- Với kỹ thuật này, mỗi user được cấp một kênh (hay khoảng tần số) riêng như hình 1.5.
- Như vậy, trong FDMA, toàn bộ băng tần được chia thành những khoảng tần số khác nhau và những khoảng tần số này được ấn định cho từng user.
- Không user nào được chia sẻ kênh của mình cho user khác ngay cả khi nó không được sử dụng (kênh ở trạng thái rảnh).
- Hình 1.5 Kỹ thuật phân kênh theo tần số Chính vì vậy, việc sử dụng tần số bị giới hạn và trở nên kém hiệu quả.
- Tuy nhiên, do mỗi user truyền và nhận tín hiệu trên kênh riêng của mình nên những users trong cùng một tế bào (cell) không gây nhiễu cho nhau ( trường hợp lý

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt