Your SlideShare is downloading. ×
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
6630300 damh1-mc-cdma
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×

Thanks for flagging this SlideShare!

Oops! An error has occurred.

×
Saving this for later? Get the SlideShare app to save on your phone or tablet. Read anywhere, anytime – even offline.
Text the download link to your phone
Standard text messaging rates apply

6630300 damh1-mc-cdma

1,472

Published on

0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total Views
1,472
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
87
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

Report content
Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
No notes for slide

Transcript

  • 1. LỜI NÓI ĐẦU Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu trao đổi thông tin là một nhu cầu thiếtyếu. Các hệ thống thông tin di động ra đời tạo cho con người khả năng thông tin mọilúc, mọi nơi. Nhu cầu này ngày càng lớn nên số lượng khách hàng sử dụng thông tindi động ngày càng tăng, các mạng thông tin di động vì thế được mở rộng ngày càngnhanh. Chính vì vậy, cần phải có các biện pháp tăng dung lượng cho các hệ thốngthông tin di động hiện có. Hệ thống CDMA ra đời và đã chứng tỏ được khả năng hỗtrợ nhiều user hơn so với các hệ thống trước đó. Hơn nữa, so với hai phương phápđa truy nhập truyền thống là phân chia theo tần số FDMA và phân chia theo thời gianTDMA thì phương pháp truy nhập phân chia theo mã CDMA có những đặc điểm nổitrội: chống nhiễu đa đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độkhác nhau… Tuy nhiên, trong tương lai, nhu cầu về các dịch vụ số liệu sẽ ngày càngtăng, mạng thông tin di động không chỉ đáp ứng nhu cầu vừa đi vừa nói chuyện màcòn 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 quantâm. 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 điểmcủa 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 sóngmang bằng giải thuật IFFT và FFT. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, ý tưởng về kỹ thuậtMC-CDMA đã ra đời, dựa trên sự kết hợp của CDMA và OFDM. MC-CDMA kế thừatất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM: tốc độ truyền cao, tính bền vững vớifading chọn lọc tần số, sử dụng băng thông hiệu quả, tính bảo mật cao và giảm độphức tạp của hệ thống. Chính vì vậy, MC-CDMA là một ứng cử viên sáng giá cho hệthống thông tin di động trong tương lai. Nhiệm vụ của đề tài: Tìm hiểu mạng thông tin di động sử dụng kỹ thuật MC-CDMA (Multicarrier –Code Division Multiple Access).
  • 2. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Mục lục TÌM HIỂU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG DÙNG KỸ THUẬT MC – CDMALời nói đầuChương 1: GIỚI THIỆU CHUNG 11.1 Khái quát về Hệ thống di động tế bào 11.2 Sự phát triển của Hệ thống thông tin di động 3 Thế hệ thứ nhất (1G) 3 Thế hệ thứ hai (2G) 4 Thế hệ thứ 3 (3G) 4 Con đường đi lên 3G của Việt Nam 41.3 Kênh truyền vô tuyến và các hiện tượng ảnh hưởngđến chất lượng kênh truyền 5 1.3.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 5 a. Hiệu ứng đa đường (Multipath) 5 b. Hiệu ứng Dopler 6 c. Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) 6 1.3.2 Các dạng kênh truyền 6 a. Kênh truyền chọn lọc tần số và Kênh truyền Fading phẳng 6 b. Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thời gian 81.4 Các kỹ thuật đa truy nhập 9 1.4.1 Giới thiệu chung 9 1.4.2 FDMA : Đa truy nhập phân chia theo tần số 10 1.4.3 TDMA : Đa truy nhập phân chia theo thời gian 11 1.4.4 CDMA : Đa truy nhập phân chia theo mã 12Chương 2: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ (CDMA) 132.1 Giới thiệu 132.2 Kỹ thuật trải phổ 13 2.2.1 Giới thiệu chung 2.2.2 Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBS) 15 2.2.3 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS) 16 2.2.4 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số (FH – SS) 19 2.2.5 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian (TH – SS) 22 2.2.6 Các chuỗi trải phổ 232.3 Nguyên lý CDMA 242.4 Máy thu RAKE 25 Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA
  • 3. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Mục lục2.5 Điều khiển công suất 26 2.5.1 Hiệu ứng Gần – Xa 26 2.5.2 Điều khiển công suất 272.6 Chuyển giao (Handoff) 27 2.6.1 Chuyển giao mềm 28 2.6.2 Chuyển giao cứng 282.7 Hệ hống DS – CDMA 292.8 W – CDMA (Wideband – Code Division Multiple Access) 29Chương 3: MC – CDMA (Multi Carrier Code Division Multiplexing Access) 313.1 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 31 3.1.1 Giới thiệu 31 3.1.2 Nguyên tắc cơ bản của OFDM 32 3.1.3 Tính trực giao 33 3.1.4 Hệ thống OFDM 36 3.1.5 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ 38 3.1.6 Ưu, khuyết điểm của OFDM 40 3.1.7 Kết luận 403.2 MC – CDMA 41 3.2.1 Giới thiệu 41 3.2.2 Nguyên lý chung của kỹ thuật MC – CDMA 42 3.2.3 Máy phát và máy thu MC – CDMA theo mô hình 1 433.3 Ưu, khuyết điểm của hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC – CDMA 45 3.3.1 Ưu điểm 45 3.3.2 Khuyết điểm 453.4 Sự khác nhau giữa MC – CDMA và OFDMA 46Kết luận và hướng phát triển đề tài 47Các chữ viết tắt 48Tài liệu tham khảo 50 Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA
  • 4. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chungCHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG1.1 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG DI ĐỘNG TẾ BÀO Thay vì dùng các máy phát sóng vô tuyến công suất cực lớn để cung cấp cácdịch vụ thông tin di động cho một lượng lớn users trong một vùng rộng lớn thì thôngtin tế bào chia các vùng địa lý thành các ô (cell), mỗi ô sử dụng máy phát sóng côngsuất nhỏ hơn và các bộ điều khiển được gọi là trạm gốc (BS – Base Station). Các ônày kết hợp lại tạo thành mạng tế bào như hình 1.1. 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 Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 1
  • 5. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung Trong hệ thống thông tin di động tế bào, tần số mà các máy di động sử dụnglà không cố định ở một kênh nào đó mà thay đổi tùy theo vị trí của user. Mỗi ô đượcgán cho một nhóm tần số. Vì vậy, các ô kế cận nhau sử dụng các nhóm tần số khácnhau để tránh nhiễu đồng kênh. Còn ở các ô cách xa một khoảng cách nhất định thìcó thể sử dụng lại nhóm tần số đó (Frequency Reuse). Nhờ vậy mà dung lượng củahệ thống có thể được tăng lên mà không cần tăng thêm dải tần. Điều này được minh hoạ trong hình 1.2. Ta nhận thấy cứ một 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 số 1) của cluster này sẽ sử dụng cùng tần số với cell 1 của cluster khác.Hình 1.2. Sử dụng lại tần số với cluster gồm 7 cells. Khi user di chuyển từ cell này qua cell khác trong khi đang thực hiện cuộc gọithì MSC sẽ thực hiện định tuyến lại cuộc gọi để không làm gián đoạn cuộc gọi. Quátrình 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). + Tăng chất lượng truy cập và chuyển vùng giữa các cell. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 2
  • 6. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung1.2 SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Thông tin di động đã phát triển qua các thế hệ khác nhau. 3th Generation (3G) (2000s) Digital Voice, Internet, Media W-CDMA , CDMA2000, 2nd Generation (2G) IMT-2000… (1990s) Digital Voice & Data 1stGeneration (1G) GSM, IS-95, PDC… (1980s) Analog Voice AMPS, NMT …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. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 3
  • 7. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chungThế hệ thứ hai – 2G : + Được phát triển ngay trong thập niên 90. + 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 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 mụctiêu hình thành một hệ thống thông tin di động duy nhất trên toàn thế giới. + Dựa trên công nghệ số với sự khẳng định ưu thế vượt trội của CDMA . + 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: Hiện nay, 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 đềuđã có: các nhà khai thác GSM sẽ đi lên W-CDMA, còn các nhà cung cấp sử dụngcông nghệ CDMA sẽ tiến lên CDMA2000. Bây giờ chỉ còn việc xác định thời điểmtriển khai cho phù hợp. Năm 2004, Ericsson đã cùng Mobifone thử nghiệm thành công dịch vụ di động3G. Vào cuối năm nay, nhà cung cấp này dự định sẽ đưa ra dịch vụ 2,5G hay còngọi là EDGE. Trong khi đó, Vinaphone và Viettel vẫn đang sử dụng công nghệ thuộcthế hệ thứ 2 (2G). Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 4
  • 8. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung Tính đến nay, S-Fone là nhà cung cấp đầu tiên và duy nhất sử dụng công nghệCDMA. Chuẩn mà S-Fone đang sử dụng là CDMA2000 1X, chuẩn này chỉ cáchchuẩn 3G CDMA 2000 1X Evdo một khoảng không xa. Vì vậy, S-Fone sẽ có khảnăng tiến nhanh hơn trên con đường hướng tới 3G. Mặc dù hiện nay đa số thuê bao di động ở nước ta chưa có nhiều nhu cầu gì kháchơn ngoài nhu cầu đàm thoại di động, nhưng theo tuyên bố của các nhà đầu tư thìđầu năm sau (2006), mạng 3G của Việt Nam sẽ được triển khai. (theo www.vtv.vn/vi-vn/VTV1/cuocsongso/2005/12/73939.vtv)1.3 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơimà tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyềnhữu tuyến là ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là hoàn toànngẫu nhiên và không hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, quakênh truyền vô tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ(reflection), tán xạ (scattering), nhiễu xạ (diffraction)…, các hiện tượng này được gọichung là Fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhaucủa tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống thông tin vôtuyến. 1.3.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền: a. Hiệu ứng đa đường (Multipath) 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. Hình 1.3. Hiệu ứng đa đường Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 5
  • 9. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung b. Hiệu ứng Doppler: Gây ra bởi sự chuyển động tương đối của máy thu và máy phát và sự dichuyển của các đối tượng trong kênh truyền vô tuyến. Khi sự chuyển động tương đốinày càng nhanh thì tần số Doppler càng lớn, và do đó tốc độ thay đổi của kênhtruyền càng nhanh. Hiệu ứng này được gọi là fading nhanh (fast fading). c. Hiệu ứng bóng râm (Shadowing) Do ảnh hưởng của các vật cản trở trên đường truyền, ví dụ như các toà nhàcao tầng, các ngọn núi, đồi … làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm. Tuy nhiên, hiệntượng này chỉ xảy ra trên một khoảng cách lớn, nên tốc độ biến đổi chậm. 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)). a. 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 ứngtần số của kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng), khoảngtần số này được gọi là Coherent Bandwidth và được ký hiệu trên hình 1.4 là f0. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 6
  • 10. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung 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 băngthông của tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số trên băng tần, kênh truyền khôngcho tín hiệu đi qua, và những thành phần tần số khác nhau của tín hiệu được truyềnđi chịu sự suy giảm và dịch pha khác nhau. Dạng kênh truyền như vậy được gọi làkênh 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 thôngcủa tín hiệu phát, mọi thành phần tấn số của tín hiệu được truyền qua kênh chịu sựsuy giảm và dịch pha gần như nhau. Chính vì vậy, kênh truyền này được gọi là Kênhtruyền fading phẳng hoặc Kênh truyền không chọn lọc tần số. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 7
  • 11. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung b. Kênh truyền chọn lọc thời gian và Kênh truyền không chọn lọc thờigian (Time Selective Channel và Time Nonselective Channel) Kênh truyền vô tuyến luôn thay đổi liên tục theo thời gian, vì các vật chất trênđường truyền luôn thay đổi về ví trí, vận tốc…, luôn luôn có những vật thể mới xuấthiện và những vật thể cũ mất đi … Sóng điện từ lan truyền trên đường truyền phảnxạ, tán xạ … qua những vật thể này nên hướng, góc pha, biên độ cũng luôn thay đổitheo thời gian. Tính chất này của kênh truyền được mô tả bằng một tham số, gọi là coherenttime. Đó là khoảng thời gian mà trong đó, đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổirất 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 coherenttime 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 vớicoherent time thì kênh truyền đó là được gọi là Kênh truyền không chọn lọc thời gianhay phẳng về thời gian. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 8
  • 12. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung1.4 CÁC KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP (Multiple Access Techniques) 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 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. Khi đó: FDMA: căn phòng lớn được chia thành nhiều phòng nhỏ, mỗi cặp đựơc cấp một phòng để nói chuyện. 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. CDMA: tất cả các cặp tập trung trong một phòng và đồng thời nói chuyện, mỗi cặp nói chuyện bằng một ngôn ngữ riêng. Khi âm lượng của các cặp càng nhỏ thì số cặp có thể tồn tại trong phòng (mà không gây nhiễu lẫn nhau) càng lớn. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 9
  • 13. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung 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 (FDMA) 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 tưởng). Nhưng do yêu cầu cần có một số lượng lớn người sử dụng trong mạng, các khoảng tần số sẽ được sử dụng lại ở các tế bào khác. Chình vì vậy có thể user ở tế bào A gây nhiễu cho một user ở tế bào B gần đó do hai người cùng sử dụng chung một khoảng tần số. Nhiễu này gọi là nhiễu đồng kênh CCI (co- channel interference). Ưu điểm: + Băng thông của mỗi kênh là tương đối hẹp nên hạn chế được fading chọn lọc tần số. + Các tính toán cho hệ thống sử dụng FDMA khá đơn giản. + Việc đồng bộ là tương đối đơn giản. Khuyết điểm: + Mỗi user chỉ được cấp cho một khoảng tần số nhất định nên tốc độ bit tối đa trên một kênh là cố định và do đó, hệ thống FDMA không thích hợp với truyền dẫn số. + Cần phải có khoảng băng tần bảo vệ để giảm thiểu nhiễu xuyên kênh và để có thể sử dụng bộ lọc lọc lấy khoảng tần số mong muốn. + Cần bộ lọc băng hẹp tốt. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 10
  • 14. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung 1.4.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Kỹ thuật phân kênh theo thời gian được ra đời sau kỹ thuật phân chia theo tần số với hiệu quả sử dụng kênh truyền cao hơn. Với TDM, mỗi user có thể sử dụng toàn bộ băng tần nhưng trong một khoảng thời gian nhất định nào đó. Vì vậy, các user khác nhau có thể truyền và nhận tin tức, từng người từng người một, trên cùng một khoảng băng tần nhưng tại những thời điểm khác nhau. Điều này được minh họa trong hình 1.6. Như vậy, về mặt lý thuyết, các users trong cùng một tế bào cũng không gây nhiễu cho. Tuy nhiên, trong cùng một thời điểm cũng có thể có một user ở tế bào bên cạnh truyền và nhận tín hiệu cho nên trong cách truy nhập này cũng xuất hiện nhiễu đồng kênh CCI.Hình 1.6. Kỹ thuật phân kênh theo thời gian (TDMA) Ưu điểm: + Thích hợp với truyền dẫn số do có thể linh động tốc độ bit cho các kênh. + Không cần khoảng băng tần bảo vệ nên tiết kiệm được băng tần. + Không cần bộ lọc băng hẹp tốt. + Cho phép tận dụng tất cả những ưu điểm của kỹ thuật số. Khuyết điểm: + Cần phải có sự đồng bộ thời gian chính xác để có thể ghép kênh và tách kênh ở máy phát và máy thu. + Bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 11
  • 15. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 1: Giới thiệu chung 1.4.4 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Mỗi user được gán cho một chuỗi mã xác định thuộc tập mã trực giao, và do đó tất cả các user có thể sử dụng chung khoảng băng tần trong cùng một khoảng thời gian như trong hình 1.7. Hình 1.7. Kỹ thuật phân kênh theo mã (CDMA) Ưu điểm: + Sử dụng hiệu quả băng tần. + Về mặt lý thuyết, hệ thống sử dụng CDMA không giới hạn số lượng user sử dụng. + Giảm được ảnh hưởng của nhiễu đa đường. + Tính bảo mật cao do người ngoài rất khó xác định được quy luật của chuỗi mã sử dụng, do đó khó khôi phục được tín hiệu thu được. Khuyết điểm: + Chất lượng thông tin giảm khi số user tăng. + Bị ảnh hưởng của hiện tượng gần – xa, do đó cần phải áp dụng kỹ thuật điều khiển công suất một cách chính xác. + Cần phải có sự đồng bộ mã trải phổ chính xác để thu đúng tín hiệu. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 12
  • 16. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mãCHƯƠNG 2: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ (CDMA)2.1 GIỚI THIỆU Vấn đề bảo mật thông tin trên đường truyền là hết sức quan trọng, nhất là đốivới lĩnh vực Quân sự. Chính vì vậy, kỹ thuật trải phổ đã ra đời từ hơn nửa thế kỷqua, nhằm tăng tính bảo mật của thông tin truyền trong môi trường vô tuyến, chốnglại những nguồn gây nhiễu có chủ ý hoặc ý định nghe trộm của đối phương. Đạtđược điều đó là nhờ việc trải rộng phổ tín hiệu để không thể phân biệt với tạp âmnền. Ngày nay, kỹ thuật CDMA ra đời, dựa trên nguyên lý trải phổ, đã được sử dụngrộng rãi cho thông tin di động trên toàn thế giới. CDMA đã chứng tỏ được khả năngvượt trội so với các kỹ thuật analog hoặc digital khác. Để tìm hiểu về CDMA, trước tiên chúng ta sẽ tìm hiểu về kỹ thuật trải phổ.2.2 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ 2.2.1 Giới thiệu chung Mục đích: Làm cho tín hiệu được phát giống như tạp âm đối với các máy thu không mong muốn, làm cho các máy thu này khó 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 hoá bản tin. Tuy nhiên, máy thu chủ định phải biết mã này để có 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 có độ rộng băng tần lớn hơn nhiều so với độ rộng băng tần của bản tin. Bản tin được mã hóa sao cho tín hiệu sau khi mã hoá có 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. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 13
  • 17. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã Một hệ thống thông tin được xem là trải phổ khi thỏa 2 điều kiện: + Băng thông tín hiệu đã trải phổ lớn hơn rất nhiều so với băng thông tín hiệu thôngtin. + Mã dùng để trải phổ độc lập với tín hiệu thông tin. Ưu điểm của kỹ thuật thông 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. Đó là do mỗi user đã được cấp một mã trải phổ riêng biệt, khi máy thu nhận được tín hiệu từ nhiều user, nó tiến hành giải mã và tách ra tín hiệu mong muốn. + Tính bảo mật thông tin cao: Mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ rất thấp, gần như mức nhiễu nền. Do đó, các máy thu không mong muốn khó 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 có 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 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). Vì vậy tín hiệu thu được ở máy thu đã bị sai lệch, không giống tín hiệu phát đi. Sử dụng kỹ thuật trải phổ có thể tránh được nhiễu đa đường khi tín hiệu trải phổ sử dụng tốt tính chất tự tương quan của nó. Các kỹ thuật trải phổ gồm ba nhóm chính: Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 14
  • 18. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã2.2.2 Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên (PRBS: Pseudo Random Binary Sequence) Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên là chuỗi tín hiệu nhị phân tuần hoàn nhưng có chu kỳ lặp lại rất lớn, do đó nếu không được biết trước quy luật của nó, người quan sát khó nhận biết được quy luật. Ta gọi đó là chuỗi giả ngẫu nhiên. Chuỗi PRBS được tạo ra từ mạch chuỗi gồm N D-FlipFlop ghép liên tiếp nhau như hình 2.1 Hình 2.1.Sơ đồ mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên Tùy theo vị trí đóng mở của các khoá mà ta có các tín hiệu hồi tiếp về khácnhau. Có tối đa 2N – 1 trạng thái của N D-FF, loại bỏ trạng thái 00…0 vì nếu xuấthiện trạng thái này thì tín hiệu hồi tiếp về sẽ bằng không và các trạng thái sau đó đềubằng không. Vì vậy, chiều dài cực đại của chuỗi là L = 2N – 1.Tính chất của chuỗi PRBS:+ Số bit 0 và số bit 1 trong một chu kỳ chuỗi gần bằng nhau.+ Tương quan chéo giữa mã PRBS và phiên bản bị dịch theo thời gian của nó rấtnhỏ.Trong một chu kỳ: Giá trị tương quan chéo của chuỗi là “ –1/L” Giá trị tự tương quan của chuỗi là “1” Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 15
  • 19. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã Hình 2.2. Đồ thị hàm tự tương quan của chuỗi PRBS2.2.3 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum) Nguyên lý cơ bản: Tín hiệu truyền đi được biểu diễn dưới dạng lưỡng cực, sau đó nhân trực tiếp với chuỗi giả ngẫu nhiên. Ở máy thu, tín hiệu thu được nhân với chuỗi trải phổ lần nữa để tạo lại tín hiệu tin tức. Hình 2.3.Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 16
  • 20. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã Tín hiệu cần truyền đi là d(t), có dạng NRZ với d(t) = ±1, tốc độ bit fb. Thực hiện nhân d(t) với chuỗi giả ngẫu nhiên g(t) có tốc độ bit fc với fc >> fb. Như vậy: g(t) , d(t) = +1 d(t).g(t) = – g(t) , d(t) = –1 Vì tốc độ bit fc của chuỗi giả ngẫu nhiên lớn hơn nhiều so với tốc độ bit fb của chuỗi tín hiệu truyền đi, nên tín hiệu d(t) sẽ bị chia nhỏ với tần số rất cao. Tần số này được gọi là tốc độ chip. Sau đó, chuỗi tích số d(t).g(t) được điều chế BPSK hoặc QPSK. Giả sử ta dùng điều chế BPSK, tín hiệu sau điều chế có biểu thức: v DS−SS ( t ) = 2PS d ( t ) ⋅ g ( t ) ⋅ cos w 0 t [V] (1) Trong đó: PS là công suất phát [W] wo là tần số sóng mang [rad/s] Nếu so sánh (1) với biểu thức của BPSK: v BPSK ( t ) = 2PS d( t ) ⋅ cos w 0 t , ta nhận thấy: với cùng công suất phát PS, chuỗi số d(t).g(t) có tốc độ chip fc chiếm dải phổ tần rộng hơn rất nhiều so với tín hiệu vBPSK có tốc độ bit fb, vì vậy, mật độ phổ công suất của tín hiệu trải phổ trải phổ vDS-SS thấp hơn nhiều so với mật độ phổ công suất của tín hiệu không trải phổ vBPSK. Nếu fc đủ lớn, mật độ phổ này sẽ rất thấp và xen lẫn với mức nhiễu nền khiến cho các máy thu thông thường rất khó khăn trong việc tách và lấy ra tín hiệu tin tức. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 17
  • 21. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã Hình 2.4. Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ Tại máy thu, tín hiệu vDS-SS được nhân với tín hiệu giả ngẫu nhiên gr(t) được tái tạo ở máy thu, giải điều chế BPSK để thu lại tín hiệu tin tức ban đầu. Hình 2.5 Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 18
  • 22. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã Ưu điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp: + Có khả năng thực hiện đa truy cập mà không cần đồng bộ giữa các máy phát. + Việc tạo ra các tín hiệu mã hoá tương đối đơn giản do chỉ cần sử dụng các bộ nhân.. + Việc tổng hợp tần số đơn giản do chỉ cần tạo một sóng mang. Khuyết điểm của kỹ thuật trải phổ trực tiếp: + Cặp máy phát – máy thu phải được đồng bộ chip. Để thu đúng, sai số đồng bộ phải nhỏ hơn khoảng Tchip. + Các máy phát gần máy thu có thể gây nhiễu và làm sai lệch tín hiệu từ các máy phát ở xa (hiệu ứng gần – xa).2.2.4 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy tần số(FH – SS: Frequency Hopping Spread Spectrum) Kỹ thuật FH – SS phát triển dựa trên điều chế BFSK, trong đó, tần số sóng mang được thay đổi liên tục theo một quy luật giả ngẫu nhiên (dựa trên chuỗi mã ngẫu nhiên sử dụng), nhờ vậy mà phổ của tín hiệu FH – SS được trải rộng trên trục tần số. Thật vậy, ứng với một tần số sóng mang, dải tần số của tín hiệu BFSK là B, vậy với tín hiệu FH – SS dùng L (L = 2N -1, với N là chiều dài chuỗi mã) trạng thái nhảy tần, phổ tần của tín hiệu FH – SS sẽ trải rộng đến BFH = B x L như hình 2.6. Hình 2.6. Phổ của tín hiệu FH – SS Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 19
  • 23. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã Trong hệ thống trải phổ nhảy tần số, cứ sau một khoảng thời gian TH, tần số sóng mang nhảy đến một tần số khác. Tốc độ nhảy tần fH có thể nhanh hơn hay chậm hơn tốc độ bit fb của tín hiệu thông tin. + Nếu fH ≥ fb : trong khi máy phát phát một bit dữ liệu, có ít nhất một lần nhảy tần số. Và hệ thống được gọi là nhảy tần nhanh (Hình 2.7) Hình 2.7. Trải phổ bằng phương pháp nhảy tần nhanh + Nếu fH < fb : sau mỗi lần nhảy tần, máy phát phát liên tiếp một số bit trước khi nhảy sang một tần số khác. Và hệ thống được gọi là nhảy tần chậm (Hình 2.8) Hình 2.8. Trải phổ bằng phương pháp nhảy tần chậm Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 20
  • 24. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã Tín hiệu FH – SS được tạo bởi mạch tổng hợp tần số điều khiển bởi N+1 bit,trong đó bao gồm N bits của từ mã giả ngẫu nhiên và 1 bit số d(t) của tín hiệu thôngtin cần truyền. Hình 2.9. Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH – SSƯu điểm của kỹ thuật trải phổ nhảy tần số:+ Dễ đồng bộ hơn hệ thống dùng kỹ thuật DS – SS do hệ thống FH – SS chấp nhậnsai số đồng bộ trong khoảng thời gian TH >> Tchip trong hệ thống DS – SS.+ Xác suất nhiều user cùng truyền trên một tần số tại một thời điểm là rất nhỏ. Vì vậycó thể tránh được hiệu ứng gần – xa do các user ở gần trạm gốc và xa trạm gốc cóthể đang phát ở các tần số khác nhau.+ Hệ thống FH – SS có thể sử dụng băng thông rộng hơn nên khả năng triệt nhiễubăng hẹp tốt hơn hệ thống DS – SS.Khuyết điểm của kỹ thuật trải phổ nhảy tần số:+ Cần tạo bộ tổng hợp tần số phức tạp.+ Sự thay đổi đột ngột tần số của tín hiệu khi nhảy tần dẫn đến việc tăng băng tần sửdụng. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 21
  • 25. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã2.2.5 Kỹ thuật trải phổ bằng phương pháp nhảy thời gian(TH – SS: Time Hopping Spread Spectrum ) Trục thời gian được chia thành các khung (frame). Mỗi khung lại được chiathành k khe thời gian (slot). Trong một khung, tùy theo mã của từng user mà nó sẽsử dụng một trong k khe thời gian của khung. Tín hiệu được truyền trong mỗi khe cótốc độ gấp k lần so với trường hợp tín hiệu truyền trong toàn bộ khung nhưng tần sốcần thiết để truyền tăng gấp k lần. Hình 2.10. Truyền tín hiệu theo kỹ thuật trải phổ theo thời gian Hình 2.11. Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu TH – SS Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 22
  • 26. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mãƯu điểm của kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian:+ Dễ thực hiện hơn so với kỹ thuật FH – SS do không cần tạo bộ tổng hợp tần sốphức tạp.+ Hiệu quả sử dụng băng tần cao hơn nhiều so với viêc sử dụng kỹ thuật TDM.+ Tránh được hiệu ứng gần – xa vì thời gian mà mỗi user truyền là độc lập, user ởgần trạm gốc không gây ảnh hưởng đến các user ở xa.Khuyết điểm của kỹ thuật trải phổ nhảy thời gian:+ Trải phổ nhảy thời gian là một hình thức nén tín hiệu trên miền thời gian. Chính vìvậy, độ rộng bit giảm, tốc độ bit tăng và do đó đòi hỏi kênh truyền phải truyền đượctín hiệu tốc độ cao.+ Cần thực hiện đồng bộ tốt giữa máy phát và máy thu. 2.2.6 Các chuỗi trải phổ 1. Chuỗi giả ngẫu nhiên PN (Pseudo-random Noise) 2. Chuỗi Gold 3. Chuỗi Gold trực giao (Orthogonal Gold) 4. Chuỗi Kasami 5. Chuỗi Hadamarh Walsh 6. Chuỗi GOLAY bù(Có thể tìm hiểu cụ thể về các chuỗi này trong Tài liệu tham khảo [1]) Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 23
  • 27. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã2.3 NGUYÊN LÝ CỦA KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO MÃ (CDMA) Trong hệ thống CDMA, mỗi user được gán cho một chuỗi mã xác định, và dođó tất cả các user có thể sử dụng chung khoảng băng tần trong cùng một khoảngthời gian. Do CDMA dựa trên nguyên lý trải phổ, do đó ở mỗi trạm phát sẽ sử dụngmột chuỗi trải phổ giả ngẫu nhiên tác động vào tín hiệu tin tức. Khi máy thu nhậnđược tín hiệu từ nhiều trạm phát khác nhau, nó sẽ lấy tín hiệu mong muốn bằngcách giải mã tín hiệu bằng chuỗi mã riêng của chính tín hiệu đó (Hình 2.11). Ta cóđược kết quả này là do tính tự tương quan và tương quan chéo của các chuỗi mãtrải phổ. Trải phổ Phổ dải nền Phổ tín hiệu sau trải phổ Mã B Code A B B f Mã A A A B C C A B B CB A A A C B t Máy phát Máy thu Hình 2.12. Quá trình trải phổ và nén phổ trong kỹ thuật CDMA [13] Trong hình 2.12, máy thu mong muốn nhận được tín hiệu tin tức từ user Anên đã sử dụng chuỗi mã dành riêng cho A để giải mã. Khi đó, các tín hiệu nhậnđược từ các users không mong muốn (B, C) trở thành nhiễu đối với tín hiệu từ A (dotính tương quan chéo thấp), và do đó, ta có thể thu được tín hiệu từ A một cách dễdàng. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 24
  • 28. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã2.4 MÁY THU RAKE Các máy thu CDMA có khả năng khắc phục hiệu ứng đa đường khi các tínhiệu đến máy thu cách nhau các khoảng lớn hơn thời gian một chip. Máy thu CDMAcó chất lượng tốt là máy thu RAKE (hình 2.13 ) Hình 2.13. Sơ đồ máy thu RAKE Nguyên lý hoạt động của máy thu RAKE: Tín hiệu tin tức sau khi trải phổ và điều chế được truyền đi qua kênh truyền vôtuyến đa đường. Sau đó, tín hiệu đa đường được giải điều chế và được thu bởi máythu RAKE. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 25
  • 29. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã Trên hình 2.13, khối Multipath Channel với các bộ trễ và suy hao mô tả cácvật cản trở trên kênh truyền vô tuyến. Do đó, các tín hiệu đến máy thu RAKE là cáctín hiệu đến từ nhiều đường khác nhau, là các bản sao của tín hiệu tin tức. Một máy thu RAKE lý tưởng có một nhánh (finger) cho mỗi thành phần tínhiệu đa đường. Tuy nhiên, trong thực tế, máy thu RAKE chỉ thu một số thành phầnđa đường đến máy thu. Mỗi thành phần này được lấy tương quan với mã trải, đồngbộ thời gian trễ, được nhân với trọng số tương ứng rồi kết hợp lại. Bằng cách tínhtoán các trọng số một cách hợp lý, máy thu RAKE có thể khắc phục tốt hiệu ứng đađường.2.5 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT 2.5.1 Hiệu ứng Gần – Xa (Near – Far problem) Khi user B ở xa trạm gốc hơn so với user A, công suất từ B đến trạm gốc sẽ bị suy hao nhiều hơn và do đó, công suất của tín hiệu mong muốn là B sẽ nhỏ hơn công suất B A nhiễu (công suất của A) Mức công suất mà trạm gốc nhận được từ mỗi user phụ thuộc vào khoảng cách từ user đó đến trạm gốc. Hình 2.14. Hiệu ứng gần – xa [13] Do mỗi user là một nguồn gây nhiễu cho các users khác và khi công suất củamột user càng lớn, nó càng gây nhiễu cho các users khác. Vì vậy, cần phải có mộtphương pháp để đảm bảo cho tất cả các users đều gửi cùng một mức công suất đếnmáy thu sao cho không có quan hệ bất lợi, không công bằng nào giữa các users. Kỹthuật điều khiển công suất được áp dụng cho các hệ thống CDMA để giải quyết vấnđề này. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 26
  • 30. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã 2.5.2 Điều khiển công suất Hiệu ứng Gần – Xa như đề cập ở trên khiến ta phải sử dụng Kỹ thuật điềukhiển công suất đối với đường lên (uplink: từ user đến trạm gốc). Còn đối với đường xuống (downlink), tình huống lại hoàn toàn khác. Các tínhiệu được truyền từ một trạm gốc là trực giao. Do đó, về mặt lý thuyết, các tín hiệutrực giao này sẽ không gây nhiễu cho nhau. Tuy nhiên điều này là không thể xảy rado ảnh hưởng của môi trường, các tín hiệu bị phản xạ, nhiễu xạ … làm cho các tínhiệu được truyền từ trạm gốc không còn là trực giao và chúng gây nhiễu cho nhau.Vi vậy, điều khiển công suất cũng cần được áp dụng ở đường xuống. Các tín hiệucần phải được truyền với công suất nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được chất lượng củatín hiệu. Có hai phương pháp điều khiển công suất cơ bản: Điều khiển công suất vòngkín (closed loop) và Điều khiển công suất vòng mở (open loop). Như vậy, điều khiển công suất có khả năng điều chỉnh, chống lại những thay đổithất thường của nhiễu và làm giảm nhẹ sự ảnh hưởng của hiệu ứng Gần – Xa.2.6 CHUYỂN GIAO (HANDOFF) Các users có thể duy trì sự liên lạc của mình trong mạng tế bào khi di chuyểntừ cell này sang cell khác. Quá trình chuyển kết nối từ trạm gốc này sang trạm gốckhác như vậy được gọi là chuyển giao (Handoff hay Handover). Hệ thống CDMA sử dụng ba kiểu chuyển giao mềm và kiểu chuyển giao cứng: + Chuyển giao giữa các cung trong ô hay chuyển giao mềm hơn (Intersector hay Softer Hadoff) + Chuyển giao giữa các ô hay chuyển giao mềm (Intercell hay Soft Handoff) + Chuyển giao mềm - mềm hơn (Soft – Softer Handoff) + Chuyển giao cứng (Hard Handoff) Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 27
  • 31. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã 2.6.1 Chuyển giao mềm Chuyển giao mềm đảm bảo tại bất kỳ thời điểm nào, máy di động cũng đượcliên kết thực với trạm gốc phát tín hiệu mà máy di động thu được mạnh nhất. Cell B Σ Cell A Hình 2.15. Chuyển giao mềm trong hệ thống CDMA [13] Do hệ thống CDMA có thể sử dụng đồng thời cùng một tần số trong các cellscạnh nhau nên nó có thể kết nối một máy di động với nhiều cells tại cùng một thờiđiểm. Trong giai đoạn chuyển tiếp từ cell này sang cell khác, user giao tiếp đồng thờivới cả trạm gốc cũ lẫn trạm gốc mới và thiết lập kết nối mới trước khi giải phóng kếtnối cũ. 2.6.2 Chuyển giao cứng Chuyển giao cứng được thực hiện trên nguyên tắc cắt trước khi nối, kết nối cũđược giải phóng trước khi kết nối mới được thiết lập. Vì vậy, trong thời gian chuyểngiao cuộc gọi, máy di động bị ngắt. Tuy nhiên, user không có khả năng nhận biếtđược khoảng ngừng đó. switching Cell B Cell A Hình 2.16. Chuyển giao cứng trong hệ thống CDMA [13] Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 28
  • 32. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã2.7 Hệ thống DS – CDMA (Direct Spread – Code Division Multiple Access) Hệ thống DS – CDMA dựa trên kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trựctiếp (DS – SS) và các lý thuyết cơ bản về kỹ thuật CDMA đã được trình bày ở nhữngphần trước (Nguyên lý, máy thu Rake, điều khiển công suất và chuyển giao). Sơ đồ một hệ thống DS – CDMA được trình bày ở hình 2.17. Hình 2.17. Hệ thống DS - CDMA2.8 W–CDMA (Wideband – Code Division Multiple Access) Hiện nay trên thế giới, đa số thuê bao di động sử dụng công nghệ GSM. Conđường tiến lên 3G của các nhà khai thác GSM là sử dụng công nghệ W–CDMA.Chính vì vậy, W–CDMA là công nghệ xây dựng cơ sở hạ tầng của hầu hết các mạngthông tin di động thế hệ 3 trên thế giới. Kế hoạch phân chia theo mã được chọn chocông nghệ 3G vì chúng cho phép các nhà khai thác có thể đưa ra công suất lớn nhấttừ phổ tần số vô tuyến hiện đang khan hiếm và có thể tận dụng cơ sở hạ tầng sẵncó. W–CDMA đã được thử nghiệm tại Tokyo, Nhật Bản vào tháng 9 năm 1998 vàcho đến nay, nó đã có những bước phát triển mạnh mẽ. W–CDMA là CDMA băng rộng, nó tiếp nhận công nghệ ở giai đoạn phát triểnhơn và sử dụng các nguyên tắc cơ bản giống như CDMA, nhưng nó được cải tiếnmã hoá và sử dụng các sóng mang băng rộng. Như vậy, trong một khoảng tần sốnhất định, chuẩn W–CDMA cung cấp công suất lớn hơn so với chuẩn CDMA hiệnđang sử dụng. Ngoài ra, việc sử dụng băng rộng cho phép W–CDMA có khả năngtích hợp với các công nghệ khác như WiFi, để cung cấp một tốc độ tải xuống và tảilên đến trên dưới 100 Mbps. Do đó, với W–CDMA, thế hệ thông tin di động thứ 3 cóthể cung cấp cho người dùng các ứng dụng truyền thông hữu ích như điện thoạitruyền hình, định vị và tìm kiếm thông tin, truy cập Internet, truyền tải dữ liệu dunglượng lớn, nghe nhạc và xem video chất lượng cao... Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 29
  • 33. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 2: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã W–CDMA tạo ra các sóng mang băng rộng bằng cách sử dụng các chuỗi mãcó tốc độ chip cao hơn, nhờ vậy mà băng thông kênh truyền rộng hơn và công nghệW–CDMA có thể cung cấp được các dịch vụ tốc độ cao. Theo chuẩn 3GPP, băngthông một kênh truyền W–CDMA là 5MHz, trong khi đó băng thông kênh truyềnCDMA2000 là 3.75MHz, còn IS–95 là 1.25MHz.Bảng sau cho ta thấy một số thông số cơ bản của W–CDMA Công nghệ truy nhập DS – CDMA Chế độ song công FDD và TDD Băng thông kênh truyền 5 MHz Tốc độ chip 3.84 Mcps Độ dài khung 5/10/20 ms Điều chế dữ kiệu Downlink : QBSK ; Uplink : BPSK Tốc độ dữ liệu tối đa 2 Mbps (trong nhà) ; 384 kbps (di động) Như vậy, công nghệ W–CDMA hứa hẹn việc cung cấp nhiều dịch vụ di độngtốc độ cao hấp dẫn với thế hệ di động thứ ba. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 30
  • 34. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMACHƯƠNG 3: MC – CDMA3.1 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 3.1.1 Giới thiệu OFDM là một kỹ thuật truyền thông tin đa sóng mang xuất hiện từ giữanhững năm 60. Hệ thống đầu tiên sử dụng kỹ thuật này là HF radio links của quânđội (năm 1957). Đến năm 1966, Robert Chang nhận bằng sáng chế với mô hình hệthống OFDM. Mặc dù những khái niệm về OFDM đã được đề cập từ rất lâu như vậynhưng mãi đến những thập niên gần đây, OFDM mới chứng tỏ được những tính chấtưu việt của nó. OFDM được ứng dụng trong cả hai hệ thống thông tin vô tuyến vàhữu tuyến, nhất là trong các hệ thống thông tin tốc độ cao. Ngày nay, kỹ thuật OFDMđược ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn băng rộng ADSL/HDSL/VDSL, các hệthống phát thanh và truyền hình số quảng bá DAB (Digital Audio Broadcasting) vàDVB – T (Digital Video Boadcasting – Terrestrial). OFDM còn là giải pháp kỹ thuậtđược đề cử cho các chuẩn LAN không dây (Wireless Local Area Network) như ETSIHiperlan/2 và IEEE 802.11a. OFDM đang là ứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin vô tuyến thế hệthứ 4 (4G).Một cái nhìn về OFDM:OFDM là một trường hợp đặc biệt của FDMMột tín hiệu FDM giống như một dòng nước chảy ra từ một cái vòi, khi đó tất cảnước đều chảy theo một dòng (Hình 3.1a) Còn tín hiệu OFDM lại giống một cái vòi hoa sen mà nước được chảy ra theo nhiều dòng nhỏ (Hình 3.1b) Hình 3.1 Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 31
  • 35. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMASự khác nhau này đem lại ích lợi gì? Nếu dùng một ngón tay chặn vòi nước, ta có thể ngăn không cho dòng nước chảynữa nhưng ta không thể làm như vậy đối với vòi hoa sen. Như vậy, hai vòi nước cùng làm một nhiệm vụ nhưng chúng lại có những phảnứng khác nhau trước sự can thiệp từ bên ngoài. 3.1.2 Nguyên tắc cơ bản của OFDM: Chuyển đổi một chuỗi dữ liệu nối tiếp có tốc độ cao R thành N chuỗi con songsong có tốc độ thấp hơn (R/N). N chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang phụtrực giao và được phát lên kênh truyền đồng thời. Bản chất trực giao của các sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của cácchuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từngthành phần tại phía thu. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể vàtránh được nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier Interference). Ta cóthể thấy được điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín hiệu FDM trên hình 3.2 Hình 3.2 Phổ của tín hiệu FDM và OFDM Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành các chuỗi concó tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độcủa chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự ISI, của hiệu ứng trễtrải đều được giảm bớt. Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng ởphía thu. Ta sẽ nói thêm về phương pháp chống ISI được sử dụng trong hệ thốngOFDM ở phần 3.1.5 . Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 32
  • 36. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMA Một ưu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọctần số và nhiễu băng hẹp. Ở hệ thống đơn sóng mang, chỉ một tác động nhỏ củanhiễu cũng có thể gây ảnh hưởng lớn đến toàn bộ tín hiệu (hình 3.3a). Nhưng đốivới hệ thống đa sóng mang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm nhỏ của những sóngmang con bị ảnh hưởng (hình 3.3b), và vì vậy ta có thể khắc phục bằng các phươngpháp mã hoá sửa sai. (a) (b) Hình 3.3 a. Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang b. Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang 3.1.3 Tính trực giao Chìa khóa của việc sử dụng hiệu quả dải băng tần trong hệ thống OFDM sovới các hệ thống khác trước đó (FDM, TDM) chính là tính trực giao của các sóngmang phụ. Với tính chất này, phổ của các chuỗi con sau điều chế có thể chồng lấnlên nhau nhưng vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần tại phía thu. Một tập các tín hiệu được gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳtrong tập đó thỏa điều kiện: K i=j ∫ Ts s i ( t )s *j ( t )dt = 0 i≠j (1)với * là ký hiệu của liên hợp phức, Ts là chu kỳ ký hiệu. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 33
  • 37. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMATập N sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức: k sin( 2π t) 0 < t < Ts Ts (*) với k = 0, …, N-1 fk ( t ) = 0 t ∉ (0, Ts ) 1 Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng Fs = và trực giao Ts k1 ktừng đôi một do thỏa điều kiện (1). Ta xét hai sóng mang sin( 2π t ) và sin( 2π 2 t ) : Ts Ts Ts T k1 k2 1 s t t ∫ sin(2π Ts t ) ⋅ sin(2π Ts t )dt = 2 ∫ [cos 2π(k1 − k 2 ) Ts − cos 2π(k1 + k 2 ) Ts ]dt = 0 0 0 Như vậy, các sóng mang thuộc tập (*) là trực giao từng đôi một hay còn gọi làđộc lập tuyến tính. Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng hàmsincx do mỗi ký hiệu trong miền thời gian được giới hạn bằng một xung chữ nhật.Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các điểmcách tần số trung tâm một khoảng bằng bội số của Fs. Vì vậy, vị trí đỉnh của sóngmang này sẽ là vị trí null của các sóng mang còn lại (hình 3.4). Và do đó các sóngmang không gây nhiễu cho nhau. Hình 3.4 Phổ của các sóng mang trực giao Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 34
  • 38. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMATa có sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM như hình 3.5 Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM Toàn bộ phần đóng khung có thể được thay thế bằng phép biến đổi đổi ngượcFourier rời rạc IDFT (Inverse Discrete Fourier Transform). Khi đó, sóng mang phụthứ k trong tập các sóng mang trực giao được biểu diễn như sau: k j2π t e Ts 0 < t < Ts với k = 0, …, N – 1 gk ( t ) = 0 t ∉ (0, Ts ) Trong thực tế, người ta sử dụng phép biến đổi ngược Fourier nhanh IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) do có thể lập trình tính toán đơn giản và nhanhbằng máy vi tính. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 35
  • 39. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMA 3.1.4 Hệ thống OFDM Trên hình 3.6 là sơ đồ một hệ thống OFDM. Hình 3.6 Sơ đồ một hệ thống OFDM Ở máy phát, chuỗi dữ liệu nối tiếp qua bộ S/P được biến đổi thành N chuỗicon song song, mỗi chuỗi này qua một bộ điều chế. Ở ngõ ra các bộ điều chế, ta thuđược một chuỗi số phức D0, D1, …, DN-1, trong đó Dk = Ak + jBk. Chuỗi số phức nàyđi vào bộ IFFT: k 1 N−1 j2 π n 1 N−1 d[n] = ∑ N k =0 D[k ].e N = ∑ D[k ].e j 2 πfk tn (IFFT) N k =0 k f(do n = k n = fk nTs = fk t n với Ts là chu kỳ ký hiệu, fk là tần số các sóng mang) N fs Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 36
  • 40. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMA Ngõ ra bộ IFFT là các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM trong miền thời gian: 1 N−1 y(n) = Re{d[n]} = ∑Re{(Ak + jBk ) ⋅ (cos2πfk tn + j sin2πfk tn )} N k =0 1 N−1 = ∑ ( A k cos 2πfk tn − Bk sin2πfk tn ) N k =0 Các mẫu y(n) này được chèn thêm khoảng bảo vệ, cho qua bộ biến đổi D/Ađể trở thành tín hiệu liên tục y(t), được khuếch đại, đưa lên tần số cao rồi phát lênkênh truyền. 1 N−1 y( t ) = ∑ ( A k cos 2πfk t − Bk sin2πfk t ) N k =0 Ở máy thu, ta làm quá trình ngược lại: tín hiệu OFDM được đổi tần xuống,biến đổi A/D, loại bỏ khoảng bảo vệ, rồi được đưa vào bộ FFT. Sau đó giải điều chế,biến đổi từ song song sang nối tiếp để thu lại chuỗi dữ liệu ban đầu. N−1 k − j2π n D[k] = ∑ d[n].e N (FFT) n=0 Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 37
  • 41. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMA 3.1.5 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ Hình 3.7 cho ta thấy một ký hiệu và phiên bản trễ của nó. Chính thành phầntrễ này gây ra nhiễu ảnh hưởng đến phần đầu của ký hiệu tiếp theo. Đây chính lànhiễu liên ký hiệu ISI (Inter-symbol Interference). Hình 3.7 Ảnh hưởng của ISI Để loại bỏ sự ảnh hưởng của ISI, chúng ta dời ký hiệu thứ i ra xa ký hiệutrước đó (ký hiệu i – 1) một khoảng bằng khoảng trễ trải (τmax). Một khoảng rỗng dođó sẽ được chèn vào giữa hai ký hiệu (hình 3.8), nhưng như vậy tín hiệu sẽ bị thayđổi đột ngột và mất tính liên tục. Vì vậy, trong thực tế, người ta chèn khoảng bảo vệ∆G được copy từ phần cuối của ký hiệu và dán vào phần đầu ký hiệu đó như hình3.9. Khoảng bảo vệ này được gọi là cyclic prefix. Chiều dài của khoảng bảo vệ cầnđược hạn chế để đảm bảo hiệu suất sử dụng băng tần, nhưng nó vẫn phải dài hơnkhoảng trễ trải của kênh truyền nhằm loại bỏ được nhiễu ISI. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 38
  • 42. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMA Hình 3.8 Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống Hình 3.9 Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefixỞ máy thu, khoảng bảo vệ này được loại bỏ trước khi thực hiện giải điều chế. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 39
  • 43. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMA 3.1.6 Ưu, khuyết điểm của OFDM a. Ưu điểm: + Tăng hiệu quả sử dụng băng thông. + Bền vững với fading chọn lọc tần số do các ký hiệu có băng thông hẹp nên mỗi sóng mang phụ chỉ chịu fading phẳng. + Chống được nhiễu liên ký hiệu ISI do chu kỳ ký hiệu dài hơn cùng với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi ký hiệu OFDM. + Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT và IFFT. + Có thể truyền dữ liệu tốc độ cao. b. Khuyết điểm: + Nhạy với offset tần số _ Chỉ cần một sai lệch nhỏ cũng có thể làm mất tính trực giao của các sóng mang phụ. Vì vậy OFDM rất nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler. _ Các sóng mang phụ chỉ thật sự trực giao khi máy phát và máy thu sử dụng cùng tập tần số. Vì vậy, máy thu phải ước lượng và hiệu chỉnh offset tần số sóng mang của tín hiệu thu được. + Tại máy thu, sẽ rất khó khăn trong việc quyết định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng của ICI và ISI. + Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) là lớn vì tín hiệu OFDM là tổng của N thành phần được điều chế bởi các tần số khác nhau. Khi các thành phần này đồng pha, chúng tạo ra ở ngõ ra một tín hiệu có biên độ rất lớn. Ngược lại, khi chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu nhau làm ngõ ra bằng 0. Chính vì vậy, PAPR trong hệ thống OFDM là rất lớn. 3.1.7 Kết luận Ở phần này và các phần trước, chúng ta đã tìm hiểu những vấn đề cơ bản vềhệ thống CDMA và hệ thống OFDM cùng với những ưu, khuyết điểm của chúng. Haihệ thống này chính là cơ sở để xây dựng hệ thống MC – CDMA. Vì vậy, MC –CDMA sẽ tận dụng những ưu điểm của hai hệ thống này và khắc phục những điểmyếu kém của chúng để tạo ra một hệ thống tốt hơn. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 40
  • 44. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMA3.2 MC – CDMA (Multicarrier – Code Division Multiple Access) 3.2.1 Giới thiệu Ở phần trước, chúng ta đã tìm hiểu về hệ thống OFDM với tính bền vững đốivới fading chọn lọc tần số, chống được nhiễu liên ký hiệu ISI, sử dụng hiệu quả băngthông nhưng lại bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi offset tần số. Hệ thống DS – CDMAcũng thể hiện tính chất nổi trội của nó so với các hệ thống FDMA và TDMA trướcđây. Tuy nhiên, DS – CDMA không có khả năng chống chọi lại Fading chọn lọc tầnsố, hơn nữa hệ thống này tỏ ra không hiệu quả khi tốc độ dữ liệu tăng đến hàng trămMbps do ảnh hưởng của ISI và sự khó khăn trong việc đồng bộ chuỗi mã hoá. Vìvậy, các kỹ thuật nhằm giảm tốc độ ký hiệu và tốc độ chip là cần thiết trong trườnghợp này. Năm 1993, ý tưởng về sự kết hợp giữa CDMA và OFDM dẫn đến việc ra đờicủa ba mô hình đa truy cập mới: Multicarrier (MC) CDMA, Multicarrier DS – CDMAvà Multitone (MT) CDMA được gọi chung bằng một thuật ngữ Multicarrier CDMA(MC – CDMA). Những mô hình này được phát triển bởi nhiều nhà nghiên cứu, điểnhình là: 1. Mô hình MC – CDMA do N.Yee, J-P.Linnartz và G.Fettweis [8] K.Fazel và L.Papke [9] A.Chouly, A.Brajal và S.Jourdan [10] 2. Mô hình MC – DS – CDMA do V.DaSilva và E.S.Sousa [11] 3. Mô hình MT – CDMA do L.Vandendorpe [12] Do kế thừa tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM nên các mô hình nàyđều có khả năng truyền tốc độ cao, có tính bền vững với fading chọn lọc tần số, sửdụng băng thông hiệu quả, có tính bảo mật cao và giảm độ phức tạp của hệ thống. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 41
  • 45. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMA 3.2.2 Nguyên lý chung của kỹ thuật MC – CDMA Tín hiệu MC – CDMA cơ bản được tạo ra bằng cách ghép nối tiếp hai hệthống DS – CDMA và OFDM như hình 3.10 Hình 3.10. Sơ đồ khối máy phát MC – CDMA Mỗi user được cấp cho một chuỗi mã xác định thuộc tập mã trực giao (DS –CDMA), sau đó dữ liệu của tất cả user được phát song song trên cùng một tập sóngmang phụ trực giao (OFDM), thay vì phát nối tiếp như trong hệ thống DS –CDMA. Ở máy thu (hình 3.11), tín hiệu thu được nhân với các sóng mang phụtrực giao, giải điều chế số rồi được kết hợp thành một luồng dữ liệu nối tiếp.Tại đây, để thu được dữ liệu của user thứ k, ta nén phổ luồng dữ liệu nối tiếpvừa thu được bằng chuỗi mã trải của user k. Hình 3.11. Sơ đồ khối máy thu MC – CDMA ứng với user k Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 42
  • 46. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMA3.2.3 Máy phát và máy thu MC – CDMA theo mô hình 1: sự kết hợp giữa trải phổtrong miền tần số và điều chế đa sóng mang Máy phát MC – CDMA trải luồng dữ liệu gốc của user j trong miền tần số nhờsử dụng một chuỗi mã cho trước. Mỗi phần của một ký hiệu tương ứng với một chipcủa chuỗi mã trải phổ g j ( t ) = [g1j g 2 ... gGMC ] được truyền thông qua một sóng mang j jphụ khác nhau. Hình 3.12 và 3.13 cho ta thấy máy phát MC – CDMA ứng với user thứ j vàphổ công suất của tín hiệu được truyền với GMC là độ lợi xử lý và NC là số sóngmang phụ. Trong trường hợp này GMC = NC. Hình 3.12. Sơ đồ máy phát MC – CDMA ứng với user thứ j Hình 3.13 . Phổ công suất của tín hiệu MC – CDMA Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 43
  • 47. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMA Tuy nhiên, không nhất thiết phải chọn GMC = NC, và trên thực tế, khi tốc độtruyền của luồng dữ liệu gốc đủ cao để trở thành đối tượng của fading chọn lọc tầnsố thì luồng dữ liệu này cần được chuyển từ nối tiếp sang song song trước khi đượctrải phổ trong miền tần số bởi vì điều thiết yếu cần đạt được trong truyền dẫn đasóng mang là fading phẳng trên mỗi sóng mang. Hình 3.14 chỉ ra sơ đồ máy phátMC – CDMA đã sửa đổi nhằm đảm bảo fading phẳng. Ở sơ đồ này, luồng dữ liệu tốc độ cao của user thứ j được chuyển đổi thành Pchuỗi song song a1j , a 2 , ... , aP . Mỗi chuỗi này được nhân với mã trải phổ j jg j ( t ) = [g1j g 2 ... gGMC ] của user j và được truyền trên các sóng mang phụ khác nhau. j jTổng số sóng mang phụ được dùng là NC = P x GMC. Hình 3.14. Sơ đồ máy phát MC – CDMA sửa đổi ứng với user thứ j Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 44
  • 48. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMA Hình 3.15. Sơ đồ máy thu MC – CDMA cho user thứ j3.3 ƯU, KHUYẾT ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG DÙNG MC – CDMA 3.3.1 Ưu điểm MC – CDMA thừa hưởng tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM+ Do mỗi sóng mang phụ chỉ chịu ảnh hưởng của Fading phẳng nên hệ thống bềnvững với Fading chọn lọc tần số và có thể giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng ởmáy thu.+ Do chu kỳ ký hiệu dài hơn nên hệ thống chống được nhiễu liên ký hiệu ISI và hơnnữa là việc giả đồng bộ trở nên dễ dàng hơn.+ Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng thuật toán FFTvà IFFT. 3.3.2 Khuyết điểm+ Rất nhạy với offset tần số Offset tần số xảy ra do hiệu ứng Dopler hay do sự sai lệch trong việc tạo daođộng cho các sóng mang ở máy phát và máy thu. Nó làm cho các sóng mang mấttính trực giao và do đó nhiễu liên sóng mang ICI (Inter-Carrier Interference) và nhiễuđa truy cập MAI (Multiple Access Interference) xuất hiện, ảnh hưởng nghiêm trọngđến chất lượng kênh truyền.+ Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình PAPR lớn. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 45
  • 49. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Chương 3: MC – CDMA3.4 SỰ KHÁC NHAU GIỮA MC – CDMA VÀ OFDMA Sự khác nhau cơ bản giữa kỹ thuật OFDMA và MC – CDMA là: Với kỹ thuật OFDMA, mỗi user trong cùng một cell sử dụng một tập tần sốsóng mang phụ riêng biệt. Còn đối với kỹ thuật MC – CDMA, tất cả các user sử dụng chung một tập tầnsố sóng mang phụ. Mỗi user được phân biệt với user khác nhờ chuỗi mã của riênguser đó. Trong hệ thống sử dụng MC – CDMA, do tất cả các user sử dụng chung mộttập tần số sóng mang phụ nên tính trực giao giữa các user của hệ thống thông tin diđộng có thể bị mất ngay cả trong cùng một cell. Vì vậy, hệ thống MC-CDMA cần cácbộ cân bằng khá phức tạp. Trong khi đó, hệ thống sử dụng OFDMA không bị khuyết điểm này bởi vì trongmột cell đơn, tất cả các user có tập sóng mang phụ khác nhau nên loại bỏ được ISIvà ICI. Vì vậy, OFDMA không bị ảnh hưởng của can nhiễu trong cùng một cell. Đâychính là điểm nổi bật của OFDMA so với MC – CDMA và DS – CDMA bởi vì tronghai hệ thống này, can nhiễu bên trong cell là nguồn can nhiễu chính. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 46
  • 50. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Kết luận và Hướng phát triển đề tài KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀIKết luận Kỹ thuật MC – CDMA là một kỹ thuật rất mới đang được nghiên cứu mạnh mẽtrên toàn thế giới với khả năng truyền tốc độ cao, tính bền vững với fading chọn lọctần số, sử dụng băng thông hiệu quả, tính bảo mật cao và giảm độ phức tạp của hệthống do thừa hưởng tất cả những ưu điểm của CDMA và OFDM. MC-CDMA là mộtứng cử viên sáng giá cho hệ thống thông tin di động trong tương lai. Chính vì vậy,việc tìm hiểu về kỹ thuật MC – CDMA và nghiên cứu các giải pháp về điều khiểncông suất, cải thiện dung lượng hệ thống, tách sóng đa truy cập trong môi trườngFading … là cần thiết và có ý nghĩa thực tế. Trong khuôn khổ Đồ án môn học 1, em chỉ tìm hiểu về kỹ thuật MC – CDMAở mức độ lý thuyết, tức là các nguyên lý cơ bản, các sơ đồ khối máy phát và máythu, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống.Hướng phát triển đề tài Sau khi tìm hiểu và nắm rõ các lý thuyết cơ bản, em muốn phát triển đề tàicủa mình theo những hướng sau:1. Tìm hiểu chi tiết về: + Cách thức thực hiện trải phổ + Cách thức đồng bộ chuỗi giả ngẫu nhiên ở nơi thu + Các giải pháp về điều khiển công suất + Các kỹ thuật triệt nhiễu đa truy cập (MAI) + Ảnh hưởng của offset tần số đến chất lượng của hệ thống + Các giải thuật tách sóng đa truy cập + Các loại mã sửa sai thích hợp cho hệ thống dùng MC – CDMA2. Mô phỏng bằng Matlab để có những số liệu cụ thể nhằm kiểm nghiệm lại phần lýthuyết đã trình bày ở Đồ án này và tìm kiếm một giải pháp thích hợp cho các hệthống dùng kỹ thuật MC – CDMA.3. Tìm hiểu về kỹ thuật Multi-code Multicarrier CDMA, kỹ thuật kết hợp giữa MC –CDMA và Multi-code CDMA. Các kết quả mô phỏng của các nhà nghiên cứu chothấy chất lượng của hệ thống sử dụng Multi-code Multicarrier CDMA cũng xấp xỉ nhưsử dụng MC – CDMA nhưng có thể hỗ trợ các tốc độ dữ liệu cao hơn. Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 47
  • 51. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Các chữ viết tắt CÁC CHỮ VIẾT TẮT1G First Generation2G Second Generation3G Third Generation3GPP Third Generation Partnership Project4G Fourth GenerationA/D Analog to DigitalADSL Asymmetric Digital Subscriber LineAMPS American Mobile Phone SystemBFSK Binary Frequence Shift KeyingBPSK Binary Phase Shift KeyingBS Base StationCCI Co-Channel InterferenceCDMA Code Division Multiple AccessD/A Digital to AnalogDAB Digital Audio BroadcastingDFT Discrete Fourier TransformDS - SS Direct Sequence - Spread SpectrumDS-CDMA Direct Spread - Code Division Multiple AccessDVB-T Digital Video Broadcasting - TerrestrialEDGE Enhanced Data Rates for GSM EvolutionFDD Frequency Division DuplexFDMA Frequency Division Multiple AccessFFT Fast Fourier Transform.FH - SS Frequency Hopping - Spread SpectrumGSM Global System for Mobile CommunicationHDSL High-bit-rate Digital Subscriber LineICI Inter Carrier InterferenceIDFT Inverse Discrete Fourier TransformIEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 48
  • 52. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Các chữ viết tắtIFFT Inverse Fast Fourier TransformIMT-2000 International Mobile Telecommunication 2000IS-95 Interim Standard 1995ISI Inter Symbol InterferenceLAN Local Area NetworkMAI Multi Access InterferenceMC-CDMA Multicarrier - Code Division Multiple AccessMC-DS-CDMA Multicarrier - Direct Spread - Code Division Multiple AccessMMS Multimedia Messaging ServiceMSC Mobile Switching CenterMT-CDMA Multitone - Code Division Multiple AccessNMT Nordic Mobile TelephoneNRZ Non Return to ZeroOFDM Orthogonal Frequency Division MultiplexingP/S Parallel to SerialPAPR Peak to Average Power RatioPDC Personal Digital CelularPRBS Pseudo Random Binary SequencePSTN Public Switched Telephone NetworkQPSK Quadrature Binary Phase Shift KeyingS/P Serial to ParallelTDD Time Division DuplexTDMA Time Division Multiple AccessTH - SS Time Hopping - Spread SpectrumVDSL Very-high-bit-rate Digital Subscriber LineW-CDMA Wideband - CDMA Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 49
  • 53. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO[1] K.Fazel, S.Kaiser, “Multi-carrier and Spread Spectrum Systems”, John Wiley & Sons Ltd, ISBN 0-470-84899-5, 2003[2] Juha Korhonen, “Introduction to 3G Mobile Communications”, 2nd Edition, Artech House, ISBN 1-58053-507-0, 2003[3] S.Hara, R.Prasad, “Multicarrier Techniques for 4G Mobile Communications”, Universal Personal Communications Series, Artech House, ISBN 1-58053-482-1, 2003[4] Vũ Đình Thành, “Nguyên lý thông tin tương tự - số”, NXB Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh, 2004[5] ir.J.Meel, “Spread Spectrum (SS) Introduction”, Sirius Communications – Rotselaar – Belgium, Dec. 1999[6] Laurence B.Milstein, “Wideband Code Division Multiple Access”, IEEE Journal on selected areas in communications, Vol.18, No.8, August 2000[7] S.Hara, R.Prasad, “Overview of Multicarrier CDMA”, IEEE Communications Magazine, Dec. 1997[8] N.Yee, J-P.Linnartz và G.Fettweis, “Multicarrier CDMA in Indoor Wireless Radio Networks”, Proc. of IEEE PIMRC ’93, Yokohama, Japan, Sept. 1993, pp.109-13[9] K.Fazel và L.Papke, “On the Performance of Convolutionally-Coded CDMA/OFDM for Mobile Communication System”, Proc. of IEEE PIMRC ’93, Yokohama, Japan, Sept. 1993, pp.468-72[10] A.Chouly, A.Brajal và S.Jourdan, “Orthogonal Multicarrier Techniques Applied to Direct Spread Spectrum CDMA Systems”, Proc. of IEEE GLOBECOM ’93, Houston, USA, Nov. 1993, pp.1723-28[11] V.DaSilva và E.S.Sousa, “Performance of Orthogonal CDMA Codes for Quasi- Synchronous Communication Systems”, Proc. of IEEE ICUPC ’93, Ottawa, Canada, Oct. 1993, pp.995-99[12] L.Vandendorpe, “Multitone Direct Sequence CDMA System in an Indoor Wireless Environment”, Proc. of IEEE First Symposium of Communications and Vehicular Technology in the Benelux, Delft, The Nethelands, Oct. 1993, pp.4.1-1-4.1.8[13] Takashi Inoue,” CDMA Technologies for Cellular Phone System”, KDDI R&D Laboratories Inc, July 2004[14] Dr. Jean Amstrong, “OFDM – Orthogonal Frequency Division Multiplexing”, Department of Electronic Engineering, La Trobe University Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 50
  • 54. ĐAMH Điện tử - Viễn thông 1 Tài liệu tham khảo[15] Iwao Sasase, “Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM)”, Department of Information & Computer Science, Keio University[16] Prof. Jeffrey G.Andrews, “Code Division Multiple Access for Wireless Communications”, Wireless Networking & Communications Group (WNCG), Electrical & Computer Engineering Department, University of Texas at Austin[17] www.complextoreal.com (OFDM) Tìm hiểu Hệ thống TTDĐ dùng kỹ thuật MC-CDMA Trang 51

×