Đồ án Tìm hiểu các phương pháp điều khiển công suất MC-CDMA : bước cố định, đa mức

ĐỀ TÀI Tìm hiểu các phương pháp điều khiển công suất MC-CDMA : bước cố định, đa mức Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Thị Bích Hạnh Sinh viên thực hiện : Trần Công Khánh ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH MỤC LỤC MỤC LỤC .................................................................................................................. 1 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ................................................................................................... 4 Ý NGHĨA KHOA HỌC THỰC TIỂN ...................................................................... 5 PHẠM VI NGHIÊN CỨU ......................................................................................... 5 BẢNG TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................... 6 DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... 9 LỜI MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 11 CHƢƠNG I: CÔNG NGHỆ CDMA VÀ KỸ THUẬT OFDM ............................. 12 1.2.2 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản .............................................................. 15 1.2.4 Hiệu ứng gần xa ................................................................................... 19 1.2.5 Điều khiển công suất ........................................................................... 19 1.3 KỸ THUẬT OFDM ....................................................................................... 20 1.3.1 Hệ thống OFDM .................................................................................... 20 1.3.2 Kỹ thuật xữ lý tín hiệu OFDM ............................................................. 22 1.3.3 Đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM ..................................... 22 1.3.4 Đặc điểm của kỹ thuật OFDM ............................................................ 24 CHƢƠNG II: HỆ THỐNG MC-CDMA ................................................................. 26 2.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG .............................................................................. 26 2.2 HỆ THỐNG MC-CDMA............................................................................... 26 2.2.1 Khái niệm MC-CDMA........................................................................... 26 2.2.2 Sơ đồ khối ............................................................................................. 27 2.3 MÁY PHÁT MC-CDMA ............................................................................... 27 2.5 KÊNH TRUYỀN ........................................................................................... 31 2.6 CÁC PHƢƠNG PHÁP TRIỆT NHIỄU ...................................................... 32 SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 1 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH 2.6.1 Phƣơng pháp triệt nhiễu nối tiếp ....................................................... 32 2.6.2 Phƣơng pháp triệt nhiễu song song .................................................. 32 2.7 VẤN ĐỀ DỊCH CỦA TẦN SỐ SÓNG MANG TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA............................................................................................................ 32 2.8 ƢU ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT MC-CDMA .................................................... 36 2.9 NHƢỢC ĐIỂM CỦA KỸ THUẬT MC-CDMA .......................................... 36 2.10 KẾT LUẬN CHƢƠNG............................................................................... 36 CHƢƠNG III : ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA ................................................................................................................................... 37 3.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG .............................................................................. 37 3.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA............................................................................................................ 37 3.3 ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA .............. 38 3.4 HỒI TIẾP DƢƠNG TRONG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT ĐƢỜNG LÊN ............................................................................................................................... 42 3.5 CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA ............................................................................................................................... 43 3.5.1 Điều khiển công suất dựa vào ngƣời sử dụng: .............................. 43 3.5.2 Điều khiển công suất dựa vào băng tần:......................................... 44 3.6 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA ............................................................................................ 46 3.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG ................................................................................. 47 CHƢƠNG IV: MÔ PHỎNG ................................................................................... 48 4.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG .............................................................................. 48 4.2 CÁC THÔNG SỐ MÔ PHỎNG .................................................................. 48 4.3 MÔ PHỎNG .................................................................................................. 49 4.3.1 Mô phỏng phƣơng pháp điều khiển công suất fixed step ............. 49 SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 2 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH 4.3.2 Mô phỏng phƣơng pháp điều khiển công suất đa mức (multilevel) ........................................................................................................................... 50 4.4 SO SÁNH HAI PHƢƠNG PHÁP DỰA VÀO CÔNG SUẤT PHÁT, SNR, BER ............................................................................................................ 52 4.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG ................................................................................. 54 PHỤ LỤC ................................................................................................................. 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 64 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN .................................................... 65 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN........................................................ 66 SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 3 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Trong xã hội hiện đại ngày nay, trao đổi thông tin trở thành 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 được nhiều user hơn so với các hệ thống ra đời 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…Và 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 đồng thời. Trong những năm gần đây, kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM, 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 hơn. SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 4 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH Ý NGHĨA KHOA HỌC THỰC TIỂN 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. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Tìm hiểu các phương pháp điều khiển công suất: bước cố định, đa mức. SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 5 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH BẢNG TỪ VIẾT TẮT 4G Fourth Generation ABS Adaptive Band Selection ADC Analog to Digital Converter AWGN Additive White Gaussian Noise BER Bit Error Ratio BPSK Binary Phase Shift Keying BS Base Station CCI Co-Channel Interference CDF Cumulative Distribution Function CDMA Code Division Multiple Access DAC Digital to Analog Converter DFT Discrete Fourier Transform FDM Frequency Division Multiplexing FDMA Frequency Division Multiple Access FEC Forward Error Correction FFT Fast Fourier Transform ICI Inter-Channel Interference ICI Inter Carrier Interface IMT-2000 International Mobile Telecommunication 2000 IS-95 Interim Standard 1995 SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 6 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH ISI Inter Symbol Interference IDFT Inverse Discrete Fourier Transform IFFT Inverse Fast Fourier Transform LAN Local Area Network MAI Multi Access Interference MC-CDMA Multi-Carrier Code Division Multiple Access MC DS-CDMA Multi-Carrier Direct Spread CDMA MT-CDMA Multitone Code-Division Multiple-Access MSC Mobile Switching Center MRC Maximal Ratio Combining OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PAPR Peak-to-Average Power Ratio PLL Phase Lock Loop PRBS Pseudo Random Binary Sequence PSTN Public Switched Telephone Network P/S Parallel to Serial QAM Quadrature Amplitude Modulation QoS Quality of Service QPSK Quadrature Binary Phase Shift Keying SNR Signal-to-Noise Ratio S/P Serial to Parallel SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 7 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH TDMA Time Division Multiple Access VDSL Very high bit rate Digital Subscriber Line VCO Voltage-Controlled Oscillator SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 8 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH DANH MỤC HÌNH Bảng 4.1: Bảng thông số mô phỏng Hình 1.1 :Sơ đồ mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên Hình 1.2 :Đồ thị hàm tự tương quan của chuỗi PRBS Hình 1.3 :Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS Hình 1.4: Phổ của tín hiệu trước và sau khi trải phổ Hình 1.5: Dạng sóng của tín hiệu trước trải phổ và sau trải phổ Hình 1.6: Phổ của tín hiệu FH – SS Hình 1.7: Sơ đồ khối tạo và khối thu tín hiệu FH – SS Hình 1.8 :Hiệu ứng gần - xa Hình 1.9 :Sơ đồ khối hệ thống OFDM Hình 1.10 :Đáp ứng tần số của kênh truyền đa đường Hình 1.11 :Các tín hiệu đa đường Hình 1.12 :So sánh việc sử dụng băng tần của FDM và OFDM Hình 2.1 :Sơ đồ khối của hệ thống MC-CDMA Hình 2.2 :Sơ đồ máy phát MC – CDMA ứng với user thứ k Hình 2.3 :Phổ công suất của tín hiệu MC-CDMA Hình 2.4 :Sơ đồ máy phát MC – CDMA sửa đổi ứng với user thứ k Hình 2.5 :Sơ đồ máy thu MC – CDMA cho user thứ k Hình 2.6 :Sơ đồ triệt nhiễu song song nhiều tầng Hình 3.1 :Mô hình hệ thống với các users tích cực Hình 3.2 :Điều khiển công suất dựa vào người sử dụng Hình 3.3 :Điều khiển công suất dựa vào băng tần Hình 4.1 :Giao diện mô phỏng chương trình Hình 4.2 :Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất theo bước cố định(fixed-step) Hình 4.3 :Chương trình mô phỏng điều khiển công suất theo bước cố định Hình 4.4 :Lưu đồ thuật toán điều khiển công suất đa mức (multi-level) Hình 4.5 :Chương trình điều khiển công suất đa mức ( Multilevel) Hình 4.6 : So sánh mức công suất phát của cả 2 phương pháp SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 9 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH Hình 4.7 : So sánh SNR thu được của 2 phương pháp Hình 4.8 : Giá trị BER thu được ở 2 phương pháp SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 10 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH LỜI MỞ ĐẦU Trong thời gian làm đề tài này, em đã cố gắng rất nhiều song do kiến thức còn hạn chế, thời gian nghiên cứu đề tài có hạn và nguồn tài liệu chủ yếu là các bài báo tiếng Anh trên mạng nên đồ án còn nhiều sai sót. Em rất mong nhận được sự phê bình, các ý kiến đóng góp chân thành của các thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của cô NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH cùng các thầy cô và bạn bè trong khoa để em hoàn thành đề tài này. Đà Nẵng, Ngày 20 tháng 11 năm 2011 Sinh viên thực hiện Trần Công Khánh SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 11 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH CHƢƠNG I: CÔNG NGHỆ CDMA VÀ KỸ THUẬT OFDM 1.1 GIỚI THIỆU CHƢƠNG 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 người có thể sử dụng đồng thời là một nhu cầu cấp thiết. Các kỹ thuật đa truy nhập ra đời từ đó. Kỹ thuật FDMA ra đời đầu tiên sau đó đến kỹ thuật TDMA và ngày nay, kỹ thuật CDMA đã ra đời, dựa trên nguyên lý trải phổ và được sử dụng rộng rãi cho thông tin vô tuyến trên toàn thế giới. CDMA đã chứng tỏ được khả năng vượt trội so với các kỹ thuật analog hoặc digital khác. Vì thế, trong chương này sẽ giới thiệu về nguyên lý CDMA, ba kỹ thuật trải phổ trong CDMA, chuỗi mã trải phổ PN và chuỗi mã trải phổ Walsh-Hardamard. Chúng được sử dụng phổ biến trong hệ thống DS- CDMA và hệ thống MC-CDMA. Chương này đề tài cũng nguyên cứu các vấn đề liên quan tới hệ thống DS-CDMA. 1.2 TỔNG QUAN VỀ CDMA Lý thuyết về công nghệ CDMA được xây dựng từ những năm 1950 và được áp dụng trong thông tin quân sự từ những năm 1960. Cùng với sự phát triển của công nghệ bán dẫn và lý thuyết thông tin trong những năm 1980, CDMA đã được thương mại hóa từ phương pháp thu GPS và Ommi- TRACS, phương pháp này cũng đã được đề xuất trong hệ thống thông tin di động tổ ong của Qualcomm – Mỹ vào năm 1990. CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi. Những người sử dụng nói trên được phân biệt lẫn nhau nhờ dùng một mã đặc trưng không trùng với bất kỳ ai. Kênh vô tuyến được dùng lại ở mỗi cell trong toàn mạng, và những kênh này cũng được phân biệt nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên. Một kênh CDMA rộng 1.23 MHz với hai dải biên phòng vệ 0,27 MHz, tổng cộng 1,77 MHz. CDMA dùng mã trải phổ có tốc đọ cắt (chip rate) 1,2288 MHz. Dòng dữ liệu gốc được mã hóa và điều chế ở tốc độ cắt. Tốc độ này chính là tốc độ mã đầu ra (mã trải phổ giả ngẫu nhiên, PN SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 12 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH Pseudonoise: giả tạp âm) của máy phát PN. Một cắt là phần dữ liệu mã hóa qua cổng XOR. Để nén phổ lại tín hiệu gốc thì máy thu phải dùng mã trải phổ PN chính xác như khi tín hiệu được xử lý ở máy phát, Nếu mã PN ở máy thu khác hoặc không đồng bộ với mã PN tương ứng ở máy phát thì tin tức không thể thu nhận được. Trong CDMA sự trải phổ tín hiệu đã phân bố năng lượng tín hiệu vào một dải tần rất rộng hơn phổ của tín hiệu gốc. Ở phía thu, phổ của tín hiệu lại được nén về lại phổ của tín hiệu gốc 1.2.1 Mã trải phổ Có sáu chuỗi trải phổ cơ bản sau: Chuỗi giả ngẫu nhiên PN (Pseudo- random Noise), chuỗi Gold, chuỗi Gold trực giao (Orthogonal Gold), chuỗi Kasami, chuỗi Hadamarh Walsh và chuỗi GOLAY bù. Do trong phạm vi đề tài này chỉ nghiên cứu chuỗi giả ngẫu nhiên PN và chuỗi Hadamarh Walsh. 1.2.1.1 Chuỗi tín hiệu nhị phân giả ngẫu nhiên: Hình 1.1 Sơ đồ mạch tạo chuỗi giả ngẫu nhiên 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 (PRBS: Pseudo Random Binary Sequence)[1],[2]. Chuỗi PRBS được tạo ra từ mạch chuỗi gồm ND-FlipFlop ghép liên tiếp nhau như hình 1.1 SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 13 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH Hình 1.2 Đồ thị hàm tự tương quan của chuỗi PRBS Tùy theo vị trí đóng mở của các khoá mà ta có các tín hiệu hồi tiếp về khác nhau. Có tối đa 2N – 1 trạng thái của ND-FF, loại bỏ trạng thái 00…0 vì nếu xuất hiện trạng thái này thì tín hiệu hồi tiếp về sẽ bằng không và các trạng thái sau đó đều bằng 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 rất nhỏ. Trong một chu kỳ: Giá trị tương quan chéo của chuỗi là “ –1/L” Giá trị tự tương quan của chuỗi là “1” 1.2.1.2 Chuỗi Hadamarh Walsh Các hàm Walsh được tạo ra từ các ma trận vuông đặc biệt N×N gọi là các ma trận Hadamard. Các ma trận này chứa một hàng toàn số 0 và các hàng còn lại có số số 1 và số số 0 bằng nhau. Hàm Walsh được cấu trúc cho độ dài khối N=2j trong đó j là một số nguyên dương. Các tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao được xác định như theo ma trận Hadamard như sau: SVTH: TRẦN CÔNG KHÁNH TRANG 14 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH 0 0 0 0 0 1 0 1 H , (1.1) H [0], 0 0 4 H N H N 1 H , H 2 0 1 0 0 1 21N H N H N 0 1 1 0 Trong đó là đảo cơ số hai của HN H N Trong thông tin di động CDMA, mỗi thuê bao sử dụng một phần tử trong tập các hàm trực giao để trải phổ. Khi đó, hiệu suất sử dụng băng tần trong hệ thống sẽ lớn hơn so với khi trải phổ bằng các mã được tạo ra bởi các thanh ghi dịch. 1.2.2 Các kỹ thuật trải phổ cơ bản - Trải phổ dãy trực tiếp (DS/SS) Quá trình đạt được bằng cách nhân nguồn tín hiệu vào với tín hiệu mã giả ngẫu nhiên một cách trực tiếp tín hiệu trải phổ đưa ra có độ rộng phổ xấp xỉ tốc độ của mã giả ngẫu nhiên - Trải phổ nhảy tần Quá trính trải phổ đạt được bằng cách nhảy tần số sóng mang trên một tập lớn các tần số.Sự nhảy tần của tần số sóng mang được quyết định của các mã nhảy tần có dạng giả ngẫu nhiên được điều khiển bởi các từ mã trải phổ PN. 1.2.2.1 Kỹ thuật trải phổ bằng cách phân tán phổ trực tiếp (DS – SS: Direct Sequence Spread Spectrum) Máy phát Máy thu d(t) Bộ điều Bộ giải dr(t) chế băng điều chế dữ rộng liệu Bộ tạo mã Bộ tạo Bộ tạo Bộ tạo mã PN c(t) sóng mang sóng mang PN cr(t) Hình 1.3: Sơ đồ khối điều chế và khối giải điều chế DS – SS SVTH: TR ẦN CÔNG KHÁNH TRANG 15 ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH GVHD: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH 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. 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 c(t) có tốc độ bit fc với fc >> fb. Như vậy: c(t) , d(t) = +1 d(t).c(t) = (1.2) – c(t) , d(t) = –1 Vì tốc độ bit f c 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).c(t) được điều chế BPSK hoặc QPSK. Giả sử ta dùng điều chế BPSK, tín hiệu sau điều chế có biểu thức[1][2]: V (t) 2P d(t).c(t).cosw t DS SS S (1.3)0 Trong đó: PS là công suất phát [W] wo là tần số sóng mang [rad/s] Nếu so sánh (2.3) với biểu thức của BPSK: V (t) 2P d