Slide Bài Giảng Bài Giảng Đa Truy Nhập Vô Tuyến Chương 3 Tạo Mã

Đa truy nhập vơ tuyến
KHOA VIỄN THƠNG 1

BÀI GIẢNG

ĐA TRUY NHẬP VƠ TUYẾN

Chương 3

TẠO MÃ
Nguyễn Viết Đảm

Khoa Viễn thơng 1
HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
Địa chỉ: PTIT- Km10- Đường Nguyễn Trãi, Quận Hà đông, Thành phố Hà nội
Điện thoại: 0912699394
Email:

HàNguyễn
nội 01-2016
Viết Đảm

1


Đa truy nhập vơ tuyến
GIỚI THIỆU MƠN HỌC
– PHÂN BỔ CHƯƠNG TRÌNH

 Tên học phần:

Đa truy nhập vơ tuyến
 Tổng lượng kiến thức/Số tín chỉ:
45 tiết / 03 tín chỉ
 Phân bổ chương trình:
 Lý thuyết:
32 tiết
 Tiểu luận/Bài tập:
08 tiết
 Thực hành:
04 tiết
 Tự học:
01 tiết
 Đánh giá
 Chuyên cần:
10 %
 Thí nghiệm/Thực hành:
10 %
 Bài tập/Tiểu luận:
10 %
 Kiểm tra giữa kỳ:
10 %
 Thi kết thúc (Thi tự luận):
60 %
Nguyễn Viết Đảm

2


Đa truy nhập vô tuyến

Nội dung học phần:
Chương 1: Tổng quan đa truy nhập vô tuyến và kỹ thuật trải phổ

Chương 2: Các giao thức đa truy nhập
Chương 3: Tạo mã
Chương 4: Các hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp
Chương 5: Mơ hình kênh đa CDMA và hiệu năng
Chương 6: Mơ hình đa truy nhập vơ tuyến trong mơi trường pha
đinh di động và phân tập

Chương 7: Đa truy nhập OFDMA/SC-FDMA
Chương 8: Quản lý tài nguyên vô tuyến 4G-LTE

Chương 9: Định cỡ ô cho các hệ thống thông tin di động
Nguyễn Viết Đảm

3


Nội dung

Đa truy nhập vơ tuyến

3.1. GIỚI THIỆU
3.1.1. Mục đích
3.1.2. Nội dung
3.2. CHUỖI PN
3.3. TỰ TƯƠNG QUAN VÀ TƯƠNG QUAN CHÉO
3.3.1. Hàm tự tương quan
3.3.2. Hàm tương quan chéo

3.4. THUỘC TÍNH QUAN TRỌNG CỦA CHUỖI m
3.5. MÃ GOLD
3.5.1. Nguyên lý
3.5.2. Tạo chuỗi Gold để mã hóa trong 3G UMTS
3.5.2.1. Bộ tạo mã ngẫu nhiên đường lên
3.5.2.2. Bộ tạo mã ngẫu nhiên đường xuống
3.5.3. Tạo chuỗi Gold để ngẫu nhiên hóa trong LTE
3.6. MÃ TRỰC GIAO
3.6.1. Mã WALSH
3.6.2. Mã GOLAY
3.6.3. Chuỗi Zadoff-Chu
6.3.3.1. Sử dụng để nhận dạng ô trong LTE
3.6.3.2. Tạo tín hiệu tham chuẩn đường lên dựa trên chuỗi Zadoff-Chu
3.7. ÁP DỤNG MÃ TRONG CÁC HỆ THỐNG CDMA
3.8. TỔNG KẾT
3.9. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
Nguyễn Viết Đảm

4


Đa truy nhập vơ tuyến

3.1. Giới thiệu
Mục đích





Hiểu vị trí vai trò của các mã được dùng trong hệ thống đa truy nhập vô tuyến.
Hiểu cách tạo ra chuỗi PN
Hiểu các thuộc tính của chuỗi m đặc biệt là thuộc tính tương quan
Hiểu cách tạo mã định kênh, mã ngẫu nhiên và cách sử dụng chúng trong hệ
thống W-CDMA.

Nội dung








Các chuỗi PN
Tự tương quan và tương quan chéo
Một số thuộc tính quan trọng của chuỗi m
Mã Gold
Các mã trực giao
Áp dụng mã trong các hệ thống CDMA
Tổng kết, câu hỏi và bài tập, mô phỏng
Nguyễn Viết Đảm

5


a truy nhp vụ tuyn

3.1. Gii thiu

Từ các
nguồn khác
Các bit
kênh
Nguồn
tin

Lập
khuôn

MÃ hoá
nguồn

Mật
mÃ

MÃ hoá
kênh

Ghép
kênh

Điều
chế

Trải
phổ

Đa
thâm

nhập

Đầu
vào số
Luồng bit

Đồng bộ

K
ê
n
h

Dạng sóng số

Đầu ra
số

Nhận
tin

Lập
khuôn

Giải
mÃ
nguồn

Giải
mật

mÃ

Giải
mÃ
kênh

Gải
ghép
kênh

Gải
điều chế

Giải
trải
phổ

TX

Đa
thâm
nhập

RX

Các bit
kênh
Đến các nơi
nhận khác

Tuỳ chọn

Bắt buộc
Nguyn Vit m

6


Đa truy nhập vơ tuyến

Mơ hình đơn giản của hệ thống DS_SS
Tx1

Rx1
b1(t), c1(t)

Txk

Chuyển
đổi mức

b1(t), c1(t)

Rxk

TxK

Giải
điều chế

Điều chế
BPSK

Trải phổ
d
(t)
bk(t)
k
0®+1
{0,1}
1®-1 {+1,-1}
2
3
1
1
Rb =
Rb =
Tb
2Eb
Tb
cos(2pfct)
T
b
ck(t)
Bộ tạo
{+1,-1}
mã
1
Rc =
Tc

1

4

Giải trải
phổ
6

5

2
cos(2pfct)
Tb

u(t)

Tb

(.)dt
0

Bộ lọc
v(t)

ck(t) Bộ tạo
{+1,-1} mã
1
Rc =
Tc

Mạch quyết
định

1
Rb =
Tb

bk(t)
{0,1}

RxK
bK(t), cK(t)

bK(t), cK(t)
Nguyễn Viết Đảm

7


Đa truy nhập vơ tuyến

3.2. Chuỗi PN
• PN generator produces periodic sequence
that appears to be random
• PN Sequences
– Generated by an algorithm using initial seed
– Sequence isn’t statistically random but will
pass many test of randomness
– Sequences referred to as pseudorandom
numbers or pseudonoise sequences

– Unless algorithm and seed are known, the
sequence is impractical to predict
Nguyễn Viết Đảm

8


Đa truy nhập vơ tuyến

3.2. Chuỗi PN
 Thuộc tính giả ngẫu nhiên

• Tính ngẫu nhiên (Randomness)
– Phân bố đều (Uniform distribution)
–Thuộc tính cân bằng (Balance property)
–Thuộc tính chạy (Run property)
– Tính độc lập (Independence)
– Thuộc tính tương quan (Correlation property)

• Tính khơng dự đốn trước
(Unpredictability)
Nguyễn Viết Đảm

9


Mạch thanh ghi dịch để tạo chuỗi PN

Đa truy nhập vô tuyến

g ( x)  g m x m  g m 1 x m 1  ...  g1 x g 0
đặt g(x)=0; g m =g 0 =1; do -1=1mod (2)

1  g1 x  g 2 x 2  ...  g m 1 x m  2  g m 1 x m 1  x m
x k : Thể hiện đơn vị trễ
gi 1  Khãa ®ãng
0  Khãa më



g1
ci
x0

Si(1)

g2
Si(2)

x1

g3

g m-1

Si(3)

x2

Si(m)

x3

x m-1

ci-m 0
xm

1

1
1

Đến bộ
điều chế

Ci = g 1Ci-1 + g 2 C i-2 +... + g m-1C i-m+1 + C i-m  Mod2  , víi i >0
S i =si (1),si (2),...,si (m)  ; đầu ra xung nhịp thứ i Ci -m = S i (m)
Trạng thái của thanh ghi dịch tại xung nhịp i
Si ( j ) l à giá trị phần tử nhớ thứ j tại xung nhịp i

có chu kỳ cực đại N = 2 m -1 = số trạng thái khác 0 cực đại

Nguyn Vit m

10


Si(1)

Si(3)

Si(2)

0
Mt n
-AND

0

1

Bộ tạo mà có đa thức
g ( x) x  x  x  x  1
5

4

3

Si(4)

0

Si(5)

Xung đồng
i
Trạng thái
Đa truy nhập

vô hồ
tuyến
(c)i =S i (5)
0
11111

1

T 7c

i

Ci = Ci-1 + Ci-3 + Ci-4 + Ci-5  Mod2 

Mạch thanh ghi dịch
để tạo chuỗi PN

m bit đầu tiên của chuỗi ra = các bit được nạp vào thanh ghi dịch S0
Với các nạp ban đầu khác S0, chuỗi ra là dịch phải (2m-1)- i của chuỗi với S0.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

11
12
13
14
15

Xung đồng hồ i

01111
10111
01011
00101
00010
10001
01000
00100
10010
01001
10100
01010
10101
11010
01101

Với mọi trạng thái khởi đầu S 0 0, 0, 0, 0, 0 ,

16
17
18
19

20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33

Trng thỏi
00110
00011
00001
10000
11000
11100
01110
00111
10011
11001
01100
10110
11011
11101

11110
11111
01111
Lp li

trạng thái của thanh ghi dịch thay đổi theo điều kiện hồi quy
được xác định bởi đa thức tạo mà g(x).
Chuỗi ra đầu ra nhÞp thø i Ci-m =S i ( m )
cã chu kỳ cực đại của chuỗi ra N= 2m -1=25 131

1 1 1 1 1, đầu ra C1 = 1111101000100101011000011100110...
S0
0 0 0 0 1 đầu ra C2 = 1000011100110111110100010010101...
C2 là dịch sang Nguyn
phải (NVit
-i =31-18=13)
đơn vị của chuỗi C1
m

11


Đa truy nhập vô tuyến

3.3. Tự tương quan và tương quan chéo
Tự tương quan của tín hiệu

Rx ( )  lim
T ®

1
T

Tương quan chéo giữa hai tín hiệu

 T



x (t ) x (t )dt



đánh giá mức độ giống nhau giữa tín hiệu x(t) và
phiên bản dịch thời x ( t  ) cđa nã trong ®ã
x ( t ): là tín hiệu kiểu công suất

1
Rxy ( ) lim
T đ T

T



x(t ) y (t )dt

Tương quan chéo giữa hai tín hiệu kiểu công suất

Hàm tự tương quan của chuỗi m là hiệu số giữa

các bit giống nhau và các bít khác nhau giữa
chuỗi c và chuỗi dịch thời T i c của nó

Tng quan chộo v t tng quan ca chui

Tự tương quan không chuẩn hóa và chuẩn hóa giữa hai chuỗi m:
0 1
= 0  1 ;
R (i) 
0  1
0 : Sè bÝt gièng nhau
1: SèNguyễn
bÝt kh¸c
nhau
Viết Đảm

12


Đa truy nhập vơ tuyến

3.4. Thuộc tính quan trọng của chuỗi m

Khái niệm:
Chuỗi m (chuỗi nhị phân có độ dài cực đại)
là chuỗi được tạo ra bởi thanh nghi dịch hồi
tiếp tuyến tính có chu kỳ cực đại N = 2m -1
trong đó m là số đơn vị nhớ của thanh nghi
dịch (số tầng, là bậc của đa thức tạo mã).

Maximal length sequence or m- sequence
Nguyễn Viết Đảm

13


Đa truy nhập vơ tuyến

3.4. Thuộc tính quan trọng của chuỗi m

(1)Thuộc tính cửa sổ: Nếu một cửa sổ độ rộng
m trượt dọc chuỗi m trong tập Sm, mỗi dẫy
trong số 2m-1 dẫy m bit khác khơng này sẽ
được nhìn thấy đúng một lần.
VD: Xét cửa sổ độ dài 4 cho chuỗi 000100110101111.
Tưởng tượng rằng chuỗi này được viết thành vòng

(2) Số số 1 nhiều hơn số số 0: Mội chuỗi m
trong tập Sm chứa 2m-1 số số 1 và 2m-1-1 số
số 0.
Nguyễn Viết Đảm

14


Đa truy nhập vô tuyến

(3) Hàm tự tương quan dạng đầu đinh:

3.4. Thuộc tính quan trọng của chuỗi m

N

c(t)= c i p(t-iTc )
i=1



1
đối
với
xung
lưỡng
cực
c =
0/1 đối với xung đơn cực

1,
0

t

T
c
p(t)
0, nếu khác
i

Phép nhân đối với chuỗi lưỡng cực ®­ỵc thay b»ng phÐo X OR   ®èi víi xung đơn cực và ngược lại
Hàm tự tương quan tuần hoàn chuẩn hóa của chuỗi m là : (i ) hàm chẵn; (ii ) hàm tuần hoàn dạng đầu ®inh
víi chu kú N  2m -1

Nguyễn Viết Đảm

15


Đa truy nhập vô tuyến

(3) Hàm tự tương quan dạng đầu đinh:

3.4. Thuộc tính quan trọng của chuỗi m
R (i)

1

N 1

1

( 1)

N

cj

ci

với i=0 modN

j

1
với i
N

j 0

0 modN

Nếu chuỗi m có dạng đơn cực:
Phép nhân đối với chuỗi lưỡng cực ®­ỵc thay b»ng
phÐp X OR   ®èi víi xung đơn cực và ngược lại

R (i)

1
N

1

N 1

c j ci
j 0

với i=0 modN

j

1
với i

N

0 modN

Nếu chuỗi m có dạng lưỡng cực
Nguyn Viết Đảm

16


Đa truy nhập vô tuyến

(3) Hàm tự tương quan dạng đầu đinh:

3.4. Thuộc tính quan trọng của chuỗi m
1
NTc lµ chu kỳ mÃ; Tc là độ rộng chip mÃ;

Tc

, 0

Tc

0

Rc

1
NTc

NTc

c t

c t dt

0

(1N

Nếu N

Tc

1

, nếu khác

1
Tc

N

( )

1
N

0), thì mà ngẫu nhiên hoàn toàn

a) Hm t tng quan cho chui m

R c (i)

1

-1/N
-N

0

b) Hàm tự tương quan chuỗi PN

N

i

Rc ( )

1

-1/N
-NTc

0
Nguyễn Viết Đảm

NTc

τ
17


Đa truy nhập vơ tuyến

3.4. Thuộc tính quan trọng của chuỗi m
(4) Các đoạn chạy (Runs): Một đoạn chạy là môt xâu các số "1" liên
tiếp hay một xâu các số "0" liên tiếp. Trong mọi chuỗi m, một nửa
số đoạn này có chiều dài 1, một phần tư có chiều dài 2, một phần
tám có chiều dài 3 chừng nào các phân số này còn cho một số
nguyên các đoạn chạy. Chẳng hạn có một đoạn chạy độ dài m
số"1", một đoạn chạy dài m-1 số "0" và đối với đoạn chạy độ dài
k, 0
(5) Lấy mẫu (Decimation): Lấy mẫu 1 từ n>0 của một chuỗi- m c
(nghĩa là lấy mẫu c cứ n bit mã một lần), được biểu thị c[n], có
chu kỳ bằng N/gcd(N,n) nếu khơng phải là chuỗi tồn khơng; đa
thức tạo mã g'(x) của nó có gốc là mũ n của các gốc của đa thức
tạo mã g(x).
Lấy mẫu một trong số
n=3 chữ số

ci

Nguyễn Viết Đảm

Xung đồng hồ

Trạng thái

0
1
2
3
4
5
6

111
011
001
100
010
101
110

1001110

Tạo chuỗi bằng lấy mẫu

18


Đa truy nhập vô tuyến

3.5. Mã Gold
 Nguyên lý tạo mã Gold
 Tạo chuỗi Gold để ngẫu nhiên hóa trong 3G

UMTS
 Bộ tạo mã ngẫu nhiên đường lên

 Bộ tạo mã ngẫu nhiên đường xuống
 Tạo chuỗi Gold để ngẫu nhiên hóa trong LTE

Nguyễn Viết Đảm

19


Đa truy nhập vô tuyến

3.5. Mã Gold
Nguyên lý tạo chuỗi Gold
Các giá trị
ban đầu

Bộ tạo chuỗi m
(LFSR)
Đồng hồ

x1(n)

(LFSR: Linear Feedback Shift Register)
Bộ tạo chuỗi m
(LFSR)

Các giá trị
ban đầu

x2(n)

c(n)

Tạo chuỗi mã Gold bằng cách XOR hai
chuỗi m với cùng nhịp đồng hồ

Bộ tạo chuỗi Gold

Tập n chuỗi Gold được rút ra từ một cặp các chuỗi m được ưa chuộng có
độ dài N=2m-1 bằng cách cộng modul-2 chuỗi m thứ nhất với các phiên
bản dịch vòng của chuỗi m thứ hai. Kết hợp với hai chuỗi m ta được một
họ N+2 mã Gold.
Nguyễn Viết Đảm

20


Đa truy nhập vô tuyến

3.5. Mã Gold
 Đặc trưng của chuỗi mã Gold
Mã Gold có thuộc tính trực giao (tương quan) tối hơn chuỗi mã m
Hàm t­¬ng quan cheo 3 giá tri: -1, -t(m), t(m)-2
Hm tự tương quan 4 giá tri:
2( m1) / 2  1;

t(m)  
2(m+2)/2  1 ;

2

m-1

,-1, -t(m), t(m)-2

với m lẻ
với m chẵn

cGold = {x1,x2, x1x2, x1T-1x2, x1T-2x2 , . . . . , x1T-(N-1)x2}
trong đó T-1x2 = {x2(1), x2(2), x2(3), ..... , x2(N-1),x2(0)} là dịch vòng trái của x2

Tỷ số t(m)/N  2-m/2 tiến tới 0 theo hàm mũ khi m tiến tới vô hạn <=>
chuỗi Gold dài sẽ là chuỗi mã trải phổ tốt trong hệ thống đa truy nhập
Nguyễn Viết Đảm

21


Đa truy nhập vô tuyến

3.5. Mã Gold
 Tạo mã Gold để ngẫu nhiên hóa đường lên trong 3G UMTS
Tạo hai chuỗi m (x1(n) và x2(n)) bởi đa thức phản hồi D25+D3+1 và D25+D3+D2+D+1
như sau:

x1(n+25)= x1(n+3)+x1(n) mod2
x2(n+25)=x2(n+3)+x2(n+2)+x2(n+1)+x2(n)mod2

x1(n) và x2(n) là các chuỗi m=25 => có độ dài là 1025-1 và n=0,1,..., 225-1. Các giá trị
ban đầu của hai chuỗi là:
a(n) n  0,1,..., 23
x1 (n)  
n  24
1
x 2 (n)= 1,
n=0,1,....., 24

x1(n)

c1(n)

D25 + D3 +1

D25+D3+D2+D+1
c2(n)
x2(n)

Nguyễn Viết Đảm

22


Đa truy nhập vô tuyến

3.5. Mã Gold
 Tạo mã Gold để ngẫu nhiên hóa đường xuống trong 3G UMTS

x1(n)

c1(n)

D18 + D7 +1

D18+D10+D7+D5 +1
c2(n)
x2(n)

Nguyễn Viết Đảm

23


Đa truy nhập vơ tuyến

3.5. Mã trực giao (Orthogonal Codes)
• Orthogonal codes
– All pairwise cross correlations are zero
– Fixed-and variable-length codes used in CDMA systems
– For CDMA application, each mobile user uses one sequence in the set as a
spreading code
• Provides zero cross correlation among all users

• Types
– Walsh codes
– Variable-Length Orthogonal codes

Typical Multiple Spreading Approach

• Spread data rate by an orthogonal code (channelization code)
– Provides mutual orthogonality among all users in the same cell

• Further spread result by a PN sequence (scrambling code)
– Provides mutual randomness (low cross correlation) between users in different cells
Nguyễn Viết Đảm

24


Đa truy nhập vô tuyến

3.5. Mã trực giao (Orthogonal Codes)
Spread Spectrum Multiple Access: Orthogonal
Waveforms
• Separation of individual user
signals done by Matched
Filter or Correlation Receiver
• In a Synchronized system,
there is zero inter-user
interference or noise
contribution
• In a single cell system,
capacity is limited by number
of orthogonal waveforms
possible = W/R (same as
TDMA & FDMA)

Signal i

X

900
Signal j

X

Nguyễn Viết Đảm

Signal k

X

25