Hệ thống lai ghép CDMA đa sóng mang-đa mã

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



HOÀNG VĂN TUẤN






HỆ THỐNG LAI GHÉP CDMA
ĐA SÓNG MANG-ĐA MÃ






LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà nội 2008
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



HOÀNG VĂN TUẤN



HỆ THỐNG LAI GHÉP CDMA
ĐA SÓNG MANG-ĐA MÃ




Ngành: Công nghệ Điện Tử - Viễn thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ



NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN VIẾT KÍNH














Hà nội 2008


- 1 -

Mục lục

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt
3
Danh mục hình vẽ và bảng
6

Lời nói đầu
8
Phần I: Giới thiệu các Hệ thống CDMA lai ghép
11
1.1 Kỹ thuật trải phổ CDMA
11
1.2 Hệ thống CDMA đa sóng mang
13
1.2.1 Mô tả hệ thống truyền dẫn Đa sóng mang
13
1.2.2 Mô hình hệ thống lai ghép CDMA đa sóng mang
17
1.2.3 Ưu nhược điểm của hệ thống MC CDMA
22
1.2.3.a Ưu điểm của MC CDMA
22
1.2.3.b Nhược điểm của MC CDMA
23
1.3 Hệ thống CDMA đa mã
24
1.3.1 Giới thiệu tổng quan
24
1.3.2 Các loại mã sử dụng trong hệ thống CDMA
24
1.3.2.a Mã Walsh
24
1.3.2.b Mã Gold và Kasami
25
1.3.3 Mô hình hệ thống CDMA đa mã
27

Phần II: Hệ thống lai ghép CDMA đa sóng mang đa mã
30
2.1 Mô hình hệ thống MTC-MC CDMA
30


- 2 -
2.2 Phân tích hệ thống MTC-MC CDMA
33
2.3 Hiệu năng của hệ thống MTC-MC CDMA
38
2.4 Sự thích nghi tốc độ của hệ thống MTC-MC CDMA trên kênh
fading đa đường
42
2.4.1 Mô hình kênh fading đa đường
42
2.4.1.a Kênh fading đa đường điển hình
42
2.4.1.b Đa đường do tán xạ và đa đường rời rạc
47
2.4.1.c Mô hình hóa kênh fading đa đường
47
2.4.2 Sự thích nghi tốc độ
52
2.4.3 Mô phỏng
55
Kết luận
62
Tài liệu tham khảo
63

Phụ lục: Mã nguồn một vài chương trình mô phỏng (Matlab)
65













- 3 -

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

3G
Third Generation
Thông tin di động thế hệ 3
4G
Fouth Generation
Thông tin di động thế hệ 4
AWGN
Additive White Gaussian Noise
Tạp âm Gauss trắng cộng tính
BCK
Biothogonal Code Keying

Khóa mã lưỡng trực giao
BER
Bit Erorr Rate
Tỷ lệ lỗi bit
BS
Base Station
Trạm gốc
CDM
Code Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo mã
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
Cdma2000
Code Division Multiple Access
2000 (American 3G Standard)
Đa truy nhập phân chia theo mã
theo chuẩn 3G của Mỹ
CP
Cyclic Prefix
Tiền tố vòng
DFT
Discrete Fourier Transform
Biến đổi Fourier rời rạc
DS
Direct Sequence
Chuỗi trực tiếp
DS-CDMA
Direct Sequence CDMA
CDMA chuỗi trực tiếp

EGC
Equal Gain Combining
Tổ hợp độ lợi cân bằng
FDM
Frequency Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia tần số
FDMA
Frequency Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia tần số
FFT
Fast Fourier Transform
Biến đổi Fourier nhanh
FH
Frequency Hopping
Nhảy tần
IC
Interference Cancellation
Triệt nhiễu
ICI
Inter-Carrier Interference
Nhiễu xuyên sóng mang
IDFT
Inverse Discrete Fourier Trasform
Biến đổi ngược Fourier rời rạc
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
Biến đổi ngược Fourier nhanh
IID
Independent Identically Distributed
Phân bố độc lập đồng nhất

IS-95
Interim Standard-95
Chuẩn tạm thời năm 95 của
CDMA
ISI
Inter-Symbol Interference
Nhiễu xuyên ký hiệu


- 4 -
LTV
Linear Time - Varying
Tuyến tính thay đổi theo thời gian
LTI
Linear Time - Invariant
Tuyến tính bất biến theo thời gian
MAI
Multiple Access Interference
Nhiễu đa truy nhập
MBCK
Multi-Code Biorthogonal Keying
Khóa mã lưỡng trực giao đa mã
MC-CDMA
Multicarrier CDMA
CDMA đa sóng mang
MC-DS-CDMA
Multicarrier-DS-CDMA
DS-CDMA đa sóng mang
MCM
Multi-Carrier Modulation

Điều chế đa sóng mang
MC-SS
Multi-Carrier Spread Spectrum
Trải phổ đa sóng mang
MF
Matched Filter
Bộ lọc hòa hợp
M-FSK
M-ary Frequency Shift Keying
Khóa dịch tần M-mức
MIMO
Multiple Input and Multiple Output
Thiết bị nhiều đầu vào – ra
ML
Maximum Likelihood
Luật hợp lý cực đại
MLSE
Maximum Likelihood Sequence
Estimation
Ước lượng chuỗi gần giống nhất
MLSSE
Maximum Likelihood Symbol-by-
Symbol Estimation
Ước lượng từng ký hiệu gần
giống nhất
MMSE
Minimum Mean Square Error
Lỗi bình phương trung bình cực
tiểu
MRC

Maximum Ratio Combining
Kết hợp tỷ số cực đại
MS
Mobile Station
Trạm di động
MTC CDMA
Multi-code CDMA
CDMA đa mã
MTC-MC CDMA
Multi-code Multicarrier CDMA
CDMA đa sóng mang Đa mã
MUI
Multiple User Interference
Nhiễu đa người dùng
Multicarrier-CDMA
Multicarrier-Code Division
Multiplexing
Đa truy nhập phân chia theo mã
đa sóng mang
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao
ORC
Orthogonal Restoring Combing
Kết hợp khôi phục trực giao
P/S
Parallel-to-Serial
Song song sang nối tiếp

PG
Processing Gain
Độ lợi xử lý


- 5 -
PIC
Parallel Interference Cancellation
Triệt nhiễu song song
PN
Pseudo Noise
Chuỗi giả ngẫu nhiên
QPSK
Quaternary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha cầu phương
S/P
Serial-to-Parallel
Nối tiếp sang song song
SINR
Signal to Interference Noise Ratio
Tỷ số công suất trung bình của tín
hiệu trên tạp âm cộng can nhiễu
SNR
Signal-to-Noise (power) Ratio
Tỷ số (công suất) tín hiệu trên tạp
âm

- 6 -

Danh mục hình vẽ và bảng

Hình 1.1 Nguyên lý trải phổ theo DS-CDMA
11
Hình 1.2 a) Máy phát; b) Phổ công suất phát; c) Máy thu RAKE
13
Hình 1.3 Hệ thống truyền dẫn đa sóng mang áp dụng OFDM
15
Hình 1.4 Mô hình hệ thống MC CDMA

18
Hình 1.5 Nguyên lý trải phổ của hệ thống MC CDMA
18
Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống Multicarrier-CDMA
20
Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống MC CDMA với N ≠ PG
21
Hình 1.8 Bộ tạo chuỗi Gold
26
Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống Multi-Code CDMA trực giao thông thường
27
Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc Máy phát (a) và máy thu (b) của hệ hống TC-
MC CDMA
31
Hình 2.2. Kết quả mô phỏng của BER theo SNR của hệ MC-CDMA,
MTC CDMA, và MTC-MC CDMA với M thay đổi. Tất cả hệ thống
này chiếm tổng băng tần như nhau
38
Hình 2.3. So sánh giữa phân tích lý thuyết với kết quả mô phỏng
(L=16) của BER theo SNR, trong trường hợp kênh sóng mang con độc
lập với nhau.
39
Hình 2.4: Đồ thị BER theo số người sử dụng trong hệ thống MC-
CDMA và hệ thống MTC-MC CDMA
40
Hình 2.5: SINR thu được Theo SNR với K, M thay đổi. Có thể thấy
rằng giá trị M không đổi với SINR phía thu
41
Hinh 2.6 Minh họa kênh fading đa đường
43

Hình 2.7 Minh họa đáp ứng xung kim của kênh và biên dạng trễ đa
đường
46
Hình 2.8 Độ lợi kênh fading Rayleigh
51
Hình 2.9 Biên dạng trễ công suất của mô hình 4 tia trong thành phố
52
Hình 2.10 Sự điều kiển tốc độ thích nghi trên kênh fading đa đường
55
Hình 2.11 Đồ thị BER theo SNR của hệ thống MTC CDMA sử dụng
mã Walsh, Gold, và Kasami trên kênh AWGN. (Số người dùng= 10
và 16)
57


- 7 -
Hình 2.12 Đồ thị BER theo Số người sử dụng trong hệ thống MTC
CDMA sử dụng mã Walsh, Gold, và Kasami trên kênh AWGN.
(SNR=10dB, M=16)
57
Hình 2.13 Đồ thị BER theo SNR trong hệ thống MTC CDMA sử dụng
mã Walsh, Gold, và Kasami trên kênh fading đa đường (số người
dùng=10 và 16)
58
Hình 2.14 Đồ thị BER theo số người dùng trong hệ thống MTC CDMA
trên kênh AWGN (SNR=10dB) và kênh fading (SNR=40dB), (M=16)
59
Hình 2.15 Đồ thị BER theo số người dùng trong hệ thống MTC CDMA
với có và không có thích nghi tốc độ trên kênh fading đa đường. (SNR
= 40dB, M=16 cho MTC CDMA không thích nghi tốc độ)

59
Hình 2.16 Đồ thị BER theo SNR cho MTC CDMA, MTC-MC CDMA
không có thích nghi tốc độ, và MTC-MC CDMA có thích nghi tốc độ
trên kênh fading đa đường. (số người sử dụng =10, sóng mang con=16
cho MTC-MC, M=16 cho MTC CDMA và MTC-MC CDMA không
thích nghi tốc độ)
60
Hình 2.17 Giá trị trung bình M theo số người dùng trong hệ thống
MTC-MC CDMA có thích nghi tốc độ trên kênh fading đa đường.
(SNR=40dB)
61
Bảng 1.1 Các giá trị đầu ra s
i
4
dùng ma trận Hadamard 4×4
29
Bảng 2.1 Biên dạng trễ công suất của dạng tế bào đô thị và đô thị xấu
với 6-tia
51
Bảng 2.2 Các thông số mô phỏng
56

- 8 -

Lời nói đầu

Hệ thống không dây tương lai như mạng tế bào thế hệ thứ 4 (4G) đòi
hỏi cung cấp một cách linh hoạt cho các thuê bao với các dịch vụ đa dạng
như thoại, dữ liệu, ảnh và truyền hình. Bởi vì các dịch vụ này có tốc độ dữ
liệu khác nhau rất nhiều, hệ thống thế hệ tương lai sẽ phải thích nghi với tính
đa dạng rất lớn của tốc độ dữ liệu. Đa truy cập phân chia mã (CDMA) đã
được chứng minh rất thành công cho hệ thống thoại tế bào lớn, nhưng có
một vài thái độ hoài nghi về việc liệu CDMA sẽ thích hợp tốt với truyền
khác thoại. Điều này đã thúc đẩy nghiên cứu hệ thống CDMA đa mã cho
phép tốc độ dữ liệu thay đổi bằng cách phân phối đa mã, và do đó thay đổi
dung lượng người sử dụng khác nhau. Trong lúc đó CDMA đa sóng mang
(MC-CDMA) đã nổi lên như là như là sự thay thế mạnh mẽ CDMA chuỗi
trực tiếp (DS-CDMA) truyền thống trong thông tin vô tuyến di động, và cho
thấy hiệu quả tốt hơn CDMA đơn sóng mang trên kênh fading đa đường.
Trong bài luận văn này nêu ra và phân tích kỹ thuật điều chế, đa truy cập
mới và sự kết hợp giữa hệ thống CDMA đa sóng mang với hệ thống đa mã
để tận dụng các lợi thế tốt nhất của mỗi hệ thống trước đó.
So với kỹ thuật truyền đa tốc trên hệ thống CDMA đơn sóng mang
trong kênh AWGN đã được đề cập trước đó, thì kỹ thuật đa mã mới làm cân
đối giữa số thuê bao có thể với tốc độ dữ liệu mỗi thuê bao, nói cách khác số
người sử dụng đồng thời tốc độ cao trong hệ thống CDMA đa mã sẽ ít hơn
số người sử dụng tốc độ dữ liệu bằng nhau trong hệ thống CDMA truyền

thống trước đây. Thay đổi sơ đồ đa mã, sẽ giúp thay đổi tốc độ dữ liệu bằng
cách thay đổi tập hợp chuỗi mã được chỉ định cho mỗi người dùng. Người
dùng truyền dữ liệu của mình bằng cách chọn một chuỗi từ tổ hợp mã của họ
để truyền trên cùng kênh. Như vậy, hiệu năng hệ CDMA đa mã chỉ còn coi


- 9 -
như trong kênh AWGN. Đến nay đã có hai loại nghiên cứu truyền dẫn đa tốc
độ dựa trên đa sóng mang–trải phổ chuỗi trực tiếp (MC-DS CDMA).
Thứ nhất nghiên cứu truyền đa tốc cho hệ thống CDMA chuỗi trực tiếp
đa sóng mang dựa trên nguyên lý cơ bản gồm truy cập đa mã và thứ hai truy
cập mã hệ số trải biến đổi. Trong CDMA đa mã, dòng dữ liệu của người sử
dụng tốc độ M ban đầu được ghép kênh vào M dòng liên tiếp khác nhau với
một tốc độ dữ liệu cơ bản, và mỗi dòng liên tục này coi như một người sử
dụng riêng biệt. Sau khi mỗi dòng liên tiếp M được biến đổi thành P dòng
nhỏ song song thì được trải phổ bởi mã trải phổ giống nhau cùng một hệ số
trải phổ. Hệ thống CDMA chuỗi trực tiếp đa sóng mang này có M lần
nhiễu/người sử dụng, bởi mỗi dòng trong M dòng dữ liệu được coi như một
người dùng độc lập. Do đó, hệ thống này chịu nhiều nhiễu hơn khi tăng tốc
độ dữ liệu, với số người dùng cố định. Trong hệ thống CDMA đa sóng mang
đa tốc, các sóng mang con được phân chia vào M nhóm theo tốc độ dữ liệu
yêu cầu. Do đó, khi số sóng mang con là cố định, hệ số trải trong miền tần số
của dữ liệu bị giảm khi tăng tốc độ dữ liệu. Hệ thống CDMA đa mã đặt vấn
đề trải rộng can nhiễu bằng hệ đa mã bởi chỉ sử dụng một chuỗi mã để thay
cho việc trải từng dòng trong M dòng dữ liệu được ghép kênh, làm cho nhiễu
không tăng tuyến tính với tốc độ dữ liệu. Dù thế nào thì hệ thống CDMA đa
mã cũng không thể đạt được độ lợi phân tập tần số của điều chế đa sóng
mang.
Hệ thống CDMA đa sóng mang đa mã (MTC-MC CDMA ) là sự kết
hợp hoàn hảo hai hệ thống CDMA đa sóng mang và hệ thống CDMA đa mã,

nó có được ưu điểm của cả hai hệ thống như: (i) tốc độ dữ liệu thay đổi mà
không mở rộng nhiễu và (ii) khả năng chống kênh fading đa đường. Hơn
nữa, hệ thống này có cả hệ số trải miền tần số và trải miền thời gian để tận
dụng hài hòa cả phân tập và trung bình hóa can nhiễu của các đặc tính của hệ
thống điều chế đa sóng mang và CDMA.


- 10 -
Hiệu năng của hệ thống MTC-MC CDMA được suy ra theo biểu thức
giải tích và cải tiến hệ thống từ hệ thống MC-CDMA, cũng thông qua những
phân tích và được mô phỏng trên kênh fading chọn lọc tần số. Nội dung của
những phần tiếp theo của luận văn gồm:
Phần I : Giới thiệu về các hệ thống CDMA lai ghép
PhầnII : Hệ thống lai ghép CDMA đa sóng mang đa mã

- 11 -

Phần I. Giới thiệu các hệ thống CDMA lai ghép

1.1 Kỹ thuật trải phổ CDMA [9] [10]
Kỹ thuật trải phổ CDMA, về lý thuyết bắt nguồn từ những ý tưởng của
C.Shannow, J.Pierce. Kỹ thuật này đã được sử dụng từ thế chiến lần thứ II
với mục đích bảo đảm chất lượng các cuộc thông tin và không bị phát hiện.
Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực quân sự tiếp tục phát triển kỹ thuật này
nhằm tăng cường khả năng chống nhiễu của tín hiệu, còn các nhà thiết kế vệ
tinh sử dụng kỹ thuật trải phổ để ngăn sự quá tải của các bộ phát đáp analog.
Kỹ thuật trải phổ có nguyên lý thực chất rất đơn giản: tín hiệu trước hết
được điều chế, mã hóa sao cho gần giống như tín hiệu nhiễu, sau đó được
truyền đi và được khôi phục lại tại máy thu đầu cuối. Việc biến đổi (mã hóa)
tín hiệu nhằm bảo vệ tín hiệu khi nó được truyền trên phương tiện truyền
dẫn. Vì vậy, chất lượng của tín hiệu sau khi được khôi phục phụ thuộc vào
kỹ thuật điều chế và mã hóa.
Mục đích của việc điều chế và mã hóa tín hiệu là biến đổi tín hiệu thành
nhiễu. Càng giống nhiễu bao nhiêu, càng khó thâm nhập bấy nhiêu do nhiễu
là hoàn toàn ngẫu nhiên. Hơn nữa, tín hiệu càng được trải khắp phổ tần bao
nhiêu thì càng được bảo vệ bấy nhiêu, ngay cả khi một phần phổ của tín hiệu
không được khôi phục, tín hiệu vẫn không bị mất.

Hình 1.1 Nguyên lý trải phổ theo DS-CDMA



- 12 -
Hiện nay, người ta sử dụng hai phương pháp chính để mã hóa tín hiệu:
Phương pháp nhảy tần FH (Frequence Hopping) và phương pháp dãy trực
tiếp DS (Direct Sequence). Phương pháp trải phổ trực tiếp DS-SS trong hệ
thống CDMA được sử dụng khi cần tốc độ truyền cao. Phương pháp này
trộn mã của tín hiệu gốc với mã giả ngẫu nhiên của tín hiệu trải phổ có tốc
độ rất cao. Tín hiệu thu được có chứa tín hiệu gốc song hoàn toàn bị che mờ
đi bởi tín hiệu mã giả ngẫu nhiên này. Đồng thời, tín hiệu mã có mức độ trải
phổ cao hơn (do tần số tỷ lệ nghịch với thời gian) nên tín hiệu thu được là tín
hiệu trải phổ của tín hiệu gốc. Các bít mã của tín hiệu mã trải phổ (được gọi
là chip) sinh ra bởi một máy phát tín hiệu giả ngẫu nhiên với tốc độ cao, như
biều diễn trong hình 1.1. Tín hiệu tổng hợp nhận được ở máy thu, quá trình
giải trải phổ (nén phổ), tức là trộn nó với tín hiệu mã đồng bộ với tín hiệu
mã trải phổ gốc tại máy phát sẽ khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Ở phương
pháp này, nếu máy thu không biết được mã của máy phát thì không thể khôi
phục được tín hiệu gốc ban đầu. Điều đó cho phép tất cả các tín hiệu có thể
được truyền đồng thời tới tất cả các máy thu. Trong hệ thống DS-CDMA,
nhiều người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ
đồng thời. Máy thu sử dụng tín hiệu mã giả ngẫu nhiên chính xác để lấy ra
tín hiệu mong muốn của mình bằng cách nén phổ. Các tín hiệu khác xuất
hiện ở dạng nhiễu phổ rộng công suất thấp tựa tạp âm. Tín hiệu trải phổ
phản ứng tốt đối với kênh fading đa đường. Trong kênh đa đường, tín hiệu
gốc bị phản xạ bởi những chướng ngại vật như các công trình, đồi núi. Do
đó, máy thu nhận được nhiều bản sao của tín hiệu gốc với các độ trễ khác
nhau. Nếu mức độ trễ của các bản sao lớn hơn một chip, thì máy thu có thể

phân tách chúng bằng máy thu RAKE. Hình 1.2 chỉ ra sơ đồ DS-CDMA
(gồm máy phát, phổ và máy thu RAKE).


- 13 -

Hình 1.2 a) Máy phát; b) Phổ công suất phát; c) Máy thu RAKE
Từ các ưu điểm về dung lượng, tính đơn giản trong quy hoạch tần số,
chuyển giao mềm, chống nhiễu, chống phá hoại, bảo mật … công nghệ
CDMA băng rộng là kỹ thuật đa truy cập vô tuyến được đề nghị sử dụng
trong thông tin di động thế hệ 3 và tương lai với đủ loại hình dịch vụ.

1.2 Hệ thống CDMA đa sóng mang [1] [5] [10]
1.2.1 Mô tả hệ thống truyền dẫn đa sóng mang (MCM)
Trong những năm gần đây, thông tin vô tuyến dựa trên kỹ thuật điều
chế đa sóng mang MCM được quan tâm nghiên cứu rộng rãi. Giải pháp kỹ
thuật này đã được đề xuất trong thông tin tốc độ cao từ những năm 50, hệ
thống đầu tiên sử dụng điều chế đa sóng mang MCM (Mutli-Carrier


- 14 -
Modulation) là hệ thống vô tuyến KINEPLEX và KATHRYN sử dụng trong
quân đội, với 20 sóng mang con, mỗi sóng mang truyền dữ liệu 150bit/s. Sau
này với sự phát triển của công nghệ xử lý tín hiệu số, việc xử lý tín hiệu trên
các sóng mang trực giao được thiết lập hiệu quả bởi biến đổi Fourrier rời rạc
DFT và kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM càng được
quan tâm nhiều hơn trong thông tin vô tuyến. Kỹ thuật OFDM là trường hợp
riêng của điều chế đa sóng mang. Thậm chí trong một số tài liệu, người ta
còn gọi chung là kỹ thuật điều chế đa sóng mang trong thông tin tốc độ cao
bởi vì dòng dữ liệu phát được truyền qua các sóng mang tốc độ thấp hơn.

Điều đáng nói ở đây là OFDM được nhìn theo cả kỹ thuật điều chế và kỹ
thuật ghép kênh. Nói tóm lại, nguyên tắc của OFDM cũng như kỹ thuật điều
chế đa sóng mang là sử dụng tách các kênh thông tin băng rộng thành các
kênh thông tin băng hẹp và thực hiện truyền song song thông tin trên nhiều
sóng mang tương ứng các kênh băng hẹp này. Một trong những lý do OFDM
được quan tâm nhiều là OFDM rất hiệu quả đối với fading chọn lọc tần số
và nhiễu băng hẹp. Đối với hệ thống , fading hoặc nhiễu ảnh hưởng rất mạnh
đến chất lượng hệ thống, nhưng đối với hệ thống đa sóng mang chỉ có một
phần nhỏ sóng mang bị ảnh hưởng do đó chất lượng của toàn bộ hệ thống
không bị ảnh hưởng nếu chúng ta sử dụng các giải thuật tách tín hiệu trên
miền tần số. Hơn nữa, vì tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang con trong truyền
dẫn OFDM nhỏ hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu ban đầu nên ảnh hưởng của
độ trải trễ hay hiệu ứng xuyên ký hiệu ISI giảm, các bộ cân bằng trên miền
tần số trở nên đơn giản dẫn đến cấu trúc máy thu không phức tạp và khả
năng thích nghi linh động với các loại hình dịch vụ khác nhau khi sử dụng
xử lý tín hiệu số.
Một điều quan trọng trong việc truyền dẫn đa sóng mang dựa theo
OFDM trong kênh vô tuyến di dộng đó là kênh di động có thể xem như là
không thay đổi theo thời gian trong một ký hiệu OFDM và fading trên mỗi


- 15 -
sóng mang là fading phẳng. Do vậy thời khoảng ký hiệu OFDM phải nhỏ
hơn thời gian kết hợp của kênh
c
t)(
và khoảng cách giữa các sóng mang
phải nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh B
c
. Hệ thống truyền dẫn đa sóng

mang số áp dụng kỹ thuật OFDM biểu diễn trên hình 1.3


Hình 1.3 Hệ thống truyền dẫn đa sóng mang áp dụng OFDM

Hệ thống thông tín với điều chế đa sóng mang truyền các ký hiệu S
l
trên
N
c
sóng mang, l = 0, 1,…,N
c
-1, với S
l
là các tín hiệu đầu vào có khoảng thời
gian là T
d
. Sau khi biến đổi nối tiếp sang song song khoảng thời gian của ký
hiệu OFDM là
T
s
= N
c
T
d
(1.1)
Với việc sử dụng dạng xung vuông, sự trực giao giữa các tín hiệu trên
các sóng mang đạt được bằng cách chọn khoảng cách giữa các sóng mang
bằng nghịch đảo của thời khoảng ký hiệu trên sóng mang T
s

là

s
s
T
f
1

(1.2)
1
N
c
,


- 16 -
Khi đó, ký hiệu nguồn đầu vào S
l
, l = 0, 1,…,N
c
-1 được điều chế trên
N
c
sóng mang có thể xem như là một ký hiệu OFDM và đường bao phức của
nó là:






1
0
2
1
)(
c
l
N
l
tfj
l
c
eS
N
tx

s
Tt 0 ,
(1.3)
f
l
là tần số của các sóng mang con. Đóng vai trò chính trong OFDM là thiết
lập biến đổi ngược rời rạc Fourier IDFT hay hiệu quả hơn là biến đổi ngược
nhanh Fourier IFFT. Các mẫu đường bao phức x(t) của ký hiệu OFDM có
thể thu được sau khi biến đổi IFFT của mẫu tín hiệu lối ra là






1
0
/2
1
c
c
N
l
Nlj
l
c
eS
N
x



1, ,1 ,0 , 
c
N

(1.4)
Khi số sóng mang con tăng, khoảng thời gian của ký hiệu OFDM T
s
trở
lên rất lớn so với thời khoảng đáp ứng xung
max

của kênh và khi đó có thể
giảm được ISI. Tuy nhiên, để hoàn toàn tránh được ISI và duy trì sự trực

giao giữa các tín hiệu trên các sóng mang, tức là tránh được cả ICI thì
khoảng bảo vệ với thời khoảng
max


g
T
phải được chèn vào giữa các ký hiệu
OFDM cạnh nhau. Khoảng bảo vệ là khoảng mở rộng có tính chu kỳ, nó còn
được gọi là tiền tố vòng CP (Cyclic Prefix) là sao chép trong miền thời gian
một phần cuối của mỗi ký hiệu OFDM. Bằng cách đặt tiền tố lặp này trước
mỗi ký hiệu OFDM, ảnh hưởng của ISI và ICI được khắc phục. Lúc đó thời
khoảng của ký hiệu OFDM là

sgs
TTT 
'
(1.5)
Độ dài rời rạc của khoảng bảo vệ phải thỏa mãn điều kiện








s
c
g

T
N
L
max

(1.6)
Do đó chuỗi ký hiệu OFDM sau khi chèn khoảng bảo vệ là


- 17 -





1
0
/2
'
1
c
c
N
l
Nlj
l
eS
N
x



1, , , 
cg
NL

(1.7)
Sau khi truyền qua kênh đa đường, tín hiệu thu y(t) là nhân chập của x(t) với
đáp ứng xung của kênh
),( th

và cộng thêm tạp âm, tức là

)(),()()( tndthtxty 




(1.8)
Tại đầu thu, tín hiệu thu qua bộ chuyển đổi tương tự sang số thì tín hiệu đầu
ra y
v
( v = - L
g
,…,N
c
-1), là tín hiệu thu được y(t) sau khi lấy mẫu với tốc độ
1/T
d
. Vì nhiễu xuyên ký hiệu ISI chỉ xuất hiện trong phần mẫu đầu L
g

của
chuỗi tín hiệu thu. Những mẫu L
g
này được loại bỏ trước khi giải điều chế
đa sóng mang. Phần còn lại không bị nhiễu xuyên ký hiệu ISI v=0, 1,…N
c
-1
của y
v
được giải điều chế đa sóng mang thông qua biến đổi FFT. Chuỗi tín
hiệu R
l
, l = 0, 1,…,N
c
-1 sau khi loại bỏ khoảng bảo vệ và giải điều chế
OFDM gồm N
c
ký hiệu phức





1
0
/2
1
c
c
N

Nlj
c
l
ey
N
R



,
1, ,0 
c
Nl
(1.9)
Vì nhiễu xuyên sóng mang ICI có thể tránh nhờ tiền tố vòng CP nên các
kênh con được xem như là phân cách với nhau. Hơn nữa, với giả thiết fading
trên mỗi kênh con là phẳng và nhiễu xuyên ký hiệu ISI được loại bỏ, do đó
tín hiệu thu trên miền tần số có thể biểu diễn

llll
nSHR 
với
1, ,1,0 
c
Nl
(1.10)

1.2.2 Mô hình hệ thống lai ghép CDMA đa sóng mang
Với sự phát triển của thông tin vô tuyến nói chung và thông tin di dộng
nói riêng theo hướng nâng cao tốc độ để hỗ trợ một số dịch vụ cấp cao như

Multimedia, truyền hình, truyền dữ liệu …di động, việc kết hợp kỹ thuật


- 18 -
MCM với kỹ thuật CDMA nhằm tận dụng ưu điểm của cả hai kỹ thuật này
là một giải pháp đầy hứa hẹn, hệ thống CDMA đa sóng mang (MC CDMA–
Multicarrier CDMA). CDMA đa sóng mang này được giới thiệu lần đầu tiên
vào năm 1993 và ngay lập tức trở thành một trong những vấn đề mang tính
thời sự nhất về thông tin di động cho đến nay. Hình 1.4 là mô hình hệ thống
trải phổ CDMA đa sóng mang, kết hợp giữa CDMA và OFDM.



Hình 1.4 Mô hình hệ thống MC CDMA


Hình 1.5 Nguyên lý trải phổ của hệ thống MC CDMA

Như đã biết, hệ thống trải phổ CDMA đa sóng mang là sự kết hợp của
CDMA với MCM nên nó đã phát huy các ưu điểm của kỹ thuật trải phổ
cũng như kỹ thuật MCM. Từ nguyên lý trải phổ của hệ thống MC CDMA ở
hình 1.5, ta thấy L chíp của dãy trải phổ được sử dụng song song trên các
sóng mang nhánh. Nếu số lượng sóng mang nhánh N
c
bằng độ dài của dãy


- 19 -
trải phổ, thì băng thông tổng cộng của Multicarrier-CDMA bằng với băng
thông của DS-CDMA khi mà thực hiện trải phổ trên một sóng mang như

bình thường. Mỗi ký hiệu dữ liệu được sao thành L bản, sau đó mỗi bản
được nhân với một chip của dãy trải phổ trước khi được điều chế để truyền
trên N
c
sóng mang nhánh. Như vậy, thời khoảng mỗi chíp trong
Multicarrier-CDMA sẽ lớn hơn N
c
lần so với thời khoảng chip sử dụng trong
hệ thống DS-CDMA tương đương. So sánh với sơ đồ biểu diễn DS-CDMA
trên hình 1.1, có thể thấy Multicarrier-CDMA đạt được độ linh động trên
miền tần số cao hơn. Đây là cơ sở quan trọng trong việc xây dựng một hệ
thống phục vụ nhiều loại hình dịch vụ với tốc độ thông tin khác nhau.
Sơ đồ nguyên lý của máy phát, máy thu và phổ cổng suất của
Multicarrier-CDMA được minh họa trên hình 1.6. Ở đây, dữ liệu được
truyền song song trên N
c
sóng mang nhánh. Việc trải phổ tín hiệu
Multicarrier-CDMA được thực hiện trên miền tần số. Trên hình 1.6, số
lượng sóng mang nhánh N
c
được lựa chọn đúng bằng độ lợi xử lý PG của hệ
thống trải phổ. Khoảng cách giữa hai sóng mang nhánh liên tiếp là:

s
ermulticarri
T
F
f 
(1.11)
với T

s
là thời khoảng ký hiệu dữ liệu và F là hệ số tách biệt tần số có giá trị
nguyên dương. Để tiết kiệm băng thông, người ta thường chọn F=1. Khi đó,
tín hiệu Multicarrier-CDMA là tín hiệu OFDM. Do đó, có thể sử dụng biến
đổi Fourier nhanh FFT để điều chế tín hiệu một cách đơn giản và hiệu quả.


- 20 -

Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ thống Multicarrier-CDMA
Tuy nhiên, N
c
không nhất thiết phải bằng PG. Việc lựa chọn N
c
chỉ cần
bảo đảm bản sao cho các kênh nhánh không chọn lọc tần số. Khi đó, có thể
điều chế tín hiệu Multicarrier-CDMA bằng cách biến đổi nối tiếp sang song
song S/P dữ liệu trước khi trải phổ tín hiệu trên miền tần số như trên hình
1.7.


- 21 -

Hình 1.7 Sơ đồ khối hệ thống MC CDMA với N ≠ PG
Giả sử thực hiện biến đổi S/P theo tỷ lệ 1:M. Thời khoảng bit trên mỗi
nhánh song song sau biến đổi S/P là MT
s
. Khoảng cách tần số giữa hai sóng
mang nhánh liên tiếp sẽ là giảm đi M lần và số sóng mang nhánh sử dụng
tăng lên M lần. Phổ mỗi sóng mang nhánh giảm, đảm bảo yêu cầu không lựa

chọn tần số.
Phần lớn các hệ thống Multicarrier-CDMA được đề nghị sử dụng cho
đường xuống (từ BS đến MS) trong thông tin di động vì có thể thực hiện
được các máy thu có độ phức tạp không cao, đồng thời sự đồng bộ về thời
gian/tần số theo hướng này có thể làm cho quá trình ước lượng kênh trở nên
đơn giản hơn. Do đó, với cấu trúc phỏng theo OFDM, Multicarrier-CDMA
sẽ cũng có một số ưu điểm và cũng có một số nhược điểm giống như
OFDM.


- 22 -
Mặt khác, để có thể hạn chế được ảnh hưởng của nhiễu ISI mà không
sử dụng khoảng thời gian bảo vệ giống như CP ở hệ thống OFDM, đối với
Multicarrier-CDMA, người ta phải sử dụng máy thu tách tín hiệu kết hợp
(Joint Detection – JD, hay MultiUser Detection). Máy thu này phức tạp hơn,
song lại có ưu điểm đó là tránh được hạn chế tốc độ truyền dẫn do sử dụng
CP, đặc biệt khi sử dụng ở vùng có fading mạnh. Vì độ phức tạp của máy
thu, giải pháp này chỉ được sử dụng đối với đường lên (MS đến BS).

1.2.3 Ưu nhược điểm của MC CDMA
1.2.3.a Ưu điểm của MC CDMA
- Tương tự hệ thống DS-CDMA, hệ thống đa sóng mang rất mạnh với
fading đa đường và hạn chế ảnh hưởng của nó.
- Chống được ảnh hưởng của nhiễu công nghiệp và nhiễu phá hoại
(jamming), nhiễu tín hiệu vi ba băng hẹp…Để loại bỏ nhiễu băng hẹp ảnh
hưởng tới tín hiệu CDMA thì khả năng triệt nhiễu của hệ thống đa sóng
mang là rất hiệu quả. Với N
c
sóng mang tải tin trải rộng trên băng tần có sẵn,
nhiễu băng hẹp có thể tránh bằng cách không sử dụng sóng mang phủ tín

hiệu giao thoa.
- Tốc độ chip thấp hơn yêu cầu. Vì trong hệ thống đa sóng mang có N
c

sóng mang tải tin trên toàn bộ băng tần của hệ thống chia thành N
c
dải có độ
rộng bằng nhau, như vậy mỗi sóng mang được điều chế bởi một chuỗi trải
phổ với chu kỳ chip nhỏ hơn N
c
lần so với hệ thống DS-CDMA . Nói cách
khác, hệ thống đa sóng mang yêu cầu tốc độ thấp hơn, vì nó sử dụng ưu
điểm của MCM là truyền song song thông tin trên các sóng mang nhánh,
kiểu sử lý tín hiệu này tương phản với tín hiệu tốc độ nhanh. Ngược lại, đối
với hệ thống đơn sóng mang phải sử dụng các quá trình xử lý tín hiệu nối
tiếp, tốc độ cao (trong các bộ thu RAKE) dẫn đến máy thu có độ phức tạp
cao hơn.


- 23 -
- Độ linh động cao do hệ thống được thực hiện trên cả miền thời gian và tần
số. Ví dụ có thể điều khiển thay đổi độ lợi xử lý từng sóng mang nhánh theo
thời gian tùy theo yêu cầu của mạng.
- Hiệu suất sử dụng băng tần cao; hệ số sử dụng băng tần tăng gấp nhiều
lần so với hệ thống DS-CDMA.
- Bộ cân bằng trên các sóng mang đơn giản, dễ thực hiện.
- Máy thu di động đơn giản: sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu FFT làm cho
máy di động trở nên đơn giản hơn so với máy di động của hệ thống DS-
CDMA (máy thu RAKE).
- Tăng thêm người sử dụng trong hệ thống, ít ảnh hưởng đến chất lượng

chung của hệ thống.
- Hệ thống có thể tách tín hiệu cả trên miền tần số hoặc thời gian, nên
hệ thống rất dễ dàng thích nghi với các môi trường khác nhau, chẳng hạn
như môi trường đơn tế bào (single cell), đa tế bào (multicell), mạng
topology, với các vùng phủ khác nhau. Hơn nữa, nhiều lĩnh vực ứng dụng
như MIMO (sử dụng phân tập không gian) đã được kết hợp với trải phổ đa
sóng mang cho thông tin di động tốc độ cao (4G).
.
1.2.3.b Nhược điểm của MC CDMA
- Công suất tương đối cực đại khá cao gây ảnh hưởng đến hiệu suất sử
dụng của bộ khuếch đại công suất.
- Yêu cầu cao về đồng bộ cả về thời gian và tần số.
- Dễ bị ảnh hưởng của nhiễu pha.
- Hệ số tái sử dụng tần số kém hơn DS-CDMA.
- Bị ảnh hưởng của nhiễu đa người dùng MUI.