Đang tải... (xem toàn văn)
Khả năng ứng dụng trong hệ thống thông tin di động tế bào CDMA
LỜI NÓI ĐẦULý thuyết trải phổ được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng trong các hệ thống thông tin quân sự hơn nửa thế kỉ qua với mục đích hạn chế tác động của việc gây nhiễu tín hiệu và che dấu tín hiệu tránh để đối phương thu trộm. Điều này có thể thực hiện bằng cách trải phổ tín hiệu tới độ rộng băng tần cần thiết làm cho tín hiệu bị che lấp bởi tạp âm.Điều chế trải phổ khi được sử dụng kết hợp với kĩ thuật đa truy nhập phân chia theo mã đang được đề xuất cho việc sử dụng hoặc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực mới và đặc biệt cho hiệu quả tốt ở các hệ thống thông tin di động tế bào. Hệ thống này cho hiệu quả sử dụng dải tần hơn hẳn so với các hệ thống FDMA và TDMA. Khi áp dụng công nghệ CDMA cho hệ thống thông tin di động tế bào sẽ đạt được dung lượng hệ thống cao hơn nhờ đặc tính mềm dẻo về dung lượng, nó cho phép cải thiện chất lượng truyền dẫn trong môi trường pha đinh nhiều tia đồng thời giảm thiểu xuyên nhiễu trong môi trường nhiều người sử dụng và giải quyết tốt vấn đề gần xa. Ngoài ra, nó còn cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao và khả năng chuyển giao mềm dựa trên nguyên tắc kết nối “nối trước khi cắt” đảm bảo không xảy ra gián đoạn thông tin trong quá trình chuyển giao.Các mạng CDMA thương mại đã được đưa vào khai thác tại nhiều nước trên thế giới cũng như trong khu vực. Ở nước ta hiện nay kĩ thuật trải phổ và hệ thống thông tin di động sử dụng kĩ thuật CDMA mới chỉ được đưa vào thử nghiệm. Do vậy, đồ án này sẽ tập trung vào nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của thông tin trải phổ và khả năng ứng dụng trong hệ thống thông tin di động tế bào CDMA.Nội dung đồ án được trình bày thành 3 chương, chương I đi vào trình bày những khái quát chung nhất về thông tin trải phổ là các khái niệm và đặc tính của kĩ thuật trải phổ và nghiên cứu sâu hơn vào kĩ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp. 1 Chương II trình bày cơ sở của hệ thống thông tin di động CDMA trong đó đưa ra so sánh giữa ba phương thức đa truy nhập dùng trong thông tin di động CDMA, TDMA và FDMA. Đồng thời đi khảo sát một số vấn đề trong CDMA là giải điều chế, vấn đề dung lượng của hệ thống, các hiệu ứng pha đinh và dịch tần Doppler và thu phân tập trên máy thu RAKE. Chương III đi xem xét dung lượng của hệ thống CDMA đa tế bào, được tính toán trên cơ sở bảo đảm được điều khiển công suất để chống lại hiệu ứng xa gần nhằm khắc phục ảnh hưởng của nhiễu tới dung lượng của hệ thống, từ đó đưa ra lưu đồ thuật toán tính toán dung lượng của hệ thống. Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo Thạc sĩ Vũ Văn Quyết và các thầy cô giáo trong Khoa Vô Tuyến Điện Tử đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành nội dung của đồ án. Do trình độ và thời gian có hạn nên trong quá trình thực hiện còn có nhiều sai sót. Kính mong được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo và bạn bè xa gần có quan tâm đến lĩnh vực thông tin trải phổ và kĩ thuật CDMA. Hà nội 9- 06- 2003 2 CHƯƠNG ITỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN TRẢI PHỔ1.1 Khái niệm về hệ thống trải phổThông tin trải phổ là một hệ thống thông tin để truyền các tín hiệu nhờ trải phổ của các tín hiệu số liệu thông tin có sử dụng mã với độ rộng băng rộng hơn độ rộng băng của các tín hiệu số liệu thông tin. Trong đó các mã sử dụng độc lập với số liệu thông tin. Ở phía thu, thực hiện việc nén phổ tín hiệu thu được khi dùng phép tương quan nó với bản sao của tín hiệu trải phổ tạo ra ở bên thu đồng bộ với bên phát. Mô hình tổng quan nhất về các hệ thống trải phổ được thể hiện như hình vẽ Hình 1.1 Hệ thống thông tin trải phổTừ mô hình của hệ thống ta thấy ở phần phát tín hiệu được điều chế sơ cấp tạo thành tín hiệu băng hẹp sn sau đó phổ của nó được trải ra trên một băng tần rộng nhờ phép toán ξ(.), tín hiệu này được kí hiệu là sw và được phát qua kênh truyền dẫn. Những kênh này có thể gây ra các suy giảm chất lượng do nhiễu, tạp âm và suy hao đường truyền. Tại phía thu, tín hiệu thu được đưa qua bộ giải điều chế tín hiệu, sau đó nén phổ bằng phép toán ξ-1(.)=ξ(.). Như vậy, sau khi nén phổ tín hiệu băng rộng sw được biến đổi trở lại thành tín hiệu băng hẹp sn. Cuối cùng là giải mã và giãn tín hiệu để nhận lại tín hiệu số 3ξ(.) ξ-1(.)=ξ(.)snsw n(t)j(t)snMáy phátMáy thuNhiễu tạpKênh ban đầu. Nếu nguồn là tương tự thì tín hiệu số được biến đổi thành tín hiệu tương tự qua bộ biến đổi D/A.1.2 Các ưu điểm của hệ thống trải phổ 1.2.1 Khả năng chống nhiễu Ở các hệ thống thông tin thông thường truyền tín hiệu băng hẹp khi nhiễu băng hẹp cùng tần số với tín hiệu và có cường độ lớn thì có thể gây ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến chất lượng truyền tin thậm chí phía thu không thể khôi phục lại được tín hiệu. Đối với hệ thống thông tin trải phổ ngay cả trong trường hợp có nhiễu mạnh tác động vẫn có thể thu tín hiệu một cách tin cậy. Nói một cách khác, hệ thống thông tin trải phổ có thể loại trừ được nhiễu băng hẹp. Giả thiết rằng, ở phía thu tín hiệu thu được gồm sw và nhiễu mạnh in(t), quá trình nén phổ được thực hiện : ξ-1(sw +in(t)) =ξ-1(ξ(sn)) + ξ-1 (in(t)) = sn +iw Như vậy, quá trình nén phổ thực hiện biến đổi ngược tín hiệu đầu vào thành tổng của tín hiệu băng hẹp có ích và các tín hiệu nhiễu băng rộng. Sau khi qua bộ lọc băng hẹp có dải thông là Bn bằng độ rộng phổ tín hiệu sn thì chỉ có một phần nhỏ năng lượng nhiễu đi qua bộ lọc là iwr do băng tần Bw của nhiễu iw lớn hơn Bn rất nhiều 4finswfiBwHình 1.1 Phổ của tín hiệu thu khi có nhiễu băng hẹp tác độngfsniniwBnBwηiHình 1.2 Tín hiệu được nén về phổ gốc, nhiễu bị trải phổ Ta thấy rằng, công suất nhiễu đi qua bộ lọc P(iwr) = ηi.Bn so với công suất toàn bộ nhiễu là :P(iwr)=wnBBP(iw)=G1.P(iw) (1.1)với G =nwBB cho thấy mức độ bị nén của nhiễu, nó được gọi là hệ số khuyếch đại xử lí.Trong trường hợp công suất nhiễu quá lớn ta phải nén bớt nhiễu trước khi thực hiện giải trải phổ tín hiệu. Có thể sử dụng một số thuật toán thích hợp để tạo ra khe hẹp trong băng tần bị chiếm bởi nhiễu mà không gây ảnh hưởng nhiều đến sự thay đổi các tham số của tín hiệu và nhiễu.Tuy nhiên, việc tạo khe hẹp nhằm nén nhiễu sẽ làm một phần tín hiệu có ích trong cùng băng tần sẽ bị mất đi, độ suy giảm tín hiệu là chấp nhận được khi độ rộng băng tần nhiễu loại bỏ nhỏ hơn 20% độ rộng băng tần tín hiệu. 5sniwrBnfHình 1.3 Phổ của tín hiệu và nhiễu sau khi qua lọc băng hẹp 1.2.2 Khả năng loại trừ ảnh hưởng của truyền sóng nhiều tiaTrong môi trường truyền đa tia, tín hiệu thu bao gồm thành phần truyền thẳng và các thành phần phản xạ từ môi trường truyền do các công trình nhân tạo hoặc địa hình tự nhiên. Nói chung các thành phần tín hiệu này sẽ tương tác với nhau dẫn đến làm giảm chất lượng của hệ thống. Giả sử rằng chỉ có một tia không đi thẳng, ta có thể sử dụng mô hình có phương trình :r(t) = A.b(t)c(t).cos(2πfct ) + A’b’(t - τ).c’(t - τ).cos[2πfc(t - τ) + θ’] (1.2) với τ’ là trễ truyền lan, A’= kA với k là hệ số suy giảm. Do đó, nhiễu do thành phần không đi thẳng là s0’= 21 cos (θ’)∫−−TdttctctkAb0//)()()(ττ =±)()cos(2//τφθckAT (1.3)s0’= 0 khi /τ>Tc , vì vậy ảnh hưởng của truyền được loại bỏ hay trở thành nhiễu nhỏ nếu độ lâu của chíp nhỏ hơn trễ truyền lan của đường không đi thẳng. Ta có thể giải thích kết quả trên quan điểm tần số, tín hiệu truyền thẳng và các bản sao bị trễ của nó đều là tín hiệu băng rộng. Tín hiệu PN nội được đồng bộ đến tín hiệu đi thẳng do đó tín hiệu truyền thẳng được giải trải phổ còn tín hiệu trễ thì bị trải phổ. Sau bộ lọc băng hẹp chỉ một phần nhỏ tín hiệu không truyền thẳng lọt qua và trở thành nhiễu. Như vậy tín hiệu không truyền thẳng chỉ làm giảm SNR một ít. 1.2.3 Đa truy nhập phân chia theo mã Đa truy nhập là một trong các đặc tính quan trọng của các hệ thống thông tin trải phổ đang được sử dụng hoặc đang được đề xuất cho việc sử dụng trong nhiều lĩnh vực như mạng thông tin cá nhân PCN, các mạng vùng nội hạt vô tuyến …và đặc biệt là đối với hệ thống thông tin di động tế bào.6 Các ứng dụng đa truy nhập giúp cho việc sử dụng băng tần một cách có hiệu quả trong đó nhiều người sử dụng cùng chia xẻ một độ rộng băng tần truyền dẫn. Ở hệ thống DS/SS máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra tín hiệu mong muốn bằng cách giải trải phổ. Ở các hệ thống FH/SS và TH/SS mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian.Giả sử rằng, có n người sử dụng cùng dùng chung một băng tần, khi này tín hiệu mà mỗi máy thu thu được có thể biểu diễn: si=∑iwis=∑iniis )(ξ (1.5)Trong đó chỉ số i tương ứng với người sử dụng thứ i trong băng tần chung và kí hiệu iξ() là phép trải phổ đối với tín hiệu của người thứ i. Quá trình nén phổ trong máy thu thứ i được thực hiện : (1.6) Từ phương trình ta thấy, việc nén phổ sẽ tạo ra tín hiệu phổ hẹp khi i ≡ j và tín hiệu phổ rộng jwis khi i ≠ j, qua lọc dải tín hiệu ban đầu được khôi phục cùng với thành phần nhiễu mức thấp jris Như vậy, nhờ việc phân bổ mã duy nhất PN có thuộc tính tương quan chéo thấp cho phép nhiều người sử dụng dùng chung một băng tần, các tín hiệu của người sử dụng khác trở thành nhiễu giống tạp âm. 1.2.4 Dung lượng của hệ thống CDMA Ở các hệ thống FDMA, TDMA tồn tại giới hạn cứng đối với số người sử dụng cực đại nên hiệu suất của toàn hệ thống thấp. Ngược lại, với hệ thống CDMA dung lượng của nó chỉ bị giới hạn mềm, nghĩa là số người sử dụng cực đại không được giới hạn rõ ràng. Khi số người sử dụng tăng lên thì xác 7 -1(swj) =-1((snj )) = snj với i ≡ j swij với i ≠ j suất lỗi bít càng tăng, tức có thể thoả mãn được cuộc gọi thêm vào nhờ việc tăng tỉ lệ lỗi bít cho tới khi các cuộc gọi hoàn thành.Giả sử có K tín hiệu có cùng công suất Pk tồn tại trên một băng tần, bỏ qua tạp âm nhiệt và các thành phần nhiễu của những người sử dụng khác bị nén bởi hệ số G thì tại đầu vào của máy thu bất kì là :1−=KGyb (1.7)Khi xét đến tạp âm nhiệt có công suất là ρthì :ρ+−=)1(KPGPykb (1.8)Dung lượng của hệ thống được tính là : bbyGyGK ≈+=1 (1.9)với yb là tỉ số tín trên tạp với tỉ số lỗi bít xác định của hệ thống. Như vậy, dung lượng của hệ thống phụ thuộc vào mức tín hiệu nhiễu.1.3 Các hệ thống thông tin trải phổ Đặc điểm cơ bản của hệ thống thông tin trải phổ là phổ của tín hiệu được mở rộng hàng trăm lần trước khi phát đi. Một hệ thống được coi là hệ thống thông tin trải phổ nếu nó thoả mãn hai yêu cầu sau:• Tín hiệu truyền đi chiếm một độ rộng băng truyền dẫn W lớn hơn rất nhiều bề rộng băng tần tối thiểu Bi cần thiết để truyền thông tin. • Việc trải phổ tín hiệu được thực hiện nhờ một mã độc lập với số liệu. Với các tín hiệu có độ rộng băng tần là W (Hz) và khoảng thời gian tồn tại là T thì phân lượng phổ của nó là 2WT. Để tăng phân lượng phổ của nó có thể thực hiện bằng hai cách là tăng độ rộng băng tần hoặc tăng khoảng thời gian T8 Khi tăng độ rộng băng tần W có nghĩa là mở rộng phổ tần tín hiệu trước khi phát đi, có nhiều cách thực hiện khác nhau nhưng về cơ bản có hai phương pháp chính : trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS) và trải phổ nhảy tần (FH/SS).• Trải phổ chuỗi trực tiếp thực hiện bằng cách nhân tín hiệu nguồn với tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng, tích này trở thành một tín hiệu băng rộng.• Trải phổ nhảy tần thực hiện được bằng cách nhảy tần số sóng mang trên một tập lớn các tần số.Khi tăng khoảng thời gian, có nghĩa là một khối các bit số liệu được nén và được phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian của một khung chứa số lượng lớn các khe thời gian. Một mẫu nhảy thời gian sẽ xác định các khe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi khung. Do vậy, có thể nói các khối bit bị trải theo thời gian và phương pháp này gọi là trải phổ nhảy thời gian (TH/SS).Ngoài ra, người ta có thể xây dựng các hệ thống lai ghép bằng cách kết hợp các kỹ thuật DS, FH, TH để tận dụng các ưu điểm của từng kỹ thuật trải phổ như DS/FH, FH/TH … Các hệ thống lai ghép này khá phức tạp nên thường ứng dụng trong các hệ thống thông tin quân sự. 1.3.1 Hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp DS/SSTín hiệu DS/SS nhận được khi điều chế (nhân) bản tin bằng một tín hiệu giả ngẫu nhiên băng rộng, tích này trở thành một tín hiệu băng rộng. Tín hiệu ngẫu nhiên này được xem như là một dạng mã (mã ngẫu nhiên) hay còn gọi là chuỗi giả tạp âm PN.Từ sơ đồ khối của hệ thống, thấy rằng tại máy phát phổ của tín hiệu x(t) được trải rộng nhờ nhân với mã trải phổ c(t) trước khi được phát đi. Tại máy thu, quá trình khôi phục lại tín hiệu được thực hiện bằng cách nhân tín hiệu thu được với bản sao của mã trải phổ c(t) rồi qua lọc dải thông để tách ra tín 9 hiệu mong muốn. Mô hình tổng quát của hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp được cho trên hình 1.4. Quá trình nén phổ tín hiệu làm cho mật độ công suất của tín hiệu thu tăng lên, do đó tỉ số S/N cũng tăng. Đồng thời cũng trải rộng phổ của tín hiệu nhiễu đầu vào làm cho mật độ công suất của nhiễu giảm xuống. Như vậy, trải phổ tín hiệu làm tăng khả năng chống nhiễu cho tín hiệu trải phổ. Ở hệ thống DS/SS, tín hiệu dùng để trải phổ được tạo ra từ chuỗi giả ngẫu nhiên PN. Giả thiết chuỗi PN này là cơ số hai, thì tín hiệu PN có dạng : )()(cTckkTtctc −Π=∑+∞∞− (1.10)Trong đó ΠT(t) là xung chữ nhật đơn vị, ck gọi là chíp và khoảng thời gian Tc giây được gọi là thời gian chíp. Để đơn giản ta mô hình hoá tín hiệu PN là tín hiệu cơ số hai giả ngẫu nhiên, khi này ta xác định được hàm tự tương quan tuần hoàn của nó với chu kì đầu là: (1.11) Trong phần này chủ yếu ta sử dụng hàm tam giác ở phương trình trên là hàm tự tương quan của tín hiệu PN tham gia trải phổ tín hiệu DS/SS. 10 1 - với ≤ Tc 0 nếu khác Bộ tạo mã trải phổ c(t)Dữ liệu x(t)s(t)s(t)+n(t)Bộ lọcDữ liệuBộ tạo mã trải phổ c(t)Tín hiệu không mong muốnTín hiệu trải phổHình 1.4 Mô hình của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp [...]... nhiễu đồng thời khảo sát nhiễu giao thoa nhiều người sử dụng gây ra do các tín hiệu DS khác và nhiễu tự gây do truyền nhiều tia Phần cuối là so sánh các hệ thống trải phổ để thấy được ưu điểm và nhược điểm của mỗi hệ thống làm cơ sở cho việc nghiên cứu và ứng dụng nó trong các hệ thống thông tin di động tế bào mà ta xét ở các chương sau 23 CHƯƠNGII CƠ SỞ CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA 2.1 Đặc điểm... được sử dụng để phân biệt các người dùng với nhau Trên kênh Gaussian các sơ đồ đa truy nhập trên cho dung lượng tương đương nhau với giả thiết dãy mã trong CDMA là trực giao Còn trong các hệ thống thông tin di động tế bào và thông tin vệ tinh thì CDMA hơn hẳn so với các kĩ thuật khác Thứ nhất là giảm ảnh hưởng của fading nhiều tia tới SNR của hệ thống nhờ kĩ thuật thu kết hợp phân tập Trong hệ thống. .. hiệu qủa đối với CDMA dãy trực tiếp và mức độ phân tập cao tạo nên khả năng hoạt động tốt hơn trong môi trường MUI (xuyên nhiễu đa người sử dụng) lớn Thứ hai là nhờ có điều chỉnh công suất mà hệ thống thông tin di động tế bào CDMA trong môi trường đa người sử dụng hạn chế được hiệu ứng gần-xa và giảm thiểu nhiễu lên dung lượng hệ thống tức làm giảm giao thoa với các trạm gốc khác (tế bào lân cận) Việc... bảo đủ xa để tín hiệu trong hai tế bào này không gây nhiễu lên nhau Trong khi đó, đối với CDMA các trạm di động sử dụng cùng băng tần và không có sử dụng lại tần số nên có thể coi hệ số tái sử dụng trong hệ thống tế bào CDMA bằng 1 Tỉ số KCDMA với KFDMA bằng K CDMA 0,16 N s F = với v là thừa số tích cực tiếng, Ns là số K FDMA v đoạn ở trạm gốc Một đặc tính quan trọng của hệ thống CDMA là tính mềm dẻo... Ưu điểm của hệ thống này là khả năng loại trừ nhiễu giao thoa kênh lớn nhất nhưng rất phức tạp và tốn kém Kết luận: Chương I đã nghiên khái quát về lý thuyết trải phổ và đặc điểm của hệ thống thông tin trải phổ từ đó đưa ra mô hình tổng quát nhất của hệ thống thông tin trải phổ và đánh giá khả năng của các hệ thống đó Đồng thời trình bày về các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS), hệ thống trải... hệ thống Ở hệ thống CDMA tế bào vấn đề điều khiển công suất đòi hỏi rất khắt khe để bảo đảm mức công suất mà trạm gốc thu được từ các trạm di động gần giống nhau Đối với CDMA đường xuống có thể sử dụng điều chế nhất quán như QPSK hay MSK, còn CDMA đường lên thường sử dụng điều chế không nhất quán như DPSK, FSK cho hiệu quả tốt hơn Trong chương này ta xem xét hiệu năng của hệ thống CDMA Mô hình hệ thống. .. cùng với các thiết bị nhỏ gọn hệ thống CDMA ngày càng được sử dụng rộng dãi trong hệ thống di động tế bào Hệ thống CDMA IS-95 phát triển mở rộng tiêu chuẩn hóa W -CDMA với độ rộng băng tần lớn làm cho dung lượng cao hơn, sử dụng nhiều dịch vụ với tốc độ cao như truyền hình ảnh, fax,… Ngoài ra nó còn hoạt động không cần cấp giấy phép ở 3 lĩnh vực công nghiệp, khoa học và y tế với công suất 1W chồng lấn... bình, trong hệ thống FDMA hay các hệ thống băng hẹp thì công suất phát cao luôn được yêu cầu để khắc phục fading theo thời gian, còn ở CDMA công phát tăng chỉ khi có fading và công suất yêu cầu chỉ phát khi có điều khiển công suất Thứ ba là hệ thống CDMA cung cấp chức năng bảo mật cuộc gọi mức độ cao nên việc sử dụng máy thu tìm kiếm và sử dụng bất hợp pháp kênh RF là khó khăn đối với hệ thống tế bào. .. đổi thông tin chuyển đổi liên tục giữa trạm di động và BS khi có tín hiệu cho phép mới chuyển đổi thực sự Trong khi hệ thống di động tế bào FDMA và TDMA chấp nhận chuyển giao cứng theo nguyên tắc “cắt trước khi nối” nên có thể xảy ra rớt cuộc gọi do chất lượng kênh mới chuyển đến trở nên quá xấu trong khi kênh cũ bị cắt Thứ năm là CDMA đặc biệt vượt trội hơn so với FDMA và TDMA và các hệ thống khác trong. .. năng của hệ thống CDMA Mô hình hệ thống di động tế bào được cho như hình vẽ sau Trạm gốc Máy di động Hình 2.1 Hệ thống thông tin di động tế bào 29 2.2 Nguyên lý CDMA Trong trải phổ chuỗi trực tiếp, phổ của tín hiệu số băng gốc được mở rộng nhờ một mã giả ngẫu nhiên (PN) hay mã trải phổ Tín hiệu trải phổ có mật độ phổ công suất thấp (đo bằng W/Hz) Đối với một máy thu thông thường nó thể hiện gần giống như . hệ thống thông tin di động tế bào. Hệ thống này cho hiệu quả sử dụng dải tần hơn hẳn so với các hệ thống FDMA và TDMA. Khi áp dụng công nghệ CDMA cho hệ. các đặc trưng cơ bản của thông tin trải phổ và khả năng ứng dụng trong hệ thống thông tin di động tế bào CDMA. Nội dung đồ án được trình bày thành 3 chương,
