Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án báo cáo Đề tài : Điều khiển công suất trong hệ thống MCCDMAĐây là đồ án báo cáo chi tiết được đánh giá chất lượng rất cao,được biên soạn nghiên cứu từ các tài liệu chuyên ngành,thực tế thực tập,… .được chắt lọc từ các tài liệu công nghệ kỹ thuật mới nhất.Đây là tài liệu thực sự bổ ích cho các bạn trẻ giúp các bạn sinh viên đạt kết quả cao khi bảo vệ đồ án,báo cáo,luận văn của mình,trinh phục tương lai của mình .Chúc các bạn thành công
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN MÔN HỌC ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG MC-CDMA GVHD: SINH VIÊN : NHÓM 1 1. 2. LỚP : ĐH ĐTA Hà Nội, Ngày 10, tháng 01 năm 2014 Lời nói đầu 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 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 với 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. Phạm vi nghiên cứu Tìm hiểu các phương pháp điều khiển công suất: bước cố định, đa mức trong hệ thống MC-CDMA. Ý nghĩa khoa học thực tiễn 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. Chương I: Công nghệ CDMA và kỹ thuật OFDM 1.1 Tổng quan về CDMA 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 độ cắt 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) 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 nhân được. Trong CDMA sự trải phổ tín hiệu đã phân bố năng lượng tín hiệu vào một dải tần rộng hơn phổ của tín hiệu gốc. Ở phía thu, phổ của tín hiệu lại được nén về lại phổ của tín hiệu gốc. 1.1.1 Mã trải phổ Có sáu chuỗi trải phổ cơ bản tuy nhiên do phạm vi đề tài nên ta chỉ nghiên cứu chuỗi giả ngẫu nhiên PN và chuỗi Hadamarh Walsh. • 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. Chuỗi giả ngẫu nhiên được tạo ra từ mạch chuỗi gồm ND-FlipFlop ghép liên tiếp nhau như hình trên. • Chuỗi Hadamarh Walsh Các hàm Walsh được tạo ra từ các ma trận vuông đặc biệt NxN gọi là các ma trận Hadamard. Các ma trận này chứa một hàng toàn số 0 và các hàng còn lại có số 1 và số 0 bằng nhau. Các tổ hợp mã ở các hàng của ma trận là các hàm trực giao. Trong thông tin di động CDMA mỗi thuê bao sử dụng một phần tử trong tập hợp 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 bới các thanh ghi dịch. 1.1.2 Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA Trong thiết kế hệ thống CDMA người ta mong muốn tăng lên tột độ số lượng khách hàng gọi cùng lúc trong dải thông nhất định. Khi công suất phát của mỗi máy di động được điều khiển bằng cách nó có thể tiếp nhận trạm gốc với tỷ lệ tín hiệu nhiễu nhỏ nhất, dung lượng hệ thống được tăng lên rất cao. Nếu công suất máy phát di động nhận được ở trạm gốc thấp quá thì không thể hy vọng chất lượng thoại tốt vì tỷ lệ lỗi bit quá cao. Và nếu công suất nhận được ở trạm gốc cao thì có thể thu được chất lượng thoại cao hơn ở máy di động. Tuy nhiên kết quả của sự tăng nhiễu trên các máy di động sử dụng các kênh chung dẫn đến chất lượng thoại bị giảm xuống trong khi toàn bộ các thuê bao không bị giảm xuống. 1.1.3 Hiệu ứng gần xa 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 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. Do mỗi user là một nguồn gây nhiễu cho user khác và khi công suất của một user càng lớn, nó càng gây nhiễu cho các user khác. Vì vậy cần phải có một phương pháp để đảm bảo cho tất cả các user đều gửi cùng một mức công suất đến máy thu sao cho không có quan hệ bất lợi, không công bằng giữa các user. Kỹ thuật điều khiển công suất được áp dụng cho các hệ thống CDMA để giải quyết vấn đề này. 1.1.4 Điều khiển công suất Hiệu ứng gần-xa như đề cập ở trên khiến ta phải sử dụng kỹ thuật điều khiển công suất đối với đường lên. Còn đối với đường xuống các tín hiệu được truyền từ một trạm gốc là trực giao. Do đó về mặt lý thuyết các tín hiệu trực giao này sẽ không gây nhiễu cho nhau. Tuy nhiên điều này là không thể xảy ra do ảnh hưởng của môi trường, các tín hiệu bị phản xạ, nhiễu xạ làm cho các tín hiệu được truyền từ trạm gốc không còn là trực giao và chúng gây nhiễu cho nhau. Vì vậy điều khiển công suất cũng cần được áp dụng ở đường xuống. Các tín hiệu phải được truyền với công suất nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo được chất lượng của tín hiệu. Như vậy điều khiển công suất chống lại những thay đổi thất thường của nhiễu và làm giảm nhẹ sự ảnh hưởng của hiệu ứng Gần – Xa. Trong CDMA, điều khiển công suất được thực hiện cho cả đường lên lẫn đường xuống. Về cơ bản điều khiển công suất đường xuống có mục đích nhằm tối thiểu nhiễu đến các cell khác và bù nhiễu do các cell khác gây ra. Điều khiển công suất đường lên tác động lên các kênh truy nhập và lưu lượng. Nó được sử dụng để thiết lập đường truyền khi khởi tạo cuộc gọi và phản ứng nên có sự thay đổi tổn hao đường truyền lớn. Mục đích chính của điều khiển công suất đường lên nhằm khắc phục hiệu ứng Gần – Xa bằng cách duy trì mức công suất truyền dẫn của các máy di động trong cell như nhau tại máy thu trạm gốc. Do vậy việc điều khiển công suất đường lên là thực hiện tinh chỉnh công suất truyền dẫn của máy di động. 1.2. Kỹ thuật OFDM OFDM là kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao. OFDM phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang. Các sóng mang này trực giao với các sóng mang khác có nghĩa là có một số nguyên lần lặp trên một chu kỳ ký tự. Vì vậy phổ của mỗi sóng mang bằng “không” tại tần số trung tâm của tần số sóng mang khác trong hệ thống. Kết quả là không có nhiễu giữa các sóng mang phụ. 1.2.1 Kỹ thuật xử lý tín hiệu OFDM - Mã hóa sửa sai trước FEC Trong hệ thống thông tin số nói chung, mã hóa sửa sai trước FEC ( Forward Eror Corecting) được sử dụng để nâng cao chất lượng thông tin, cụ thể là đảm bảo tỷ số lỗi trong giới hạn cho phép. Mã hóa FEC được chia thành 2 loại mã chính: + Mã khối ( Block coding) + Mã chập ( Convolutional coding) - Sử dụng IFT/FFT trong OFDM OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang, trong đó dữ liệu được truyền song song nhờ rất nhiều sóng mang phụ. Để làm được điều này, cứ mỗi kênh phụ, ta cần một máy phát sóng sin, một bộ điều chế và một bộ giải điều chế. Trong trường hợp số kênh phụ là khá lớn thì cách làm trên không hiệu quả, nhiều khi là không thể thực hiện được. Nhằm giải quyết vấn đề này, khối thực hiện chức năng biến đổi DFT/IDFT được dùng để thay thế toàn bộ các bộ tạo dao động sóng sin, bộ điều chế, giải điều chế dùng trong mỗi kênh phụ. 1.2.2 Đặc tính kênh truyền trong kỹ thuật OFDM - Sự suy hao Sự suy hao là sự suy giảm công suất tín hiệu khi truyền từ điểm này đến điểm khác. Nó là kết quả của chiều dài đường truyền, chướng ngại vật và hiệu ứng đa đường. Để giải quyết vấn đề này, phía phát thường được đưa lên càng cao càng tốt để tối thiểu số lượng vật cản. Các vùng tạo bóng thường rất rộng, tốc độ thay đổi công suất tín hiệu chậm vì thế nó còn được gọi là fading chậm. • Fading Rayleigh Fading Rayleigh là loại Fading phẳng sinh ra do hiện tượng đa đường và xác suất mức tín hiệu thu được suy giảm so với mức tín hiệu phát đi tuân theo phân bố Rayleigh. Loại fading này còn được gọi là fading nhanh vì sự suy giảm công suất tín hiệu rõ rệt trên các khoảng ngắn. - Fading lựa chọn tần số Trong truyền dẫn vô tuyến đáp ứng phổ của kênh là không bằng phẳng, nó bị dốc và suy giảm do phản xạ dẫn đến tình trạng có một vài tần số bị triệt tiêu tại đầu thu. Phản xạ từ các vật gần như mặt đất, công trình xây dựng có thể dẫn đến các tín hiệu đa đường có công suất tương tự như tín hiệu nhìn thẳng. • Dịch Doppler Khi bộ phát và bộ thu chuyển động tương đối với nhau thì tần số của tín hiệu tại bộ thu không giống với tần số tín hiệu tại bộ phát. Cụ thể là khi nguồn phát và nguồn thu chuyển động hướng vào nhau thì tần số thu được sẽ lớn hơn tần số phát đi và ngược lại. Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng Doppler. 1.2.3 Đặc điểm của kỹ thuật OFDM - Ưu điểm: + Khả năng chống nhiễu ISI,ICI + Hiệu suất sử dụng phổ cao hơn so với FDM do phổ của các sóng mang phụ có thể chồng phủ lên nhau mà vẫn đảm bảo tín hiệu sau khi tách sóng. Hình 1.12: So sánh việc sử dụng băng tần của FDM và OFDM + Các kênh con có thể coi là kênh fading phẳng nên có thể dùng các bộ cân bằng đơn giản trong suốt quá trình nhận thông tin, giảm độ phức tạp của máy thu. + Điều chế tín hiệu đơn giản, hiệu quả. - Nhược điểm: + Hệ thống OFDM tạo ra tín hiệu trên nhiều sóng mang, dải rộng của tín hiệu lớn, hạn chế hoạt động của bộ khuếch đại công suất. + Dễ bị ảnh hưởng của dịch tần và pha hơn so với hệ thống một sóng mang. [...]... dung lượng hệ thống 3.5 Các phương pháp điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA - Điều khiển công suất bước cố định và đa mức Trạm gốc sẽ gửi lệnh điều khiển công suất đến máy di động ở tốc độ 800bps để duy trì QoS với công suất phát nhỏ nhất Lệnh điều khiển công suất sẽ được cập nhật với chu kì 1.25msec chứa 12 bit và tập 12 bit này là nhóm điều khiển công suất Ở mô hình điều khiển công suất fixed-step,... Điều chỉnh công suất Thông tin dữliệu Hình 4.2 Điều khiển công suất dựa vào người sử dụng trong các hệ thống MC-CDMA 3.4.2 Điều khiển công suất dựa vào băng tần Trạm gốc đánh giá các giá trị SNR nhận được đối với mỗi sóng mang phụ và đem nó ra so sánh với các SNR chuẩn Sau đó lệnh điều khiển công suất được xác định theo các phương pháp : điều khiển công suất bước cố định ( fixed-step), điều khiển công. .. liệu trên băng chọn lọc thích nghi đã ra đời 3.2 Điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA Dung lượng của hệ thống MC-CDMA phụ thuộc vào sự hiệu quả của mô hình điều khiển công suất, đặc biệt ở đường lên Điều khiển công suất đường lên chính là điều khiển công suất phát của máy di động sao cho công suất thu được từ chúng là như nhau ở trạm gốc Xét các hệ thống MC-CDMA đơn cell với tổng số người dùng... chính xác giữa công suất thu được và công suất tối ưu ở trạm gốc, và sự khác biệt này làm giảm dung lượng hệ thống Do đó, việc thiết kế ra một mô hình điều khiển công suất có giải thuật dự đoán fading là rất cần thiết Để bù lại ảnh hưởng fading, điều khiển công suất dự đoán có khả năng dự đoán điều kiện kênh truyền Điều khiển công suất qua hai bước sẽ điều khiển công suất phát của máy di động chặt hơn... chế MC và trải phổ Điều chỉnh công xuất cho băng tân 1 tần n Điều chỉnh công xuất cho băng tân 1 tần k Sơ đồ điều khiển công suất dựa vào băng tần s/p Thông tin dữ liệu Trong sơ đồ điều khiển công suất dựa vào băng tần, công suất mong muốn, nhiễu giao thoa và SNR tương ứng được đánh giá theo từng băng tần Dựa vào các giá trị đánh giá này trạm gốc quyết định lệnh điều khiển công suất đối với từng sóng... trên điều kiện (4.14) 3.4 Cơ chế điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA Dung lượng của hệ thống MC-CDMA bị giới hạn bởi nhiễu của người sử dụng khác như trong hệ thống CDMA Nhiễu của người sử dụng khác được gây ra bởi các trạm di động khác nhau có sóng mang phụ giống nhau Do đó đối với điều khiển công suất, trạm gốc cần đặt SNR chuẩn để tránh khả năng hồi tiếp dương của điều khiển công suất Trong. .. Trong đó γn là SNR chuẩn cho máy di động thứ n,SNRni là giá trị của sóng mang thứ i ở máy di động thứ n ở thời điểm k và ε = 0.5∆ P - Điều khiển công suất dự đoán Trong điều khiển công suất đường lên, máy di động sẽ cập nhật công suất phát mỗi chu kì cập nhật điều khiển công suất dựa trên lệnh điều khiển công suất từ trạm gốc Khi sự thay đổi của kênh truyền ở tốc độ nhanh hơn tốc độ cập nhật công suất, ... 4G, vì vậy vấn đề điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA là rất quan trọng Chương III : Điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA 3.1 Mục đích của điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA Dung lượng của hệ thống MC-CDMA bị giới hạn bởi nhiễu từ các user khác vì tất cả user trong một cell chia sẻ cùng một băng tần Hiệu ứng gần – xa và Fading làm cho công suất thu được ở trạm gốc của mạng... suất, điều khiển công suất không thể bám theo sự thay đổi của kênh truyền Dưới ảnh hưởng của kênh truyền fading nhanh, hai mô hình điều khiển công suất fixed-level và multilevel tạo ra lệnh điều khiển công suất không thích hợp để điều khiển công suất phát từ máy di động Do fading thay đổi theo thời gian và độ trể vòng hồi tiếp của lệnh điều khiển công suất gây ra sự không chính xác giữa công suất thu... lệnh điều khiển công suất Điều khiển công suất dự đoán trước không thích hợp với sơ đồ điều khiển công suất dựa vào người sử dụng vì sự dự đoán hiệu ứng Fading dựa vào người sử dụng không có ý nghĩa đối với từng sóng mang Trạm gốc SNR chuẩn Giai điều chế và trải phổ AWGN Quyết định lệnh SNR trung bình Các tín hiệu từ những người sử dụng Lệnh điều khiển công suất Fading Trạm di động Trải phổ và điều . khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA là rất quan trọng. Chương III : Điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA 3.1 Mục đích của điều khiển công suất trong hệ thống MC-CDMA Dung lượng của hệ. hệ thống MC-CDMA Dung lượng của hệ thống MC-CDMA phụ thuộc vào sự hiệu quả của mô hình điều khiển công suất, đặc biệt ở đường lên. Điều khiển công suất đường lên chính là điều khiển công suất. dịch. 1.1.2 Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA Trong thiết kế hệ thống CDMA người ta mong muốn tăng lên tột độ số lượng khách hàng gọi cùng lúc trong dải thông nhất định. Khi công suất phát