TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC
TIỂU LUẬN MÔN HỌC
MÔ PHỎNG NGẪU NHIÊN
ĐỀ TÀI:
M MÔ Ô P PH HỎ ỎN NG G Ư ƯỚ ỚC C L LƯ ƯỢ ỢN NG G T TỶ Ỷ L LỆ Ệ L LỖ ỖI I B BI IT T ( (B BE ER R) )
T TR RO ON NG G H HỆ Ệ T TH HỐ ỐN NG G T TH HÔ ÔN NG G T TI IN N D DI I Đ ĐỘ ỘN NG G W W- -C CD DM MA A
GIẢNG VIÊN: PGS TS. TRẦN LỘC HÙNG
HỌC VIÊN: LÂM MINH QUÝ
Lớp: CAO HỌC KHOA HỌC MÁY TÍNH
Khóa học: 2008-2010
HUẾ 07-2009
MỤC LỤC
A. LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................0
B. NỘI DUNG........................................................................................................2
I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TIN DI ĐỘNG W-CDMA .............................2
1. Qúa trình phát triển của hệ thống thông tin di động......................................2
2. Các đặc điểm của W-CDMA........................................................................3
3. Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của W-CDMA.................................................4
II. MÔ PHỎNG HƯỚNG LÊN............................................................................6
1. MS dự định...................................................................................................6
2. Nhiễu đa trup nhập (Multiple Access interference: MAI).............................6
3. Kênh thay đổi thời gian................................................................................7
4. Các thông số mô phỏng................................................................................9
5. Nghiên cứu phân tích cho mô phỏng hướng lên............................................9
III. TỐIƯU MÃ HOÁ.......................................................................................13
IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG..............................................................................14
V. KẾT LUẬN ..................................................................................................15
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiểu luận Mô phỏng ngẫu nhiên
Lâm Minh Quý-Lớp: KHMT, Khoá:2008-2010 -1 - A. LỜI NÓI ĐẦU
Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại. Các hệ
thống thông tin diđộng với khả năng giúp con người trao đổi thông tin mọi lúc,mọi
nơi đã phát triển rất nhanh và đang trở thành không thể thiếu được trong xã hội
thông tin ngàynay. Bắt đầu từ các hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên ra đời
vào năm 1946, thông tin di động đã liên tục phát triển và đến nay các hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã được đưa vào khai thác thương mại ở nhiều
nước trên thế giới. Ở Việt Nam, các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba cũng
đã và sẽ được nhanh chóng triển khai. Đối với các nhà khai thác mạng di động
GSM thì cái đích 3G là các hệ thống thông tin di động CDMA băng rộng (W-
CDMA) theo chuẩn IMT-2000. Xuất phát từ định hướng này, tiểu luận tìm hiểu về
“Mô phỏng ước lượng tỷ lệ lỗi bit (BER) trong hệ thống thông tin di động W-
CDMA”
Nộidung tiểu luận trình bồm :
- Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin di động WCDMA;
- Mô phỏng ước lượng tỷlệ lỗibit(BER) tại hướng lên
- Mộtsố kết quả môphỏng
Lời đầu tiên xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS TS. Trần Lộc Hùng đã tận
tình chỉ bảo những kiến thức bổ ích về môn học này. Do khả năng có hạn nên tiểu
luận không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Rất mong nhận được sự góp ý và
chỉ bảo của Thầy giáo để bản thân có thể hoàn chỉnh hơn nữa những hiểu biết của
mình.
Tiểu luận Mô phỏng ngẫu nhiên
Lâm Minh Quý-Lớp: KHMT, Khoá:2008-2010 -2 - B. NỘI DUNG
I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TIN DI ĐỘNGWCDMA
1.Qúa trình phát triển của hệ thống thông tin di động
Thông tin diđộng đã được đưa vào sử dụngđầu tiên ở Mỹnăm 1946, khi đó nó
chỉ được sử dụng ở phạm vi thành phố, hệ thống nàycó 6 kênh sử dụng cấu trúc ô
rộng với tần số 150 MHz. Mặc dù các kháiniệm tế bào, các kháiniệm trải phổ,điều
chế số và các công nghệ hiện đại khác được biết đến hơn 50 năm trước đây, nhưng
cho đến đầu những năm 1960 dịch vụ điện thoại di động tế bào mới xuất hiện trong
các dạng ứng dụng và khi đó nó chỉ là các sửa đổi thích ứng của các hệ thống điều
vận. Các hệ thống di động đầu tiên này có ít tiện lợi và có dung lượng rất thấp.Vào
những năm 1980, hệ thống điện thoại di động tế bào điều tần song công sử dụng kỹ
thuật đa truynhập phân chia theo tần số xuất hiện, đâylà hệ thống tương tự haycòn
gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G). Các hệ thống thông tin di
động tế bào tương tự nổi tiếng nhất là: hệ thống di động tiên tiến (AMPS), hệ thống
di động tiên tiến băng hẹp (NAMPS), hệ thống thông tin truy nhập toàn diện
(TACS) và hệ thống NTT. Hạn chế của các hệ thống nàylà: phân bố tần số hạn chế,
dung lượng thấp, tiếng ồn khó chịu, không đáp ứng được các dịch vụ mới hấp dẫn
với khách hàng v.v...
Giải pháp để loạibỏ các hạn chế trên là chuyển sang sử dụng kỹthuật thông tin
số sử dụng các dịch vụ đa truynhập mới. Hệ thống đa truynhập TDMA đầu tiên ra
đời trên thế giới là GSM. GSM được phát triển từ năm 1982, CEPT quy định việc
ấn định tần số dịch vụ viễn thông Châu âu ở băng tần 900MHz. Ở Việt Nam hệ
thống thông tin di động được đưa vào hoạt động vào năm 1993, hiện đang được hai
công ty VMS và GPC khai thác rất hiệu quả, mới đây Viettel là công tythứ ba đưa
vào khai thác hệ thống GSM trên thị trường thông tin di động Việt nam. Song song
với sự phát triển của các hệ thống thông tin di động tế bào nói trên, các hệ thống
thông tin di động hạn chế cho mạng nội hạt sử dụng máy cầm tay không dây số
cũng được nghiên cứu phát triển. Hai hệ thống điển hình cho loại thông tin này là:
DECT (Digital Enhanced cordless Telecoms) của châu Âu và PHS của Nhật cũng
đã được đưa vào khai thác. Ngoài kỹ thuật TDMA, đến năm 1995, CDMA được
đưa vào sử dụng ở một số nước. Các hệ thốngthông tin di động kỹthuật số nói trên,
sử dụng phương pháp truy nhập TDMA như GSM (Châu Âu), PDC (Nhật) hoặc
phương pháp truy nhập CDMA theo chuẩn năm 1995 (CDMA-IS95) đều thuộc hệ
thống thông tin diđộng thế hệ thứ2( 2G).
Các hệ thống thông tin tế bào số có nhiều điểm nổi bật như chất lượng thông
tin được cải tiến nhờ các công nghệ xử lý tín hiệu số khác nhau, nhiều dịch vụ mới
(VD: các dịch vụ phi thoại), kỹ thuật mã hóa được cải tiến, tương thích tốt hơn với
các mạng số và phát huy hiệu quả dải phổ vô tuyến. Ngoài chuẩn IS-95 dựa trên
công nghệ CDMA, tất cả các chuẩn khác đều dựa trên công nghệ TDMA.
Để đáp ứngnhu cầu ngàycàng tăng của khách hàng,hệ thống thôngtindiđộng
thế hệ thứ ba -IMT 2000 đang được nghiên cứu sử dụng. Khác với các hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ nhất (tương tự) và thứ 2 (số), hệ thống thông tin di
động thế hệ thứ 3 (3G) có xu thế chuẩn hoá toàn cầu và khả năng cung cấp các dịch
vụ ở tốc độ bít lên tới2 Mb/s (có thể sử dụng truycập Internet, truyền hình và thêm
Tiểu luận Mô phỏng ngẫu nhiên
Lâm Minh Quý-Lớp: KHMT, Khoá:2008-2010 -3 - nhiều dịch vụ mới khác). Để phân biệt vớihệ thống thông tin di động băng hẹp hiện
nay, hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 còn được gọi là hệ thống thông tin di
động băng rộng. Từ năm 2001, các hệ thống IMT-2000 sử dụng công nghệ đa truy
nhập phân chia theomã băng rộng (W-CDMA) bắtđầu được đưa vào khai thác.
2.Các đặc điểmcủa W-CDMA
(i) Hiệu suấtsử dụng tần số cao
Về nguyên tắc, dung lượng tiềm năng của hệ thống được xem như giống nhau
ngay cả khi các công nghệ đa truy nhập như TDMA và FDMA được ứng dụng.
Trong khi CDMA thường được coi là có hiệu suất sử dụng tần số cao, điều nàynên
được hiểu theo nghĩa là trong CDMA rất dễ để nâng cao hiệu suất sử dụng tần số.
Ví dụ, CDMA có thể đạt được một mức hiệu suất chắc chắn nhờ sử dụng kỹ thuật
điều chỉnh công suất phát chính xác, ngược lại TDMA sẽ phải sử dụng đến kỹthuật
phân chia kênh độngcực kỳphức tạp để đạtđược cùng mức hiệu suấtnhư vậy. Việc
sử dụng các công nghệ cơ bản của hệ thống CDMA theo đúng cách sẽ đem lại hiệu
suất sử dụng tần số cao cho hệ thống.
(ii) Dễ quản lýtần số
Do CDMA cho phép các ô lân cận chia sẻ cùng một tần số nên không cần có
qui hoạch tần số. Ngược lại, trong cáchệ thống sử dụng FDMA và TDMA cần phải
đặc 68 biệt chý ý đến qui hoạch tần số, có nhiều khó khăn liên quan đến qui hoạch
tần số do vị trí lắp đặt các trạm trong thực tế thườngdẫn tới việcphải xétđến những
mẫu truyền lan sóng bất qui tắc và các đặc tính địa hình phức tạp. Cần phải chú ý
rằng các qui hoạch tần số không hoàn chỉnh sẽ làm giảm hiệu suất sử dụng tần số.
CDMA không cần có qui hoạch tần sốnhư thế.
(iii) Công suấtphát của máy di động thấp
Nhờ có quá trình tự điều chỉnh công suất phát (TPC) mà hệ thống W-CDMA
có thể giảm được tỷ số Eb/No (tương đương với tỷ số tín hiệu trên nhiễu) ở mức
chấp nhận được, điều này không chỉ làm tăng dung lượng hệ thống mà còn làm
giảm công suất phát yêu cầu để khắc phục tạp âm và nhiễu. Việc giảm này đồng
nghĩa với giảm công suất phát yêu cầu đối với máydi động. Nó làm giảm giá thành
và cho phép hoạt động trong một vùng rộng hơn với công suất thấp khi so với hệ
thống TDMA hoặc hệ thống tương tự có cùng công suất. Ngoài ra, việc giảm công
suấtphát yêu cầu sẽ làm tăng vùng phục vụ và giảm số lượng BS yêu cầu khi so với
các hệ thống khác. Một ưu điểm lớn hơn xuất phát từ quá trình tự điều chỉnh công
suấtphát trong hệ thống W-CDMA là nó làmgiảm công suất phát trung bình. Trong
đa số trường hợp thì môi trường truyền dẫn là thuận lợi đối với W-CDMA. Trong
các hệ thống băng hẹp thì công suất phát cao luôn luôn được yêu cầu để khắc phục
hiện tượngpha đinh theo thời gian. Trong hệ thống W-CDMA, công suất trungbình
có thể giảm vì công suất yêu cầu chỉ được phát đi bởi việc điều khiển công suất và
công suấtphát chỉ tăng khi xảyra pha đinh.
(iv) Sử dụng các tài nguyên vô tuyến một cách độc lập trong đường lên và
đường xuống
Trong CDMA, rất dễ để cung cấp một cấu hình không đối xứng giữa đường lên
và đường xuống. Ví dụ, trong cáchệ thống truynhập khác như TDMA sẽ rất khó để
phân chia các khe thời gian cho đường lên và đường xuống của một thuê bao độc
Tiểu luận Mô phỏng ngẫu nhiên
Lâm Minh Quý-Lớp: KHMT, Khoá:2008-2010 -4 - lập với các thuê bao khác. Trong FDMA, rất khó để thiết lập cấu hình không đối
xứng cho đường lên và đường xuống vì độ rộng băng tần sóng mang của đường lên
và đường xuống sẽ phải hay đổi. Ngược lại, trong CDMA, hệ số trải phổ (SF) có
thể được thiết lập độc lập giữa đường lên và đường xuống đối với mỗi thuê bao và
nhờ đó có thể thiết lập các tốc độ khác nhau ở đường lên và đường xuống. Điều này
cho phép sử dụng hiệu 69 quả các tài nguyên vô tuyến ngay cả trong các loại hình
thông tin không đối xứng như truy nhập Internet. Khi không phát số liệu thì tài
nguyên vô tuyến không bị chiếm dụng; do đó, nếu một thuê bao chỉ thực hiện
truyền tin ở trên đường lên và một thuê bao khác chỉ thực hiện truyền tin ở trên
đường xuống thì các tài nguyên vô tuyến được sử dụng tương đương tài nguyên cho
một cặp đường truyền lên và xuống. Thông thường, TDMA và FDMA sẽ phải phân
chia haicặp tài nguyên vô tuyến trong các trường hợp như vậy.
Các thuộc tính băng rộng của W-CDMA cho hiệu suất cao hơn trong các mặt
sau.
(i) Nhiều tốcđộ số liệu
Băng thông rộng cho phép truyền dẫn tốc độ cao. Nó cũng cho phép cung cấp
có hiệu quả các dịch vụ khi có sự kếthợp các dịch vụ tốc độ thấp và các dịch vụ tốc
độ cao. Ví dụ, trong TDMA, các tốc độ truyền dẫn khác nhau có thể được cung cấp
bằng cách thay đổi số khe thời gian được phân chia, nhưng ở tốc độ thấp như tốc
độ khi chỉ truyền tín hiệu thoại của máy di động vẫn yêu cầu cùng mức công suất
đỉnh như mức công suất yêu cầu cho cácdịchvụ tốcđộ cực đại.
(ii) Cảithiện các giảipháp chống hiệu ứng pha đinh nhiều tia
Công nghệ thu phân tập RAKE (thu bằng nhiều anten) giúp nâng cao chất
lượng tín hiệu thu bằng cách tách riêng các tín hiệu nhiều tia thành các tín hiệu một
tia để thu và kết hợp lại. Khi băng thông rộng sẽ cải thiện giải pháp truyền lan sóng
và công suất thu yêu cầu sẽ không cần cao vì hiệu quả phân tập đường truyền làm
số đườngtruyền tăng lên.Điều nàygiúp giảm công suấtphátvà tăng dung lượng.
(iii) Giảm tỷ lệgián đoạn tín hiệu
Băng thông rộng làm gia tăng tốc độ bít trong kênh điều khiển và tạo ra khả
năng giảm tỷ lệ bị gián đoạn tín hiệu thu, nhờ đó, máy di động có thể thu các tín
hiệu ở mức thấp trong chế độ rỗi để tiết kiệm nguồn. Điều này giúp kéo dài thời
gian chờ của pin ở máydi động.
3.Các đặc tính kỹ thuậtcơ bản của W-CDMA
B
ảng 1
: Các đặc tính kỹ thuật cơ bản W-CDMA
Ghi chú: AMR: Mã hóa nhiều tốc độ thích ứng; BPSK: điều chế pha hai trạng
tháI; FDD: Song công phân chia tần số; HPSK: Điều chế pha hỗn hợp (lai);
QPSK: Điều chế pha bốn trạng thái.
Ban đầu, Hiệp hội kinh doanh và công nghệ vô tuyến (ARIB) và Viện tiêu
chuẩn viễn thông châu Âu (ETSI) đã chủ trương xây dựng các hệ thống vô tuyến
tập trung trên sóng mang 5 MHz và cũng có thể bao gồm cả các sóngmang10 MHz
và 20 MHz. Dự án đối tác thế hệ thứ ba (3GPP) tập trung hoàn thiện các đặc tính kỹ
thuật cho độ rộng băng tần 5 MHz và xóa bỏ các đặc tính kỹthuật cho các băng tần
khác. Điều này có thể lý giải là do thực tế thì sóng mang có băng tần 5 MHz là đủ
để đạt được tốc độ truyền dẫn 2 Mbit/s mặc dù băng tần 20 MHz sẽ hiệu quả hơn
cho việc truyền số liệu ở tốc độ này, chứ không phải do mục tiêu của 3GPP là hoàn
thiện các đặc tính kỹthuật chi tiết càngnhanh càng tốt. Vì thế, phiên bản hiện tại về
các đặc tính kỹ thuật được đưa ra bởi 3GPP và các tiêu chuẩn của ARIB và ETSI
chỉ giớihạn ở độ rộng băngtần 5 MHz.
Chế độ không đồng bộ (dị bộ) được áp dụng giữa các BS sẽ tạo ra khả năng
không cần phải đồng bộ chặt chẽ giữa tất cả các BS và như vậy sẽ cho phép triển
khai linh hoạt các BS. Nhờ việc thiết kế, cũng có thể áp dụng chế độ đồng bộ giữa
các BS. Độ dài khung cơ bản là 10 ms và cũng có thể có các độ dài khác như trong
bảng
Phương thức điều chế số liệu là điều chế pha bốn trạng thái (QPSK) cho đường
xuống và điều chế pha hai trạng thái (BPSK) cho đường lên. Phương thức điều chế
pha hỗn hợp (HPSK) được áp dụng cho điều chế trải phổ ở đường lên. Quá trình
tách sóng dựa trên phương pháp tách sóng nhất quán có sự trợ giúp của ký hiệu hoa
tiêu. Đối với đường xuống, các ký hiệu hoa tiêu được ghép theo thời gian để giảm
thiểu độ trễ trong quá trình điều chỉnh công suất phát (TPC) và đơn giản hóa các
mạch thu trong máydi động. Đối với đường lên, các ký hiệu hoa tiêu được trải phổ
bởi các mã trải phổ khác với số liệu và được ghép vuông pha (I/Q) với số liệu. Điều
này đảm bảo cho quá trình truyền dẫn là liên tục ngay cả khi thực hiện truyền với
tốc độ có thể thay đổi và giảm thiểu các đỉnh trong dạng sóng truyền. Đó cũng là
một cách hiệu quả để giảm ảnh hưởng của các trường điện từ và giảm các yêu cầu
đối với mạch khuyếch đại trong máy di động. SF biến thiên được áp dụng để thu
được các tốc độ truyền dẫn khác nhau. Đối với đường xuống, hệ số trảI phổ biến
thiên trực giao ( OVSF) được ứngdụng.Đamã cũng có thể được sử dụng.
Các mã xoắn được sử dụng để mã hóa kênh. Đối với số liệu tốc độ cao, các mã
Turbo được sử dụng.Phương thức ký hiệuhoa tiêu đượcáp dụnghiệu quả cho vòng
điều chỉnh công suất nhanh khép kín trong đường xuống. Ngoài ra, các ký hiệu hoa
tiêu chung sử dụng để giải điều chế các kênh chung cũng có thể được sử dụng để
giải điều chế các kênh
II. MÔ PHỎNG HƯỚNG LÊN
Tại hướng lên, máy thu trạm gốc thu những tín hiệu từ tất cả các trạm di động
và giải mã chúng. Những tín hiệu từ các MS khác nhau theo những kênh khác nhau
đến trạm gốc. Sơ đồ khối dưới đây dùng cho mô phỏng hướng lên.
1. MS dự định
MS dự định là user cho mô phỏng ước lượng BER. User ở đây có kênh điều
khiển dành riêng và một ứng dụng dữ liệu như hình 2. Tạp âm được xác định tuỳ
theo hệ số trải phổ của kênh dữ liệu và BER được ước lượng chỉ theo kênh dữ liệu.
2. Nhiễu đa trup nhập (Multiple Access interference: MAI)
Quá trình tạo nhiễu đa truy nhập MAI được thực hiện bằng cách phát tín hiệu
cho MS bị nhiễu trong hệ thống. Nhiễu của từng trạm di động được tạo ra trên một
khung theo cùng cách như người sử dụng. Tuy nhiên những khung này chưa được Hình 1: Sơ đồ mô phỏng hướng lên
Hình 1: MS dự định
Tiểu luận Mô phỏng ngẫu nhiên
Lâm Minh Quý-Lớp: KHMT, Khoá:2008-2010 -7 - liên kết như mong muốn. Chuẩn lệch định thời (offset) tối đa giữa các khung của
một nhiễu do người sử dụng và người sử dụng mong muốn có thể được tính theo
cách sau:
Giả thiết bán kính của một cell là D km. Chuẩn lệch định thời tối đa giữa các
khung của người sử dụng và một nhiễu là thời gian cho bởi tín hiệu đi được một
vòng của D+D = 2D km. Thời gian này là:
c D t offset / 2
Với c là vận tốc của ánh sáng. Nếu giả thiết rằng bán kính của một cell là 20 km ta
có:
s x x x x t offset 4
8 3
10 3 4
10 3 10 20 2
Với tốc độ chip là 3,84 Mcps, chuẩn lệch định thờitối đa tương ứng với
4/3*10 -4 x 3,84 x 10 6 =512 chip
Sự không đồng bộ này truyền những khung đến trạm gốc theo những kênh đa
đường khác nhau và tạo thành nhiễu đa truy nhập MAI. Trong chương trình mô
phỏng, ta giả thiết rằng có thể điều khiển công suất hoàn hảo (tất cả các user truyền
các công suất bằng nhau và tín hiệu phía thu tại trạm gốc của tất cả các user có cùng
mức công suất trung bình).
3. Kênh thay đổi thời gian
Tốc độ chip của tín hiệu WCDMA là 3,84 Mcps. Ba kiểu khác nhau của kênh
đa đường được sử dụng trong mô phỏng là:
1. Kênh trong nhà
2. Kênh trong nhà ra ngoài trời
3. Kênh cho xe cộ
Mỗi kênh được sử dụng trong mô phỏng tương ứng với những môi trường khác
nhau như tên gọi của nó. Những kênh đa đường khác nhau có các thông số về độ trễ
liên quan và biên độ được chỉ ra trong các bảng dưới đây.
Comments/disqusion
No comments