intTypePromotion=3

Chuyên đề Vô Tuyến Truyền Thông: Kỹ thuật phân tập không gian thời gian trong hệ thống mạng WCDMA

Chia sẻ: Đặng Đình Sứng | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:51

0
265
lượt xem
90
download

Chuyên đề Vô Tuyến Truyền Thông: Kỹ thuật phân tập không gian thời gian trong hệ thống mạng WCDMA

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thời đại vô tuyến đã bắt đầu từ cách đây hơn 100 năm với sự phát minh ra máy điện báo radio của Gudlielmo Marconi và công nghệ không dây hiện nay đang được thiết lập với sự phát triển nhanh chóng đã đưa chúng ta vào một thế kỷ mới và một kỷ nguyên mới. Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật vô tuyến đang tạo ra nhiều dịch vụ mới và cải tiến với giá cả thấp hơn, dẫn đến sự gia tăng trong việc sử dụng khoảng không gian thời gian và số lượng các thuê bao. Các xu hướng này đang...

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Chuyên đề Vô Tuyến Truyền Thông: Kỹ thuật phân tập không gian thời gian trong hệ thống mạng WCDMA

  1. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 ĐỀ TÀI Chuyên đề Vô tuyến truyền thôn Giáo viên hướng dẫn : Ths Ngu yễn Viết Đảm Sinh viên thực hiện : Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm i
  2. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 LỜI NÓI ĐẦU Th ời đại vô tuyến đã bắt đầu từ cách đây hơn 100 năm với sự phát minh ra máy điện báo radio của Gudlielmo Marconi và công ngh ệ không dây hiện nay đang được thiết lập với sự phát triển nhanh chóng đã đưa chúng ta vào một thế kỷ mới và một kỷ nguyên mới. Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật vô tuyến đang tạo ra nhiều dịch vụ mới và cải tiến với giá cả thấp hơn, dẫn đến sự gia tăng trong việc sử dụng khoảng không gian thời gian và số lượng các thuê bao. Các xu hướng này đang tiếp tục tăng trong những năm tới. Mục tiêu của hệ thống thông tin thế hệ mới là cung cấp nhiều loại hình dịch vụ thông tin cho mọi người vào mọi lúc, mọi nơi. Các dịch vụ đ ược cung cấp cho thuê bao điện thoại di động thế hệ mới như truyền dữ liệu tốc độ cao, video và multimeadia cũng như dịch vụ thoại. Công nghệ thoả mãn được những yêu cầu này và làm cho các dịch vụ đó được sử dụng rộng rãi đ ược gọi là hệ thống di động thế hệ thứ 3 (3G). Hệ thống thế hệ thứ 3 đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt các tiêu chuẩn thế hệ 2 hiện có, cả về loại hình ứng dụng và dung lượng. Hệ thống di động số hiện tại được thiết kế tối ưu cho thông tin thoại, trong khi đó hệ thống 3G chú trọng đến khả năng truyền thông đa phương tiện. Hệ thống 3G điển h ình hiện nay là cdma2000 và WCDMA. WCDMA là phương thức đa truy cập phân chia theo mã băng rộng. Trong h ệ thống WCDMA, hệ số tái sử dụng tần số là 1, nên khi số thu ê bao tăng lên đồng nghĩa với nhiễu giao thoa đồng kênh tăng lên làm ảnh h ưởng đến dung lượng của hệ thống. Vì thế trong mạng WCDMA phải có nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu nhằm làm giảm ảnh hưởng của nhiễu. Các kỹ thuật đó gọi là kỹ thuật phân tập tín hiệu. Trong chuyên đề này, nhóm tôi sẽ tìm hiểu về kỹ thuật phân tập Không gian - Thời gian trong hệ thống mạng WCDMA với mục đích phân tập làm giảm ảnh h ưởng của nhiễu giao thoa và nhiễu fading lên tín hiệu thông qua việc làm tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở đầu ra của mảng anten dãy bằng cách điều khiển hướng búp sóng của anten dãy về hướng đến của tín hiệu thu và hướng Null về hướng đến của tín hiệu nh iễu giao thoa. Nội dung chuyên đ ề gồm 4 chương : - Chương 1: Trình bày ưu nhược điểm của hệ thống WCDMA và hướng giải quyết cho những nhược điểm. - Chương 2: Trình bày khái niệm phân tập không gian - thời gian. Phân tập anten bằng bộ thu Beamformer-Rake. - Chương 3: Trình bày các kỹ thuật xử lý phân tập không gian bằng bộ thu Beamformer. Các kỹ thuật xử lý bao gồm MSNR, MSINR và MMSE. - Chương 4 : Trình bày các thuật toán tính toán cho từng kỹ thuật Beamformer. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm ii
  3. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU ................................ ..................................................................... i MỤC LỤC ................................ ......................................................................... iii DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ................................ ................................ ................. vi CHƯƠNG 1: H Ệ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA ................................. 1 Giới thiệu chung ................................................................ ............................... 1 1 .1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 ............................................................ 1 1 .2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 ............................................................ 2 1 .3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3: ........................................................... 3 1 .4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (GSM) lên WCDMA................................ ................................ ........................................... 4 1 .5 Tổng quan về mạng WCDMA ................................ ..................................... 4 1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA ....................................................... 6 1.5.2 Nh ững đặc điểm then chốt của WCDMA ............................................. 7 1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA ....................................... 8 1.5.4 Tính đa dạng phân tập trong WCDMA ................................................ 9 Các kỹ thuật phân tập: ................................................................................... 10 Kết luận chương ................................................................ ............................. 10 CHƯƠNG 2: PHÂN TẬP KHÔNG GIAN - THỜI GIAN ............................. 11 2 .1 Giới thiệu ................................................................................................. 11 2 .2 Anten Mảng .............................................................................................. 11 2.2.1 Mảng anten dãy ................................................................................. 12 2 .3 Kỹ thuật Beamformer ................................ ............................................... 14 2.3.1 Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer với mảng ULA............................ 15 2 .4 Nguyên tắc lấy mẫu tín hiệu trong xử lý không gian ................................. 17 2 .5 Lợi ích của phân tập không gian.............................................................. 18 2 .6 Phân tập thời gian: Bộ thu Rake trong CDMA................................ .......... 18 2 .7 Bộ thu Beamformer_Rake ................................ ......................................... 20 Kết luận chương:................................ ............................................................ 21 CHƯƠNG 3: CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING ...................................... 22 3 .1 Giới Thiệu ................................................................................................ 22 3 .2 Kỹ thuật MSNR Beamforming ................................ ................................... 22 3.2.1 Cực đaị tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSNR) ........................................... 22 3.2.2 Phương th ức cải tiến SE cho Beamforming....................................... 24 3.2.3 Pha tín hiệu trong Eigen-Beamforming ............................................. 25 3 .3 Kỹ thuật MSINR Beamforming ................................................................ 26 3.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR) ............................................ 27 3.3.2 Xác định giá trị cực đại của tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSINR).......... 28 3 .4 Kỹ thuật MMSE Beamforming .................................................................. 29 Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm iii
  4. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 3 .5 So sánh MSINR và MMSE Beamforming trong một trường hợp đơn giản . 31 Kết luận chương ................................................................ ............................. 32 CHƯƠNG 4: CÁC THUẬT TOÁN BEAMFORMING ................................. 33 Giới thiệu chương .......................................................................................... 33 4 .1 Định nghĩa ma trận đánh giá độ phức tạp tính toán.................................. 33 4 .2 Thuật toán cho kỹ thuật MSNR ................................................................. 33 4.2.1 Phương pháp power ................................................................ .......... 34 4.2.2 Phương pháp bội số Lagrange........................................................... 35 4.2.3 Phương pháp liên h ợp Gradient ........................................................ 38 4.2.4 Đánh giá chung các phương pháp ..................................................... 43 4.2.5 Mô hình bộ thu MMSE Beamformer-Rake trong WCDMA................. 43 Kết luận chương:................................ ............................................................ 44 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................ ................................ ................ 45 Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm iv
  5. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G......................................... 4 Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA................................................ 4 Hình 1.3 Phân bố tần số FDD và TDD................................................................. 5 Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường ................................ ........................................... 8 Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa .................................................................. 8 Hình 2.1 Mảng anten ULA ................................................................................. 12 Hình 2.2a Mô hình Beamformer & Hình 2.2b Búp sóng anten dãy ..................... 15 Hình 2.3 Đồ thị bức xạ của anten dãy đối với góc đến tín hiệu là 0o ................... 17 và nhiễu giao thoa là 45o. ................................................................................... 17 Hình 2.4 Mô hình bộ thu Rake............................................................................ 19 Hình 2.5 Bộ thu Beamformer-Rake..................................................................... 21 Hình 3.1 Biểu đồ thể hiện đồ thị bức xạ của anten ULA ..................................... 31 theo các kỹ thuật MSINR và MMSE................................................................ .... 31 Hình 3.2 Giản đồ BER theo các kỹ thuật MSINR và MMSE................................ 32 Hình 4.1 Lưu đ ồ thuật toán của phương pháp bội số lagrange ........................... 36 Hình 4.2 Lưu đ ồ thuật toán của phương pháp bội số lagrange đã đ ược đơn giản. ................................ ........................................................................................... 38 Hình 4.3 Lưu đồ thuật toán của phương pháp liên hợp gradient...................... 41 Hình 4.4 Lưu đ ồ thuật toán của phương pháp liên hợp Gradient đã đơn giản .... 42 Hình 4.5 Mô hình bộ thu MMSE Beamformer-Rake trong WCDMA ................... 43 Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm v
  6. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Góc đến tín hiệu AOA Angle of Arrival Cộng nhiễu trắng AWGN Additive White Gaussian Noise Tỷ lệ lỗi bít BER Bit Error Rate Điều chế pha PSK 2 mức BPSK Binary Phase Shift Keying Đa truy cập phân chia theo CDMA Code Division Multiplex Access mã Mã hoá cổng CG Coding Gain dB Decibel Ma trận đảo trực tiếp DMI Diercted Matric Invesion Kênh điều khiển vật lý DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển dữ liệu DPDCH Dedicated Physical Data Channel Tổ hợp cùng độ lợi EGC Equal Gain Combine Nhiễu xuyên ký tự ISI Inter Symbol Interfere Nhóm các giá trị riêng GE Generalized Eigenvalue ML Maximum Likelihood Cực đại tối ưu Đánh giá chuổi cực đại tối MLSE Maximum Likelihood Sequence ưu Estimation Tối thiểu b ình phương sai MMSE Minimum Mean Square Error lệnh Bộ tổ hợp tỷ số tối đa MRC Maximum Ratio Combine Division Điều chế tần số trực giao OFDM Orthogonal Frequency Multiplexing Điều chế biên độ xung PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế pha PSK Phase Shift Keying Điều chế QAM QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế QPSK Quadrature Phase Shift Keying RF Radio Frequence Sóng radio Bộ tổ hợp chọn lọc SC Selected Combine Giá trị riêng đơn giản SE Simple Eigen Tỷ lệ lỗi ký tự SER Symbol Error Rate Tỷ số tín hiệu/ nhiễu giao SINR Signal to Interference plus-Noise thoa và nhiễu nhiệt Ratio Vào đơn ra đơn SISO Single Input Single Output Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR Signal to Noise Ratio Mã hoá lư ới TCM TCM Trellis Code Modulation Đa truy cập phân chia theo TDMA Time Division Multiple Access thời gian Mạng không dây WLAN Wireless Local Area Network WCDMA Wideband Code Division Đa truy cập phân chia theo Multiplex Access mã băng rộng Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm vi
  7. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA Giới thiệu chung Trong những năm gần đây, công nghệ không dây là ch ủ đề đ ược nhiều chuyên gia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông. Trong thời gian n ày công ngh ệ n ày đư ợc rất nhiều n gười sử dụng và đã trải qua rất nhiều thay đổi. Quá trình thay đ ổi thể hiện qua các thế hệ:  Thế hệ không dây thứ nhất là th ế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA).  Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).  Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhãy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và ứng dụng so với các thế hệ trước đó, và có kh ả năng cung cấp các dịch vụ đa phơng tiện gói. 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Với FDMA, khách hàng được cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ đồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thì nó dò sóng tìm đ ến kênh điều khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nh ận được dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng . Trong trường hợp số thuê bao nhiều h ơn số lượng kênh tần số có thể, th ì một số người bị chặn lại không được truy cập. Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2 N d ải tần số kế tiếp, và được cách nhau bởi một dải tần số phòng vệ . Mỗi dải tần số được gán cho một kênh liên lạc. N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân cách là N d ải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống. Đặc điểm : Mỗi MS được cấp phát một đôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thông - tuyến. Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là đáng kể. - BTS ph ải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS. - Hệ thống FDMA điển hình là h ệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile Phone System). Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy cập Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 1
  8. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 đơn giản. Tuy nhiên, h ệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ. Vì thế, hệ thống di động thứ 2 ra đời được cải thiện về cả dung lượng và tốc độ. 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, h ệ thống thông tin di động thế hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lư ợng lớn các thuê bao di động dựa trên công ngh ệ số. Tất cả hệ thống thông tin di động th ế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số và sử dụng 2 phương pháp đa truy cập : Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA. - Đa truy cập phân chia theo mã CDMA. - Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA: Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗ i dải tần liên lạc n ày được d ùng cho N kênh liên lạc, mỗ i kênh liên lạc là một khe thời gian trong chu kì một khung. Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen khe thời gian, mỗi thu ê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung. Đặc điểm: Tín hiệu của thu ê bao được truyền dẫn số . - - Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di động và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc. Việc phân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùng một lúc mà không có sự can nhiễu lẩn nhau. Giảm số máy thu ở BTS. - Giảm nhiểu giao thoa. - Hệ thống TDMA điển hình là h ệ thống di động toàn cầu GSM. Máy di động kỹ thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương tự có khả năng xử lý không quá 106 lệnh trong 1 giây, còn trong MS số TDMA phải có khả năng xử lý 50.106 lệnh trong 1 giây. Đa truy cập phân chia theo mã CDMA: Trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi m à không sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được phân biệt với Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 2
  9. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, được cấp phát khác nhau cho mỗi người sử dụng. Đặc điểm Dải tần tín hiệu rộng . - Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp. - - Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất nhỏ và chống fading hiệu quả hơn TDMA và FDMA. - Việc các thuê bao trong cùng cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn đ ơn giản và việc thay đổi , chuyển giao, điều khiển dung lượng cell thực hiện rất linh hoạt . 1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3: Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa d ạng của ngư ời sử dụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệ thứ 3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 đưa ra các muc tiêu chính sau: - Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập Internet nhanh ho ặc các dịch vụ đa phương tiện. - Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện thoại vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng của các h ệ thống thông tin di động. - Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát triển liên tục của thông tin di động. 3G hứa hẹn tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh , 384 Kbps cho người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho ngư ời dùng trên moto. Công ngh ệ 3G dùng sóng mang 5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz như của CDMA nên 3G nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 ITM-2000 đ ã đ ược đề xuất, trong đó 2 hệ thống WCDMA và cdma-2000 đã đ ược ITU chấp thuận và đang được áp dụng trong những năm gần đây. Các hệ thống n ày đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chu ẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô tuyến. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 3
  10. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 1.4 Lộ trình phá t triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (GSM) lên WCDMA Hình 1.1. Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G Để đảm bảo ứng dụng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình ảnh đồng thời đảm bảo tính kinh tế , hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sẽ được chuyển đổi sang thế hệ 3. Quá trình đó được tổng quát trên hình 1.1. Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA như sau: GSM WCDM HSCSD GPRS Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA Ký hiệu:  GSM: Global System for Mobile Communication: Hệ thống thông tin di động toàn cầu.  HSCSD: Hight Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao.  GPRS: General Packet Radio Services: Dịch vụ gói vô tuyến chung.  WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng. 1.5 Tổng quan về mạng WCDMA WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng) là một trong những hệ thống thông tin di động thế hệ 3, sử dụng công nghệ CDMA. Công nghệ CDMA ( Code Division Multiple Access: Đa truy cập p hân chia theo mã), là m ột công nghệ không dây, số sử dụng kỹ thuật trải phổ để phân tần tín hiệu vô tuyến trong một dãi tần số rộng. Trong công nghệ CDMA, nhiều người sử dụng chung một thời gian và tần số. Mã PN (giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo thấp, được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 4
  11. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 Đầu thu tạo ra một dãy PN như đ ầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngư ợc các tín hiệu đồng bộ thu đ ược. Cũng giống như TDMA, WCDMA là m ột trong nhiều công nghệ chủ đạo để mạng thông tin di động hoạt động. Nó cũng được biết như là một giao diện vô tuyến hay công nghệ đa truy xuất. WCDMA là m ột giao diện vô tuyến phức tạp và tiên tiến trong lĩnh vực thông tin di động. WCDMA có 2 chế độ khác nhau là FDD và TDD. Khả năng làm việc đ ược ở cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau.  FDD (Frequency Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đó truyền dẫn đường lên và đường xuống sử dụng hai tần số riêng biệt. Ở FDD đường lên và đường xuống sử dụng hai băng tần khác nhau. Hệ thống đư ợc phân bố một cặp băng tần riêng biệt  TDD (Time Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đó đường lên và đường xuống đ ược thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử dụng những khe thời gian luân phiên. Ở TDD các khe thời gian trong các kênh vật lý đư ợc chia thành hai phần : phần phát và phần thu. Thông tin đường xuống và đường lên được truyền dẫn luân phiên. 1900 1920 1980 2020 2025 2110 2170 (MHz) TDD TDD FDD FDD RX/TX RX/TX Uplink Downlink t t 5MHz 5MHz Đư ờng xuống Khoảng Bảo vệ Đư ờng Đư ờng xuống l ên Đư ờng l ên FDD TDD f f Hình 1.3 Phân bố tần số FDD và TDD Khả năng làm việc của cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu qu ả phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau. Ba thông số cơ bản của mạng WCDMA:  Lớp truy nhập: được tạo ra bởi các trạm gốc (node B) và các bộ điều khiển mạng vô tuyến khác nhau để phân tích và điều khiển lưu lư ợng vô tuyến. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 5
  12. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03  Mạng lõi có hai vai trò chính :  Giải quyết việc định hư ớng hay định tuyến đến nơi mà cuộc gọi hoặc số liệu gửi đến. Phương tiện cơ bản là sử dụng hệ thống chuyển mạch để định tuyến thông tin qua một số máy chủ khác nhau xung quanh mạng.  Là một mạng đường trục và giải quyết các chức năng kỹ thuật, khả năng truy nh ập thuận tiện tới mạng số liệu gói khác, cung cấp một giao diện với Internet và phân loại thông tin tính cước và bảo mật.  Lớp dịch vụ điều khiển các ưu tiên, các đ ặc tính và kh ả năng truy nhập cơ bản của thu ê bao tới các d ịch vụ nâng cao đã làm cho 3G có một vị trí tuyệt vời. 1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA  WCDMA là một phương pháp đa truy xu ất vô tuyến phân chia theo m ã trải phổ trực tiếp dải rộng, nghĩa là các bit thông tin của các user được trải đều ra trên một dải thông rộng bằng việc nhân dữ liệu của user với các mã ngẫu nhiên (gọi là chip) nhận đư ợc trải phổ trong WCDMA.  Tốc độ chip 3.84Mcps được sử dụng cho ghép dải thông sóng mang xấp xỉ tới 5MHz. Dải thông sóng mang của WCDMA rộng như thế gắn liền với tốc độ dữ liệu của uesr cao và còn có hiệu quả nâng cao khả năng phân tập tần số. Các nhà qu ản lý mạng có thể tăng dung lượng nhờ dải thông của sóng mang là 5MHz. Khoảng cách các sóng mang có thể chọn trên những khoảng 200KHz giữa khoảng 4.4 đến 5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang.  WCDMA cung cấp tốc độ khả biến cho các user rất cao, hiểu theo cách khác chính là d ải thông theo yêu cầu cũng đư ợc cung cấp. Mỗi user được cung cấp một khung giây có chu kỳ 10ms trong khi tốc độ dữ liệu vẫn giữ nguyên không đổi. Tuy nhiên dung lượng dữ liệu có thể thay đổi từ khung này đến khung khác.  WCDMA cung cấp hai chế độ hoạt động cơ bản là FDD và TDD. Trong FDD các kho ảng tần số sóng mang 5MHz được sử dụng cho sóng mang hướng lên và hướng xuống riêng rẽ, trong khi đó TDD chỉ có một khoảng 5MHz được dùng cho cả h ướng lên và hướng xuống.  WCDMA cung cấp hoạt động bất đồng bộ cho các trạm gốc và do đó không giống nh ư hệ thống đồng bộ IS-95 CDMA, nó không cần thời gian chuẩn trên toàn cầu GPS.  WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho h ướng lên và hư ớng xuống nhờ các ký hiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, d ẫn tới tăng dung lượng và vùng phủ sóng . Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 6
  13. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03  WCDMA được thiết kế để phát triển nâng cấp cho chuẩn GSM vì vậy có thể chuyển giao giữa mạng GSM và mạng WCDMA. Phương thức đa truy xuất . DS-CDMA. Phương pháp ghép song công. FDD/TDD. Đồng bộ trạm gốc. Ho ạt động bất đồng bộ. Tốc độ chip. 3.84Mcps. Độ dài khung . 10ms. Đa dịch vụ với yêu cầu chất lượng dịch vụ Ghép dịch vụ. khác nhau được ghép trên một kết nối. Đa tốc độ. Hệ số trải phổ khả biến và đa mã. Tách sóng kết hợp nhờ sử dụng kênh hoa Tách sóng. tiêu. 1.5.2 Những đặc điểm then chốt của WCDMA Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có những đặc tính đáp ứng nhu cầu của thế hệ thứ 3. Những đ ặc điểm chủ yếu trong hệ thống WCDMA là :  Cải thiện những hệ thống thế hệ thứ 2 bao gồm: cải thiện dung lượng, cải thiện vùng phủ sóng, bao gồm cả khả năng di chuyển những dịch vụ thế hệ thứ 2 sang thế hệ thứ 3.  Tính linh hoạt cao của dịch vụ bao gồm: Có các dịch vụ tốc độ bit cực đại trên 2 Mb/s và các dịch vụ ghép song song trên một kết nối.  Thực hiện truy nhập gói hiệu quả và tin cậy.  Tính linh hoạt cao của vận hành bao gồm: Hỗ trợ hoạt động không đồng bộ giữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều môi trường. Hỗ trợ một cách có hiệu quả dạng hoạt động khác chẳng hạn cấu trúc ô có bậc. Sử dụng kỷ thuật tiến bộ như phối hợp anten dàn và tách người dùng. Mô hình TDD được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường không kết hợp.  Cải thiện dung lượng: Độ rộng băng tần lớn của WCDMA làm tăng hiệu su ất vốn có trên các h ệ thống tế b ào trước đó do nó làm giảm fading của tín hiệu vô tuyến. Ta biết rằng WCDMA sử dụng điều chế kết hợp ở đường lên, đây là tính năng không th ể thực hiện đ ược ở trong các hệ thống CDMA tế b ào. Điều khiển công suất chắc chắn ở đư ờng xuống sẽ có hiệu suất ho àn h ảo, đặc biệt ở môi trường trong nhà và môi trường ngo ài trời có tốc độ thấp. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 7
  14. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 Nói chung, đối với dịch vụ thoại, sự cải thiện này là một b ước tiến vì đ ây là một trong hai yếu tố làm tăng dung lượng cell của WCDMA. 1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA Trong kênh thông tin vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu đ ược chỉ bao gồm một tín hiệu đến trực tiếp. Song, trong thực tế điều đó là không thể xảy ra, tín hiệu sẽ bị thay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu thu được sẽ là sự kết hợp các thành phần khác nhau: tín hiệu suy giảm, khúc xạ, nhiễu xạ của các tín hiệu khác…WCDMA là hệ thống di động vô tuyến nên sẽ bị ảnh hưởng bởi điều đó. Sau đây là mô hình của hai loại nhiễu chính, đó là nhiễu fadinh nhiều tia và nhiễu giao thoa. Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 8
  15. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 Để làm giảm các ảnh hưởng của các loại nhiễu trên, trong WCDMA có nhiều kỹ thuật xử lý đó là: mã hoá kênh, điều chế, trải phổ, phân tập…Trong chuyên đ ề này ta sẽ đi nghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu. 1.5.4 Tính đa dạng phân tập trong WCDMA Trong h ệ thống điều chế băng hẹp như điều chế FM tương tự ,sử dụng trong hệ thống thông tin di động tổ ong đầu tiên thì tính đ a đường tạo nên fading nghiêm trọng. Tính nghiêm trọng của đa đường fading được giảm đi trong điều chế CDMA băng rộng ,vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu nhận một cách độc lập .Nhưng hiện tư ợng đa đường xảy ra một cách liên tụ c trong hệ thống này do fading đa đường không thể loại trừ hoàn toàn được vì với các hiện tượng fading xảy ra một cách liên tục đó thì bộ điều chế không thể xử lí tín hiệu thu một cách độc lập được. Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading,có 3 lo ại phân tập là theo tần số ,theo thời gian và theo kho ảng cách .Phân tập theo thời gian đạt đ ược nhờ sử dụng việc chèn và mã sữa sai .Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất cả các hệ thống có tốc độ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa sai yêu cầu. Hệ thống CDMA băng rộng ưứngduụngviệc phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng báo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên hợp với tần số thường có ảnh hư ởng đến băng tần báo hiệu(200 -300kHz). Nhưng với một băng tần rộng thì fading ít ảnh h ưởng đến tín hiệu hơn .Phân tập theo khoảng cách hay đường truyền thư ờng đạt đư ợc theo 3 phương pháp sau: -Thiết lập nhiều đường báo hiệu(chuyển vùng m ềm) để kết nối máy di động với 2 hoặc nhiều trạm gốc BTS. -Sử dụng môi trường đa đường qua chức năng trải p hổ giống như bộ thu quét thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian. -Đặt nhiều anten tại BS (anten mảng). Phân tập theo khoảng cách có thể dễ dàng được áp dụng đối với hệ thống TDMA và FDMA. Phân tập theo thời gian có th ể đ ược áp dụng cho tất cả các hệ thống số có tốc độ mã truyền d ẩn cao mà thủ tục sữa sai yêu cầu. Phân tập theo tần số có thể dể dàng được áp dụng cho hệ thống CDMA. Bộ điều khiển đa đ ường tách dạng sóng nhờ sử dụng bộ tương quan song song. Máy di động sử dụng 3 bộ tương quan ,BTS sử dụng 4 bộ tương quan. Máy thu có bộ tương quan song song gọi là máy thu quét (Rake), nó xác định tín hiệu thu theo mỗi đường và tổ hợp, giải điều chế tất cả các tín hiệu thu được. Fading có thể xuất hiện ở các đư ờng tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đư ờng tín hiệu thu.Vì vậy tổng các tính hiệu thu được có độ tin cậy cao vì rất ít có fading đồng thời giữa cá đường tín hiệu thu được. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 9
  16. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 Nhiều bộ tách tương quan có th ể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thống thông tin có 2 BTS sao cho có th ể thực hiện chuyển vùng mềm cho thuê bao di động. Các kỹ thuật phân tập:  Phân tập thời gian: Đây là phương pháp phân tập cơ bản nhất, dùng những khe thời gian tại những thời điểm khác nhau để truyền cùng một tín hiệu ban đầu, như vậy tại đầu thu ta có thể nhận đư ợc nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều thời điểm. Hoặc cùng một tín hiệu thu, có thể đ ược thu theo nhiều khoảng thời gian trễ khác nhau để chọn ra được tín hiệu thu tốt nhất.  Phân tập tần số: Nguyên lý cơ bản của bất kỳ loại sóng nào (cả sóng cơ và sóng điền từ ) thì chỉ giao thoa với nhau khi có cùng tần số hay vùng tần số lân cận. Phân tập tần số dựa vào đặc tính này, dùng nhiều tần số khác nhau để truyền cùng một tín hiệu, như vậy tại đầu thu sẽ thu được cùng một tín hiệu tại nhiều tần số khác nhau.  Phân tập không gian ( hay phân tập anten ): Trong kiểu phân tập này chúng ta dùng nhiều anten đặt tại nhiều vị trí khác nhau, có độ phân cực khác nhau để truyền hay thu cùng một tín hiệu . Phương pháp này sẽ không làm mất độ rộng băng thông của hệ thống. Kết luận chương Chương này đ ã giới thiệu tổng quan về các thế hệ thông tin di động, đặc biệt là hệ thống WCDMA, các ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống di động. Cuối chương là phần giới thiệu về các kỹ thuật phân tập để giảm bớt nhiễu trong hệ thống vô tuyến. Trong chương tiếp theo sẽ đi sâu nghiên cứu về kỹ thuật phân tập không gian và thời gian. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 10
  17. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 CHƯƠNG 2: PHÂN TẬP KHÔNG GIAN - THỜI GIAN 2.1 Giới thiệu Dung lượng của hệ thống mạng tổ ong bị giới hạn bởi 2 yếu tố chính đó là nhiễu fading và nhiễu giao thoa sóng (multiple access interference : MAI). Một bộ thu 2 chiều (2 -D) có thể giảm được các nhiễu trên b ằng cách xử lý tín hiệu thu được trên cả hai miền không gian và thời gian . Ở đ ây, xử lý tín hiệu trong miền không gian là tiến h ành xử lý tín hiệu bằng cách phân tập anten, còn xử lý tín hiệu trên miền thời gian là tiến hành xử lý tín hiệu thu bằng cách phân tập thời gian. Việc kết hợp 2 kỹ thuật phân tập cho tín hiệu sẽ làm tăng ch ất lư ợng của tín hiệu tại bộ thu. Tuy bộ thu 2-D này có khả năng xử lý tín hiệu đồng thời trên miền không gian và thời gian song điều này đ òi hỏi phải có cấp độ tính toán phức tạp . Trong chương này chúng ta sẽ giới thiệu một số giải pháp đơn giản để xử lý tín hiệu trong miền không gian và thời gian. Mảng anten thích nghi có khả năng chống lại nhiễu fading hay MAI chỉ bằng cách xử lý không gian. Khi các thuê bao của hệ thống mạng trao đổi thông tin từ những địa điểm khác nhau, m ỗi thuê bao sẽ có một thông tin không gian duy nhất liên quan tới thuê bao đó. Mảng anten thích nghi có thể dựa vào đặc tính không gian của tín hiệu để giảm bớt nhiễu MAI. Việc xử lý này được thực hiện bởi bộ Beamformer .Beamformer có th ể là một giải pháp hữu hiệu để cải thiện cho hệ thống CDMA hoạt động tốt trong các kênh tín hiệu giao thoa với nhau. Dung lượng của hệ thống CDMA có thể được tăng lên b ằng cách giảm bớt nhiễu giao thoa co-channel. 2.2 Anten Mảng Anten m ảng là tập hợp gồm nhiều anten thành ph ần được bố trí tại những vị trí khác nhau trong không gian mảng .Các anten th ành phần này có thể được sắp xếp theo các cấu trúc hình học bất kỳ .Tuỳ theo cách sắp xếp đó m à m ảng có thể là mảng đường ,mảng tròn hay mảng phẳng . Mảng đường và mảng tròn là trường hợp đặc biệt của mảng phẳng .Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vào góc phát xạ của các anten thành phần , vào sự định hướng , vào vị trí của các anten , vào b iên độ và pha của tín hiệu đến. Nếu các anten của mảng là đẳng hướng th ì góc phát xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và tín hiệu đến mảng. Trong trường hợp n ày góc phát xạ của mảng được gọi là h ệ số mảng. Nếu các phần tử của mảng giống nhau nhưng không đẳng hướng thì góc phát xạ của mảng được tính theo hệ số mảng và các góc phát xạ th ành phần . Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 11
  18. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 2.2.1 Mảng anten dãy Nếu kho ảng cách giữa các phần tử trong mảng đường thẳng bằng nhau thì mảng được gọi là mảng anten dãy (ULA) .Hình vẽ sau mô tả một mảng ULA gồm N phần tử .Kho ảng cách giữa các phần tử trong mảng là d .Góc tín hiệu truyền đến mảng là θ (còn gọ i là góc AOA) . Tín hiệu thu đ ược tại anten đầu tiên của mảng được biểu diễn như sau : (2.1) x1 (t )  A1 (t ) cos{2f c t   (t )   } Với A1(t) : Biên độ tín hiệu đến anten . fc : Tần số sóng mang của tín hiệu . γ(t) : Hàm biểu thị sự biến đổi tín hiệu. β : Góc pha tín hiệu . Ngoài ra tín hiệu thu đư ợc tại phần tử đầu tiên có thể viết như sau : x1 (t )  A1 (t )e j{ (t )   } (2.2) Ta giả thiết rằng tín hiệu có dạng sóng phẳng được truyền đến mảng từ một khoảng cách rất xa và trong môi trường truyền đồng chất .Lúc này tín hiệu đến các ph ần tử trong mảng sẽ có sự sai biệt về thời gian .Tín hiệu đến phần tử thứ 2 trong m ảng sẽ chậm hơn ph ần tử thứ nhất một Hình 2.1 Mảng anten ULA kho ảng thời gian là  ,tương tự phần tử thứ N sẽ trễ một khoảng là N .Như th ế ta có thể biểu diễn tín hiệu thu được tại các phần tử khác trong mảng theo biểu thức tín hiệu thu được tại phần tử thứ nhất .Trong hình vẻ trên ta có thời gian trễ là : Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 12
  19. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 d sin  (2.3)  c Với c là vận tốc truyền sóng ánh sáng . Vậy ta có biểu thức tín hiệu thu được tại phần tử thứ 2 là : (2.4) x 2 (t )  x1 (t   )  A1 (t   ) cos{2f c (t   )   (t   )   } Thông thường fc là rất lớn so với dãy thông của tín hiệu ,vì vậy biểu thức (2.4) có thể được viết nh ư sau : x 2 (t )  A(t ) cos{2f c t  2f c   (t )   } (2.5) Hay x 2 (t )  A(t ) e j {2f c  ( t )   }  x1 (t )e j{2f c } (2.6) d sin  d j{ 2f c  j { 2 sin  } }  (2.7) c x 2 (t )  x1 (t )e  x1 (t )e Do đó tín hiệu nhận đư ợc tại phần tử thứ i của mảng là (i=1:N) d  j { 2 ( i 1) sin  }  (2.8) xi (t )  x1 (t ).e Ta định nghĩa một trường vector dùng đ ể biểu diễn tất cả các tín hiệu thu được trên các phần tử của mảng .Trường vector tín hiệu đó được biểu diễn như sau : x(t) =[x1(t) x2(t) ….. xn(t)]T (2.9) Ta cũng định nghĩa trường vector đáp ứng a (  ) của mảng như sau : d d  j{ 2 sin  }  j{ 2 ( N 1) sin  } T a  = [1 …… e ] (2.10)   e Vector đ áp ứng của mảng là một trường các giá trị phụ thuộc vào góc tín hiệu truyền đ ến mảng, vào cấu trúc hình học của mảng, cách bố trí các phần tử trong mảng và phụ thuộc vào tần số của tín h iệu đến mảng .Chúng ta giả thiết rằng trong phạm vi thay đổi của tần số sóng mang thì Vector đ áp ứng của mảng không thay đổi .Khi cấu trúc của mảng không thay đổi (ví dụ mảng ULA) và các phần tử của mảng là đẳng hướng ,th ì vector đáp ứng của mảng chỉ phụ thuộc vào AOA (góc tín hiệu đến mảng). Lúc này vector tín hiệu nhận đ ược từ mảng có thể được viết như sau : (2.11) x(t )  a( ) x(t ) Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 13
  20. Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 Để có đư ợc các điều trên thì ta phải giả thiết b ăng thông của tín hiệu phải nhỏ hơn nhiều lần thời gian truyền tín hiệu qua mảng .Giả thiết cho hiện tượng này được gọi là narrowband, tức là các tín hiệu thu được trong các phần tử của mảng sẽ có sự sai pha lẩn nhau ,song sự sai pha này có th ể là nhỏ. Vì thế mô hình narrowband vẫn chính xác cho những tín h iệu biến thiên dạng hình sin, đặc biệt là ở những tín hiệu có băng thông rất nhỏ so với thời gian truyền sóng qua mảng. Cũng vì lí do đó mà khi th ực hiện mô h ình Beamformer để giảm thiểu sự giao thoa thì ph ải nằm trong giới hạn cho phép của hiện tượng narrowband. Trong toàn bộ luận văn này chúng ta giả thiết rằng tín hiệu W-CDMA tho ả mãn narrowband . Th ời gian trễ trong quá trình truyền sóng từ phần tử đầu tiên đến phần tử cuối cùng của mảng đ ược tính như sau : ( N  1) d sin  (2.12)  max  c  Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là 2  ( N  1) 2 (2.13)  max  c c ( N  1) 2 fc ( N  1)  max   c 2 fc Nếu mảng có 4 phần tử và fc =2GHz 3 Ta có :  max  2.2000.10 6 Với hệ thống W-CDMA có băng thông tín hiệu là 5 MHz. Tỉ số giữa  max và băng thông tín hiệu được tính như sau : 3  5.10 6 =0.0037  max  2  2000.10 6 Như vậy giả thiết narrowband phù h ợp với hệ thống W-CDMA. 2.3 Kỹ thuật Beamformer Beamforming là một kỹ thuật xử lý không gian chung nhất được thực hiện trong những anten mảng. Trong hệ thống mạng di động tổ ong, tín hiệu h ữu ích của một cell thường bị tín hiệu các cell khác trộn lẫn vào gây nên hiện tượng nhiễu giao thoa tín hiệu. Bộ Beamformer có thể phân tách các tín hiệu trong vùng giao thoa sóng đ ể lấy ra tín hiệu mong muốn của cell đó. Trong bộ Beamformer, tín hiệu thu được từ các phần tử trong mảng được tổng hợp lại rồi chọn ra tín hiệu có ch ất lượng tốt nhất. Hình dưới mô tả nguyên lý chung của một bộ Beamformer. Giảng viên hướng dẫn: ThS. Nguyễn Viết Đảm 14

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản