Nghiên cứu giải pháp phân tập không gian thời gian trong hệ thống w cdma,luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử

Nhưng hiện tượng đa đường xảy ra một cách liên tục 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

LỜI CẢM ƠN

i ng i t n âu c e in chân th nh cả n gi p nhiệt t nh

u áu c h n uốc h nh c ng các h Cô t ng kh iện – iện

tử ph ng tạ u ại học ã gi p e h n thiện u ển uận văn n

D iều kiện thời gi n có hạn v d iều kiện công tác nên ản uận văn không t ánh khỏi nhiều thi u ót Rất ng óng góp chỉ ả c u h Cô

TỔNG QUAN HỆ THỐNG WCDMA

1.1 Giới thiệu chung

Trong những năm gần đây, công nghệ không dây là luôn chủ đề được nhiều chuyên gia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông Trong thời gian này công nghệ trên được rất nhiều người sử dụng và đã trải qua rất nhiều thay đổi Quá

trình thay đổi thể hiện qua các thế hệ:

- Thế hệ không dây thứ nhất là thế 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 nhảy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và ứng dụng so với các thế hệ trước đó và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phương tiện gói

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hỗ 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 đến kênh điều khiển dành riêng cho nó Nhờ kênh này, MS nhận 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 hơn số lượng kênh tần số có thể,

thì một số người bị chặn lại không được truy cập

Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2N dải 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 dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống

Đặc điểm của hệ thống :

- 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 phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS

Và hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile Phone System) Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản Tuy nhiên, hệ thống này lại không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ Cho nên, hệ thống di động thứ 2 ra đời đã cải thiện về cả dung lượng và tốc độ cho người sử dụng

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2

Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế

hệ 2 được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên

công nghệ số Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số và sử dụng 2 phương pháp đa truy cập như sau :

- Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA

- Đa truy cập phân chia theo mã CDMA

1.3.1 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, mỗi dải tần liên lạc này được dùng cho N kênh liên lạc, mỗi 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 thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung

Đặc điểm của hệ thống như sau:

- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số

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 hệ 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 x106 lệnh trong 1 giây

1.3.2 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

mà không sợ gây nhiễu lẫn nhau Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, được cấp phát khác nhau cho mỗi người

sử dụng Hệ thống có đặc điểm như sau:

1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3

Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của người

sử dụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động tổ ong thế

Hình 1.1 - Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên 3G

hệ thứ 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 đưa ra các muc

tiêu chính như sau:

- Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập Internet nhanh hoặc 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 hệ 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

Mạng 3G có tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05Mbps cho người dùng tĩnh, 384Kbps cho người dùng di chuyển chậm và 128Kbps cho người dùng trên moto Công nghệ 3G dùng sóng mang 5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz 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 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống WCDMA và CDMA 2000 đã được ITU chấp thuận và đang được áp dụng trong những năm gần đây Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô tuyến

1.5 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (GSM) lên hệ thống WCDMA

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:

- 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

1.6 Tổng quan về mạng WCDMA

Mạng WCDMA (WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access: có

nghĩa là đa truy cập phân chia theo mã băng rộng) là một trong những hệ thống thông tin di động thuộc thế hệ 3 sử dụng công nghệ CDMA Công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo mã) là một 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 Đầu thu tạo ra một dãy PN như đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ thu được Cũng giống như TDMA, WCDMA là một 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

Hình 1.2 - Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA

truy xuất WCDMA là một 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 được ở

cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau (hình 1.3) Trong đó:

- 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 được 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 được 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 được chia thành hai phần: phần phát và phần thu Thông tin đường xuống và đường lên được truyền dẫn luân phiên

5MHz

f

Đường lên

Đường

lên

Đường xuống

RX/TX

FDD Uplink

TDD RX/TX

FDD Downlink

quả phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau

Ba thông số cơ bản của mạng WCDMA như sau:

- 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 lượng vô tuyến

- Mạng lõi có hai vai trò chính như sau:

+ Giải quyết việc định hướng 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 nhập 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 đặc tính và khả năng truy nhập cơ bản của thuê bao tới các dịch vụ nâng cao đã làm cho 3G có một vị trí tuyệt vời

1.6.1 Các thông số chính của W-CDMA

W-CDMA là một phương pháp đa truy xuất vô tuyến phân chia theo mã 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 được trải phổ trong W-CDMA

- 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 quản 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 dải thông theo yêu cầu cũng được 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 khoảng 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 hướng lên và hướng xuống

- WCDMA cung cấp hoạt động bất đồng bộ cho các trạm gốc, do đó không giống như hệ thống đồng bộ IS-95 CDMA, nó không cần thời gian chuẩn trên toàn cầu GPS

- WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho hướng lên và hướng xuống nhờ các

ký hiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, dẫn tới tăng dung lượng và vùng phủ sóng

- WCDMA được thiết kế để phát triển nâng cấp cho chuẩn GSM vì vậy có thể chuyển giao giữa mạng GSM và mạng WCDMA

Các chỉ tiêu kỹ thuật chính của mạng WCDMA

Phương thức đa truy xuất DS-CDMA

Phương pháp ghép song công FDD/TDD

Đồng bộ trạm gốc Hoạt động bất đồng bộ

Ghép dịch vụ Đa dịch vụ với yêu cầu chất lượng dịch vụ khác

nhau được ghép trên một kết nối

Đa tốc độ Hệ số trải phổ khả biến và đa mã

Tách sóng Tách sóng kết hợp nhờ sử dụng kênh hoa tiêu

Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng sẽ tạo cơ hội thiết kế hệ thống có những đặc tính đáp ứng nhu cầu của thế hệ thứ 3 Những đặc 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 : 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 suất vốn có trên các hệ thống tế bào 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 thể thực hiện được ở trong các hệ thống CDMA tế bào Điều khiển công suất chắc chắn ở đường xuống sẽ có hiệu suất hoàn hảo, đặc biệt ở môi trường trong nhà và môi trường ngoài trời có tốc độ thấp

Nói chung, đối với dịch vụ thoại, sự cải thiện này là một bước tiến vì đây là một trong hai yếu tố làm tăng dung lượng cell của WCDMA

1.6.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA

Trong kênh thông tin vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín hiệu đến trực tiếp Tuy nhiên trong thực tế điều đó là không thể xảy ra, tín hiệu

sẽ bị thay đổi trong suốt quá trình truyền và 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…và WCDMA là hệ thống di động vô tuyến nên sẽ bị ảnh hưởng bởi điều đó

Hình 1.4 và 1.5 là mô hình của hai loại nhiễu chính: nhiễu fadinh nhiều tia

và nhiễu giao thoa Và 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 đề tài này, ta sẽ đi nghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu

Hình 1.4 - Các tín hiệu đa đường

Hình 1.5 - Các tín hiệu nhiễu giao thoa

Trong hệ 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 đa đường tạo nên fading nghiêm trọng Tính nghiêm trọng của đa đường fading sẽ 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 tượng đa đường xảy ra một cách liên tục 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 loại phân tập là: phân tập theo tần số, theo thời gian và theo khoảng cách Phân tập theo thời gian đạt được nhờ sử dụng việc chèn vào 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 ứng dụng việc phân tập theo tần số bằng cách mở rộng khả năng báo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên hợp với tần số nên thường có ảnh hưởng đến băng tần báo hiệu (khoảng

200 ÷ 300kHz) nhưng với băng tần rộng thì fading sẽ ít ảnh hưởng đến tín hiệu hơn

Phân tập theo khoảng cách hay đường truyền thường đạt được theo 3 phương

- 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 thể được áp dụng cho tất cả các hệ thống số có tốc độ mã truyền dẩn 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 đường 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 đường tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường 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

Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thống thông tin có 2 BTS mà có thể 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 được nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều thời điểm Hoặc cùng một tín hiệu thu, có thể được 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 dùng nhiều tần số khác nhau để truyền cùng một tín hiệu nên 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 ta dùng nhiều anten đặt tại nhiều vị trí khác nhau, có độ phân cực khác nhau để truyền hay thu cùng tín hiệu Phương pháp này sẽ không làm mất độ rộng băng thông của hệ

1.7 Kết luận Chương

Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về các thế hệ thông tin di động, đặc biệt là

hệ thống WCDMA cũng như các ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống thông tin di động Ở cuối chương là phần giới thiệu về các kỹ thuật phân tập để giảm bớt nhiễu trong hệ thống vô tuyến và trong chương 2, ta sẽ đi sâu nghiên cứu về kỹ thuật phân tập không gian và thời gian

KHÁI NIỆM 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 hai chiều (2-D) có thể giảm được các nhiễu như trên bằng cách xử lý tín hiệu thu được trên cả hai miền không gian và thời gian Ở đây, xử lý tín hiệu trong miền không gian là tiến hành 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 trên cho tín hiệu sẽ làm tăng chất lượng của tín hiệu tại

bộ thu Mặc dù bộ thu 2D này có khả năng xử lý tín hiệu đồng thời trên miền không gian và thời gian nhưng điều này lại đòi hỏi mức độ tính toán phức tạp Do đó trong chương 2 này, chúng ta sẽ làm quen với một số giải pháp để xử lý tín hiệu trong miền không gian và thời gian

Mảng anten thích nghi [3] 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 các địa điểm khác nhau thì mỗi thuê bao sẽ có một thông tin không gian duy nhất liên quan tới thuê bao đó Và 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 và đây có thể 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 bằng cách giảm bớt nhiễu giao thoa co-channel

2.2 Anten Mảng

Anten mảng là tập hợp gồm nhiều anten thành phần được bố trí tại những vị trí khác nhau trong không gian mảng và vị trí của các phần tử ănten này luôn đóng một vai trò quan trọng trong việc tạo ra chất lượng của đồ thị bức xạ Một đồ thị

bức xạ đạt chất lượng cao trong ănten mảng là búp sóng chính lớn hơn rất nhiều so với các búp phụ khác và hướng về phía thuê bao mong muốn, các nút sóng chỉ về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell đó

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 biên độ và pha của tín hiệu đến Nếu các anten của mảng là đẳng hướng thì góc phát xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và tín hiệu đến mảng [3] Trong trường hợp này, góc phát xạ của mảng được gọi là hệ 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 thành phần

2.2.1 Cấu trúc sắp xếp của các phần tử ănten

Các anten thành phần trong anten mảng có thể được sắp xếp theo các cấu trúc hình học bất kỳ Tuỳ theo cách sắp xếp đó mà mảng có thể là mảng đường, mảng tròn hay mảng phẳng Mảng đường và mảng tròn là trường hợp đặc biệt của mảng phẳng

y



x y

(a) Giµn ®-êng th¼ng (b) Giµn h×nh trßn

(c) Giµn h×nh ch÷ nhËt (d) Giµn h×nh lËp ph-¬ng

- Cấu trúc mảng đường thẳng: Đây là cấu trúc thông dụng nhất vì nó đơn

giản, được sử dụng khi BS được chia thành nhiều vùng phủ sóng hình quạt Trong

Hình 2.1 - Các loại cấu trúc ănten mảng

thể phủ sóng trong một hình quạt

- Cấu trúc mảng hình tròn: Các phần tử ănten tạo với tâm hệ thống một góc

2 / N

  Búp sóng chính của đồ thị bức xạ phủ toàn vùng ngang

- Cấu trúc mảng chữ nhật và mảng lập phương: Điều khiển búp sóng theo cả

hai phương dọc và ngang Hai cấu trúc này cần thiết cho môi trường truyền sóng phức tạp (đô thị đông đúc) Về mặt lý thuyết nếu hệ thống có L phần tử ănten, có thể tạo L-1 nút sóng hướng về phía các thuê bao nhiễu đồng kênh trong cell.Tuy nhiên trong môi trường đa đường thì con số này có thể nhỏ hơn

cos{

)()

f c : 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 được tại phần tử đầu tiên có thể viết như sau :

} ) ( { 1

1( )  ( ) j  t 

e t A t

x (2.2) 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 phần tử trong mảng sẽ có sự sai biệt về thời gian Tín hiệu đến phần tử thứ 2 trong mảng sẽ chậm hơn phần tử thứ nhất một khoảng thời gian là , tương tự phần tử thứ

N sẽ trễ một khoảng là N Như thế 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 vẽ 2.2, ta có thời gian trễ là :

)()()

2cos{

)()(

2 t  A t f t f   t 

Hay:

)7.2()

()

(

)6.2()

(

)()(

} sin 2 1

} sin 2 { 1

} 2 { 1

} ) ( 2 { 2

d f j

f j

t f j

e t x e

t x

e t x

e t A t x

c c c

1( ).

)( 

e ]T (2.10) Vector đáp ứng của mảng là một trường các giá trị phụ thuộc vào góc tín hiệu truyền đến mảng, vào cấu trúc hình học của mảng, cách bố trí các phần tử trong mảng và phụ thuộc vào tần số của tín hiệu đến mảng Ta giả thiết rằng trong phạm vi thay đổi của tần số sóng mang thì Vector đáp 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 thì vector đáp ứng của mảng chỉ phụ thuộc vào AOA (góc tín hiệu đến mảng) Lúc này vector tín hiệu nhận được từ mảng có thể viết như sau :

)()()(t a x t

x   (2.11)

Để có được các điều trên thì ta phải giả thiết băng 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 nhưng sự sai pha này có thể là bé Vì thế mô hình narrowband vẫn chính xác cho những tín hiệu 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 thực hiện mô hình Beamformer để giảm thiểu sự giao thoa thì cũng phải nằm trong giới hạn cho phép của hiện tượng narrowband Trong toàn bộ luận văn này, chúng ta giả thiết là tín hiệu W-CDMA thoả mãn narrowband

Thời gian trễ trong quá trình truyền sóng từ phần tử đầu tiên đến phần tử cuối cùng của mảng được tính như sau :

c N

2

)1(2)1(

10 2000 2

max

10.20002

10.53

Hình vẽ 2.3 mô tả nguyên lý chung của một bộ Beamformer

Nếu có tất cả K tín hiệu đến mảng với góc tới của mỗi tín hiệu được xác định riêng biệt Lúc đó vector tín hiệu nhận được có dạng như sau :

) ( ) ( ) ( )

(

1

t n a

t s t

n là vector tín hiệu nhiễu

Đầu ra của bộ Beamformer có dạng sau :

) ( ) ( )

( t w t x t

Với: w = [ w 1 w 2 … w N]T là vector trọng số của mảng

Thông thường vector trọng số được chọn sao cho phù hợp với từng kỹ thuật Beamformer khác nhau Các kỹ thuật Beamformer thường có là MMSE, MSINR, MSNR, CMA, ML……sẽ được đề cập ở các chương sau

Sau đây là ví dụ đơn giản của bộ Beamformer với mảng ULA để diễn tả nguyên lí của Beamforming

Giả thiết rằng tín hiệu của thuê bao truyền đến mảng ULA với góc AOA là

0o và giả thiết rằng phần tín hiệu nhiễu do giao thoa được thu ở góc AOA là 45o.Vector đáp ứng của mảng cho tín hiệu hữu ích trong trường hợp này là :

Hình 2.3a - Mô hình Beamformer Hình 2.3b - Búp sóng anten dãy

1)

4

(

2 )

4 sin(

2

1 2 int

j e

e a

a w

H desired H

2478.05.0

j

j w

Hàm đặc trưng của Beamformer tương ứng với góc  được cho như sau :

) ( )

( w a

Đồ thị bức xạ (Beam pattern) được xác định bởi độ lớn của g():

)()( g 

Đồ thị bức xạ được dùng để mô tả mảng các hệ số khuếch đại tín hiệu ứng với các góc đến khác nhau còn được gọi là bộ khuếch đại có chọn lọc Đồ thị bức xạ cho trường hợp trên được minh hoạ ở hình 2.3 dưới đây Quan sát hình 2.3 ta thấy,

hệ số khuếch đại của tín hiệu là 1 còn của tín hiệu nhiễu giao thoa là 0 Như vậy, Beamformer có thể hướng búp sóng null về phía tín hiệu nhiễu giao thoa, phương pháp này được gọi là phương pháp Null Steering Beamformer

Điều cần lưu ý trong phương pháp này là các bộ phận của bộ Beamformer chỉ làm việc được khi mà tổng số các tín hiệu đến phải ít hơn hay bằng số lượng các phần tử trong mảng Khi mà số phần tử anten là N, thì có thể null steering N-1 hướng tín hiệu nhiễu khác nhau, nhưng điều này thì không thể phù hợp được trong môi trường hệ thống mạng WCDMA (với rất nhiều nhiễu giao thoa) Trường hợp số lượng tín hiệu đến mảng vượt quá số phần tử của mảng gọi là overloaded Tuy nhiên quá trình xử lý khuếch đại tín hiệu trong bộ thu của hệ thống CDMA có sự liên kết lớn để chống lại sự quá tải trong mảng, đồng thời việc bố trí không gian các phần tử của mảng cũng góp phần nâng cao khả năng xử lý của hệ thống

Từ ví dụ trên ta nhận thấy rằng:

- Mặc dầu có thể đặt null trực tiếp đến hướng đến của tín hiệu nhiễu giao thoa, song từ đồ thị bức xạ (hình 2.4) ta thấy độ lợi của anten không cực đại tại hướng đến của tín hiệu hữu ích Như vậy, cần phải có nhiều sự cải tiến trong giải pháp kỹ thuật của Beamformer Trong chương sau sẽ đề cập đến các giải pháp kỹ thuật Beamformer khác nhau đó

- Nếu chúng ta ngầm giả thiết là đã nhận biết được mảng vector đáp ứng cho nhiều users khác nhau thì trong vùng một cell đô thị, mỗi tín hiệu đa đường sẽ đến

Hình 2.4 - Đồ thị bức xạ của anten dãy đối với góc đến tín

hiệu là 0 o và nhiễu giao thoa là 45 o

mảng với những góc tới khác nhau, vì thế sẽ có rất nhiều hướng giải quyết cho mỗi đường tính hiệu này Và trong trường hợp này rất khó để xác định chính xác góc tín hiệu đến mảng, do vậy sự đánh giá vector đáp ứng của mảng là rất không xác thực Điều đó cho thấy sự cần thiết phải đánh giá góc đến AOA để tìm ra vector đáp ứng của mảng Ngoài ra, kỹ thuật trên đây còn cần yêu cầu số lượng tín hiệu đến mảng (bao gồm tín hiệu giao thoa co-channel) phải ít hơn số lượng các phần tử trong mảng mà điều này thì không thể có được trong mạng WCDMA Cho nên kỹ thuật Eigen-Beamforming (được xét ở phần sau) chính là giải pháp thích hợp không cần phải biết được vector đáp ứng của mảng cũng như không cần phải đánh giá rõ ràng góc tới AOA

2.4 Nguyên tắc lấy mẫu tín hiệu trong xử lý không gian

Những nguyên lý lấy mẫu trong miền thời gian có thể được áp dụng trong hệ thống xử lý không gian do giữa hai hệ thống này cũng có sự tương quan với nhau Xét tín hiệu trong miền thời gian và tần số, mẫu tín hiệu lấy theo nguyên tắc lấy mẫu Nyquist Tức là, tín hiệu được lấy mẫu với tần số (tốc độ lấy mẫu) lớn hơn 2

lần tần số lớn nhất của tín hiệu Trường hợp tần số lấy mẫu nhỏ hơn 2f được gọi là

aliasing Tương tự trong miền không gian, để tránh hiện tượng aliasing thì khối beamformer phải thoã mãn điều kiện sau:

2





Điều này được gọi là nguyên lý lấy mẫu trong miền không gian Điều kiện

đó giúp cho khối Beamforming tránh được hiện tượng Aliasing, khoảng cách giữa các phần tử trong mảng phải nhỏ hơn hay bằng nửa bước sóng sóng mang của tín hiệu Tuy nhiên khoảng cách giữa các phần tử trong mảng cũng không được nhỏ quá để tránh sự tác động lẫn nhau giữa các phần tử trong mảng Vì vậy trong thực

tế, khoảng cách giữa các phần tử trong mảng bằng nữa bước sóng sóng mang là tốt nhất Trong luận văn này, ta giả thiết khoảng cách giữa các phần tử trong mảng ULA bằng nữa bước sóng sóng mang

Một mãng anten thích nghi có thể có được nhiều cấu trúc không gian khác nhau và làm giảm được nhiễu fading nhiều tia Mảng này có khả năng lái búp sóng của mảng về phía tín hiệu cần nhận và tránh hướng đến của tín hiệu nhiễu Tín hiệu thu được tại các phần tử trong mảng có rất ít sự tương quan lẫn nhau Vì thế nếu tín hiệu tại một phần tử của mảng là tín hiệu nhiễu fading, tín hiệu này sẽ khác nhiều tín hiệu thu được tại các phần tử khác trong cùng thời gian đó Vì thế luôn có một tín hiệu tốt nhất thu được một trong các phần tử của mảng Nên việc tổ hợp các tín hiệu thu được từ các phần tử trong mảng sẽ làm tăng tỷ số SNR và tăng độ trung

thực của tín hiệu thu

2.6 Phân tập thời gian: Bộ thu Rake trong CDMA

Trong một kênh có chọn lọc tần số, có nhiều bản sao tín hiệu được truyền đến máy thu, chúng sẽ đi qua nhiều đường khác nhau Những bản tin sao chép này được tổng hợp lại tại đầu thu để cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR Khi các tín hiệu này được truyền theo nhiều đường khác nhau, sẽ có một đường truyền không (hoặc ít) chịu ảnh hưởng bởi nhiễu fading Điều này có nghĩa là nếu mỗi đường truyền đều bị ảnh hưởng bởi fading thì các tín hiệu đi theo các đường khác nhau sẽ

có sự khác biệt rõ rệt Tại đầu thu sẽ luôn thu được một kênh tín hiệu có độ trung thực chấp nhận được Trong hệ thống CDMA, bộ thu tín hiệu có thể chứa nhiều thiết bị tương quan nhau để phân chia tín hiệu thành nhiều bản giống nhau và làm giảm nhiễu fading Bộ thu này được gọi là bộ thu Rake, nó đã được dùng nhiều trong hệ thống mạng thông tin di động CDMA thế hệ 2 Quá trình xử lý thời gian trong bộ thu Rake giúp cho hệ thống CDMA giảm ảnh hưởng của nhiễu fading

Có nhiều kỹ thuật khác nhau được dùng để tổ hợp tín hiệu tương quan Nếu việc kết hợp tín hiệu có những trọng số phù hợp với từng kênh riêng lẽ và có hệ số khuếch đại tương xứng với những bộ phận nhiều đường tương ứng, quá trình này gọi là tổ hợp tỷ lệ tối đa (MRC: gọi là một kết cấu tổ hợp) Đối với những bộ kết hợp không có kết cấu, là tất cả những trọng số kết hợp đều bằng nhau và được gọi là

bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC) Cả hai MRC và EGC đều hiệu quả để cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR

Sau đây là các phương pháp tổ hợp tín hiệu: Có nhiều phương pháp tổ hợp

tín hiệu nhiều đường tại bộ thu và chủ yếu là 3 phương pháp chính sau đây: Bộ tổ

hợp tỷ lệ tối đa (MRC), Bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC) và bộ tổ hợp chọn lọc (SC)

Giả thiết rằng, tín hiệu đến được chia thàn L đường thông qua L bộ thu Và

ta ký hiệu i (i = 1,…, L) là tỷ số năng lượng tín hiệu trên nhiễu cho đường thứ i

Như vậy, với kênh truyền Rayleigh fading i, sẽ có:

mrc s

0

/

!

1 1

thuật điều chế mà các symbol có cùng mức năng lượng như M-PSK

2.7 Bộ thu Beamformer Rake

Beamformer Rake là sự kết hợp giữa Beamformer với Rake để xử lý tín hiệu trên cả 2 miền thời gian và không gian

Hình 2.6 mô tả cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ thu Rake Nó chứa một mảng các anten thu, tín hiệu thu được từ mảng được đưa đến các bộ tổ hợp không gian để thực hiện beamforming cho những tín hiệu đa đường, mỗi đường tín hiệu sẽ được nhân với một vector trọng số khác nhau trước khi vào

Beamformer-bộ tổ hợp Tín hiệu ra khỏi Beamformer-bộ tổ hợp không gian được đưa tới các finger sau đó được kết hợp lại bởi bộ tổ hợp Rake

2.8 Kết luận chương

Chương này xét đến hai kỹ thuật phân tập chính là phân tập không gian và phân tập thời gian Sự kết hợp hai kỹ thuật phân tập này thành một kỹ thuật phân tập chung gọi là kỹ thuật phân tập Không gian-Thời gian Trong đó, kỹ thuật phân tập Không gian được thực hiện bởi bộ thu Beamformer và thực hiện bằng cách tổ hợp tín hiệu từ nhiều anten thu để có được tín hiệu thu tốt nhất Còn kỹ thuật phân tập Thời gian được thực hiện bởi bộ thu Rake và thực hiện bằng cách phân chia tín hiệu thu thành nhiều khoảng thời gian trễ khác nhau sau đó dùng kết cấu tổ hợp để

tổ hợp tín hiệu lại và chọn ra tín hiệu tốt nhất Mục đích của bộ thu Beamformer là làm giảm ảnh hưởng của nhiễu giao thoa còn bộ thu Rake là làm giảm ảnh hưởng của nhiễu đa đường Như vậy sự kết hợp giữa hai bộ thu này sẽ tạo thành bộ thu Beamformer-Rake, là một kết cấu tốt để giảm ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và nhiễu fading lên tín hiệu thu Trong chương 3, ta sẽ tìm hiểu các kỹ thuật khác nhau

để xử lý phân tập không gian trong bộ thu Beamformer

CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING

3.1 Giới thiệu

Chương này giới thiệu các kỹ thuật khác nhau có thể được áp dụng cho Beamforming trong hệ thống mạng thông tin di động tổ ong CDMA và hệ thống OFDM Ba kỹ thuật chính được giới thiệu trong chương này là: tối ưu tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSNR), tối ưu tỉ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt (MSINR) và cuối cùng kỹ thuật tối thiểu trung bình bình phương sai lệch (MMSE)

Mở đầu chương là tìm hiểu kỹ thuật MSNR với giải pháp giá trị riêng đơn giản SE Sau đó xét đến kỹ thuật MSINR với giải pháp nhóm các giá trị riêng GE và cuối cùng là nghiên cứu kỹ thuật MMSE Beamforming Sau đây là nội dung của chương

3.2 Kỹ thuật MSNR Beamforming

Kỹ thuật MSNR được sử dụng để làm giá trị tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại đầu ra của Beamformer là cực đại và để làm được điều này, cần phải xác định vector trọng lượng của anten mảng sao cho khi nhân vector tín hiệu thu với vector trọng lượng thì sẽ có tín hiệu đầu ra và có SNR cực đại Vector trọng lượng cần xác định chính là vector riêng tương ứng với giá trị riêng lớn nhất của của ma trận hiệp phương sai tín hiệu thu Điều kiện tốt nhất cho kỹ thuật này là: nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt phải là nhiễu không gian trắng

3.2.1 Cực đại tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSNR)

Trong kỹ thuật này để có tỷ số tín hiệu SNR là cực đại, ta giả thiết là nhiễu tác động vào tín hiệu là nhiễu trắng Khi đó, tín hiệu thu được có thể viết lại là:

n s

Ở đây s và n là vector tín hiệu và vector nhiễu có kích thước N×1, với N là

số anten trong mảng

Ma trận hiệp phương sai của nhiễu có dạng sau :

N n H

R  [ ( ) ( )] 2 (3.2)

Với 2

n

 là hệ số Variance của nhiễu

Biểu thức (3.2) biểu diễn cho tín hiệu nhiễu trắng trong miền không gian Còn nhiễu trắng trong miền thời gian là :

w E P

ss H H

H H

R  là ma trận hiệp phương sai của vector tín hiệu

s, w là vector trọng lượng của mảng N anten

Tương tự, công suất của nhiễu tại đầu ra của Beamformer là :

w w w

R w n

w E

nn H H

n

2 2

w R w

n ss H

w R w w R

w w

w w R w w R w w

H ss H ss

H

ss H ss

ss max (3.8) Trong đó: maxlà giá trị lớn nhất của SNR và vector riêng w MSNR tương ứng với giá trị maxlà vector trọng số tối ưu làm cực đại SNR tại đầu ra của mảng

Như vậy, giải pháp MSNR tìm ra vector đáp ứng tối ưu đã được thực hiện bằng cách tìm ra vector riêng (tương xứng với giá trị riêng lớn nhất) từ chuổi các

giá trị riêng đơn giản, phương pháp này được gọi là phương pháp SE (Simple

Eigenvalue):

MSNR MSNR

Với: d là ký hiệu chỉ tín hiệu đến

k là mẫu index tín hiệu bất kì

)( d

a là vector đáp ứng của mảng ứng với góc tới d

Vì thế ta có thể viết lại như sau :

d E

 thì vector đáp ứng cho MSNR là:

w MSNR a(0) (3.13)

Từ phương trình (3.13) ta nhận thấy rằng: Nếu không có nhiễu tác động vào thì bằng phương pháp định pha cho từng tín hiệu đến các phần tử của mảng, ta sẽ xác định được giá trị lớn nhất của SNR Ngoài ra MSNR Beamforming có thể được

hỗ trợ bởi các giải pháp tính toán trực tiếp (DF) Tuy nhiên kỹ thuật DF không được

áp dụng rộng rãi, hơn nữa kỹ thuật DF luôn luôn đòi hỏi số lượng tín hiệu đến (bao gồm cả nhiễu giao thoa phải ít hơn số lượng anten trong mảng) Điều này là không thể đáp ứng được trong hệ thống mạng tổ ong CDMA

3.2.2 Phương thức cải tiến SE cho Beamforming

Từ phương trình 3.9, ta thấy cần phải xác định ma trận hiệp phương sai (

ss

R ) của tín hiệu đến để thực hiện bài toán SE, nhưng lại rất khó để tách tín hiệu khỏi bị nhiễu và tính toán

ss

R Nếu như có thể tách được tín hiệu khỏi nhiễu thì lúc đó ta không cần phải có Beamforming nữa Cho nên, có một kỹ thuật thay thế mà không cần đòi hỏi phải lượng tính ma trận hiệp phương sai của tín hiệu

ss

R gọi là phương thức cải tiến SE Sau đây ta sẽ tìm hiểu phương pháp này

Nếu tín hiệu độc lập với nhiễu thì trường tín hiệu nhận được theo thống kê có thể được viết như sau :

N N ss

MSNR MSNR

theo tín hiệu làm cho không gian con (của tín hiệu và nhiễu) chỉ trực giao đến tín hiệu nhiễu

Nếu nhiễu lấn át tín hiệu, thì giá trị riêng lớn nhất sẽ không đáp ứng cho tín hiệu được nữa và đối với vector riêng ở biểu thức (3.16) cũng không còn là vector trọng số đối với MSNR nữa Tuy nhiên trong môi trường CDMA, điều này không thường xảy ra bởi vì đã có quá trình xử lý độ lợi và kỹ thuật điều khiển công suất Các bộ thu trong CDMA là những thiết bị có nhiều bộ tương quan với nhau Đầu ra của các bộ tương quan này chứa tín hiệu băng hẹp (narrowband) cùng với nhiễu giao thoa và nhiễu Gauss Vì thế ma trận hiệp phương sai có thể được tính được tại ngỏ ra của các bộ tương quan, từ đó tìm được MSNR cực đại

Trong phần trước, chúng ta đã phân tích về tín hiệu nhiễu và tiếng ồn và giả thiết rằng nhiễu đó là nhiễu trắng Chúng ta có thể chia tín hiệu nhiễu trong biểu thức (3.1) thành hai thành phần như sau :

i n

n ' (3.17) Trong đó: n' là nhiễu trắng không gian và thời gian

i là nhiễu giao thoa

Nếu nhiễu giao thoa là nhiễu trắng thì vector trọng số MSNR là tốt nhất Còn nếu chúng không phải là nhiễu trắng thì vector riêng đáp ứng cho giá trị riêng lớn nhất của tín hiệu thu được không đáp ứng được cho vector trọng số MSNR Tuy nhiên vấn đề này được đề cập đến một khi cấu trúc không gian của tín hiệu giao thoa được tính đến và vector trọng số tối ưu sẽ được xác định để làm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa và tiếng ồn (SINR) Việc xác định giá trị lớn nhất của SINR sẽ được đề cập sau

3.2.3 Pha tín hiệu trong Eigen-Beamforming

Trước khi nghiên cứu các kỹ thuật Beamforming khác, ta sẽ xét đến mặt hạn chế trong khả năng xử lý pha tín hiệu của kỹ thuật Eigen-Beamforming hay gọi là

sự nhập nhằng về pha trong kỹ thuật Eigen-Beamforming Trong khi Beamformer

xác định giá trị tối ưu của SNR ta thấy là không có sự ràng buộc nào về pha của tín hiệu Việc dùng vector trọng số MSNR để tìm SNR theo như biểu thức (3.9) thì SNR tại ngõ ra của Beamformer được cho như sau :

MSNR H

MSNR n

MSNR ss

H MSNR

w w

w R w SNR

2 max

với  là một hệ số vô hướng

SNR tại ngõ ra của Beamformer được cho như sau:

max 2

2 2

'

SNR w

w

w R w

w w

w R w

w w

w R w SNR

MSNR H

MSNR n

MSNR ss

H MSNR

MSNR H

MSNR n

MSNR ss

H MSNR H

MSNR n ss H

3.3 Kỹ thuật MSINR Beamforming

Phần này ta đề cập đến kỹ thuật Eigen-Beamforming xác định MSINR tại đầu ra của Beamformer Trong phần trước, ta đã nói đến kỹ thuật MSNR với điều kiện tốt nhất là tín hiệu giao thoa và nhiễu là không gian trắng Nhưng trong hệ thống mạng WCDMA, các user khác nhau có data rate khác nhau, với hệ số trãi phổ khác nhau và trong cùng một thời gian thì chúng sẽ có BER khác nhau Vì thế, các users có data rate cao có yêu cầu là cần phải hoạt động ở mức công suất cao hơn các users có data rate thấp hơn, do đó các tín hiệu nhiễu giao thoa không thể là nhiễu

nó hoạt động tốt trong trường hợp nhiễu không phải là nhiễu trắng Không giống như MSNR, MSINR là một kỹ thuật xử lý tín hiệu với một chuổi bài toán giá trị riêng đơn giản hay còn gọi là bài toán nhóm các giá trị riêng GE

Sau đây là nội dung của kỹ thuật MSINR Beamforming

3.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR)

Vector tín hiệu thu được có dạng như sau:

u s

Với: s là vector tín hiệu mong muốn

u là trường tín hiệu không mong muốn bao gồm nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt

Năng lượng của tín hiệu hữu ích tại ngõ ra của mảng có dạng như biểu thức (3.4), tương tự ta có:

w R w P

w E

w R w

uu H ss

w R w R w

w R w w R

uu uu H ss H

w R w

uu H ss H

giới hạn trong bởi giá trị riêng lớn nhất và nhỏ nhất của

R R

Vì vậy, giải pháp MSINR cho vector trọng số tối ưu được tính bởi vector riêng tương ứng với các giá trị riêng tổng quát sau:

R

MSIN uu MSINR

Chúng ta thấy rằng ma trận hiệp phương sai của nhiễu giao thoa và tiếng ồn

đã được giới thiệu trong biểu thức trước được dùng để xác định cấu trúc không gian của tín hiệu nhiễu Ma trận

uu

R cũng được dùng trong việc xác định vector trọng số

bằng cách giải bài toán giá trị riêng R w w

ss  Cho nên, kỹ thuật MSINR Beamforming có thể được xem là kỹ thuật xác định giá trị lớn nhất của SNR trong trường hợp nhiễu tác động là nhiễu màu hay MSNR Beamforming chính là trường hợp đặc biệt của MSINR trong điều kiện nhiễu tác động là nhiễu không gian trắng

Trong các phân tích sau đây, nếu tín hiệu đến được xác định bởi góc tới là d

thì ma trận hiệp phương sai của tín hiệu được biết như sau :

R1 2 ( ) ( ) R max

(3.28)

d E



thì vector trọng số MSINR được cho như sau:

) ( 0

1

R R a 

w

uu MSIN



Một lần nữa ta có thể nhận thấy rằng ma trận hiệp phương sai (của nhiễu giao thoa và tiếng ồn) cùng với vector trọng số MSNR được dùng để tính trọng số MSINR Như thế biểu thức cho vector trọng số dễ dàng được thay đổi theo góc tới của các đường tín hiệu khác nhau

3.3.2 Xác định giá trị cực đại của tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSINR)

Nếu tín hiệu thu được bao gồm cả nhiễu giao thao và tiếng ồn thì ma trận hiệp phương sai của tín hiệu thu được biểu diễn như sau :

uu ss

Tỉ số tín hiệu/ (nhiễu giao thoa + tiếng ồn (RSINR)) trở thành:

RSINR=1+SINR (3.31) Như vậy việc làm cực đại giá trị RSINR sẽ làm cực đại SINR, do đó sẽ không có sự phân biệt giữa hai giá trị này trong phương pháp tìm giá trị của vector trọng lượng Ta phát biểu giải pháp MRSINR như sau: Giải pháp MRSINR dùng phương pháp vector riêng để tìm ra vector trọng lượng tối ưu của chuổi các giá trị riêng đơn giản (GE: Generalized Eigenvalue):

MRSINR uu

không gian con của ma trận hiệp phương sai tín hiệu với nhiễu Điều này cho phép

dễ dàng điều chỉnh vector trọng số sao cho phù hợp với cấu trúc không gian của tín hiệu không mong muốn

3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming

Kỹ thuật MMSE (Minimum Mean Squared Error) được dùng để tìm ra giá trị của vector trọng lượng w MMSE mà làm cực tiểu sự sai lệch giữa tín hiệu mẫu ban đầu với tín hiệu tổ hợp Sự sai lệch đó được định nghĩa bởi phương trình sau :

) ( )

( ) (k d k w x k

Với: d là một mẫu tín hiệu tại anten đầu tiên

w là vector trọng lượng của mảng,

x là vector tín hiệu thu được tại mảng anten,

k biểu thị cho mẩu tín hiệu đang xét

Vì thế MMSE được cho như sau:

 2

)

(k e E

d E

k x w k d k x w k d E

k x w k d E J

xx

H xd H H

xd

H H

H H

H H

* 2

)(

)()()

()()()()

(

)()

()()

(

)()

(

(3.35) với: R Ex(k)x H(k)

xx  là ma trận hiệp phương sai của tín hiệu,

x(k)d*(k)

E

r xd  là vector tương quan chéo giữa vector tín hiệu thu

được x và tín hiệu mẫu d

MSE J nhỏ nhất khi (J)0 Với Gradient vector được định nghĩa như sau :

Nếu tín hiệu thu được bao gồm cả nhiễu giao thoa và tiếng ồn thì:

uu ss

1

) ( )

( 1

a R a

d E

w

uu MMSE

a R a

d E

d E







1 2

2

) ( 1

(3.44)