Nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống thông tin di động CD-MA dùng kỹ thuật tách sóng đa truy cập= Improving Performance and Capacity of CDMA Mobile System Using Multi-User Detection Techniques

> Nghiên cứu lý thuyết các phương pháp tách sóng đa truy cập trong, hệ thống thông tin di động CDMA đồng bộ và bất đồng bộ với môi trường truyền sóng có ảnh hưởng của nhiéu Gauss.. »> Vi

wb

sé KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & MÔI TRƯỜNG TP.HCM TRƯN/: TÂM PHÁT TRIỂN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRẺ

THÀNH ĐOÀN TP.HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO ĐỀ TÀI

NGHIÊN CÚU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

Đề tài:

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG

THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA DÙNG KỸ THUẬT

TÁCH SÓNG ĐA TRUY CẬP

(Improving Performance and Capacity of CDMA Mobile System Using

Multi-User Detection Techniques)

Chủ nhiệm đề tài: Huỳnh Phú Minh Cường

Thang 8 năm 2005

Cơ Quan Quản Lý Để Tài

Danh Sách Nhân Sự Tham Gia Thực Hiện

Kinh Phí Và Thời Gian Thực Hiện

Mục Tiêu Và Nội Dung Nghiên Cứu

Kết Quả Và Sản Phẩm Cần Đạt Được 3

Tổng Quan Về Đề Tài -.-. -ssssriere

1.9.1 Kỹ Thuật Đa Truy Cập Phân Chia Theo Mã (CDMA)

1.9.2 Hệ Thống Thông Tin Di Động CDMA Thông Thường

Và Các Vấn Để Hạn Chế Của Nó .-.-ccesccsesireeseersser 5 1.9.3 Tính Cần Thiết Của Đề Tài -.eeeriiirriiirrisieeriirerrrrer 7

110 Tổ Chức Của Báo Cáo Để Tài -—— ~— =~==-=~-==——=~==ez==ze=xx~====m=~~m=eee=rei 8

Chương2 KỸ THUẬT TRÃI PHỔ VÀ DUNG LƯỢNG HỆ

NIiSu NED weessssssssssosscecocscscscecrsssesssssnsssserssccereeseesseanssesesesseessseresararananasanasnenenenentens 18

Dung Lượng Hệ Thống CDMA ssscsscsesssseeneneecerseentesnsnsssenecsssannsssneseesenens 20 2.4.1 Dung Lượng Đường Xuống

Deetect0r) casccssssssnecssnesssseserscensneesvosonssonsnennosensnenavecsavesanenssnsconnncanesenanennassqnnsorenses 38 3.3.4 Phuong Phap MMSE (Minimum Mean-Square Error Detector) 40 3.3.5 Phương Pháp MMSE Thích Nghỉ (Adaptive - Minimum Mean-

Square Error Detector)

3.3.6 Phương Pháp Tách Sóng Triệt Nhiễu Nối Tiếp, SIC

3.3.7 Phương Pháp Tách Sóng Hổi Tiếp Quyết Định DF (Decision ~

Feedback DetecEO) seccsseereserertrtersrrrxseaersrarnrerxerre001404000nn 43 3.3.8 Phương Pháp Tách Sóng Hồi Tiếp Quyết Định MMSE 44 3.3.9 Phương Pháp Tách Sóng Triệt Nhiễu Song Song Thông Thường Conv-PIC

3.3.10 Phương Pháp Tách Sóng Triệt Nhiễu Song Song Giải Tương Quan,

3.3.11 Phương Pháp Tách Sóng Triệt Nhiễu Song Song Giải Tương Quan

Dec-PIC nhiều tầng, - -ceessssreeneerrerriiiiiiiertritrererriiierre 45

3.3.12 Phương Pháp Tách Sóng MMSE-PIC eeeenrserrree 46

3.3.13 Phương Pháp Tách Sóng Dùng Mạng Neural Tuyến Tính 46 3.3.14 Phương Pháp Tách Sóng Dùng Mạng Neural BackPropagation 49 3.315 Phương Pháp Tách Sóng Dùng Mang Neural EÌman - 53

Chuong 4 CHUGNG TRINH VA KET QUA MO PHONG

4.1 Giới Thiệu Chương Trình Mô Phỏng, eeeeeeeeeseersrerieeneeriieiiee 55

4.2 Phan Tích Và Đánh Giá Kết Quả Mô Phỏng -«e-sereseeeseeeeree 67

3.2.1 Các Kết Quả Mô Phéng Thé Hiện BER 'Theo SNR . - 69

3.2.2 Các Kết Quả Mô Phong Thể Hiện BER Theo Số Người Dùng 89

5.1.5 Công Cụ Bắt LỖI ceeeeeeeesseerrrisriieriitarterrrrirrrioinnriee 104

5.1.6 Công cụ Profiler - -«-.-eeneerseeeiiirriiirrretriiiie 104 5.17 Công Cụ Biên Dịch Mã Và Tạo Mã eeeeeseeeereereeeeeeer 105 5.18 Truyền Dữ Liệu Real- Tỉme -. e-s-eesretrrsrrrese 106

5.1.9 Phân Tích Real-Tiỉme «««e-eseseseerrrressserrieeseereneee 108 5.2 Triển Khai Các Phương Pháp Tách Sóng Lên DSP ò 109 5.3 Các Kết Quả Thực Thi Trên Kit DSP TMS320 C6711 112

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

6.1 Kết Quả Đạt Được -eeeeeeerrrrreeeeriieieieiriiaierrrarrrreseinssen 116 6.1.1 Phần Mềm Mô Phỏng Phục Vụ Đào Tạo eeeceeeeeesereee 117 6.1.2 Chương trình tách sóng thực thi trên Kít DSP TMS320C6711 118 6.2 Hạn Chế Của Để Tài .e -<Ssertrreiiiiiiiiirrrrr 1.00n0.00.0t 119

6.3 Đánh Giá Về Kết Quả Đề Tài cececsereiessiseeieriiamersree 119

6.4 Hướng Nghiên Cứu Mở Rộng Để Nghị eeeeeesernrnreeeeeee 120 Tài Liệu Tham Khảo

NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG THÔNG TIN

DI ĐỘNG CDMA DÙNG KỸ THUẬT TÁCH SÓNG ĐA TRUY CẬP

(Improving Performance and Capacity of CDMA Mobile System Using

Multi-User Detection Techniques)

1.2 Chi Nhiém Dé Tai: Th.S Huynh Phú Minh Cường

Bộ Môn Viễn Thông, Khoa Điện-Điện Tử

Đại Học Bách Khoa TP HCM

Điện thoại: (08) 8654184 - 091.8097141 Email: hpmcuong®dee.hcmut.edu.vn 1.3 Cơ Quan Chủ Trì:

TRUNG TÂM PHÁT TRIỂN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TRE

THÀNH DOAN TP.HỒ CHÍ MINH

Dia chi: 01 Pham Ngoc Thach, Quan 01, TP HỒ CHÍ MINH

Số điện thoại 8.234.998

1.4 Co Quan Quan Ly Dé Tài:

SỞ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ & MÔI TRƯỜNG TP.HCM Dia chi : 244 Điện Biên Phủ, Quận 3, TP.HỒ CHÍ MINH

ĐH Báck Khoa

5 | Nguyễn Thị Thanh Tùng | Kỹ Sư Viễn Thông Công Ty

Nhân viên kỹ thuật SaiGon PostTel

1.6 Kinh Phí Và Thời Gian Thực Hiện:

Tổng kinh phí: 45.000.000 đ (bốn mươi lăm triệu đồng)

Thời gian thực hiện: 12 tháng

Từ tháng 9 / 2004 đến tháng 9 / 2005

17 Mục Tiêu Và Nội Dung Nghiên Cứu:

Mục tiêu được thể hiện ở ba nội dung chính như sau:

a) Nghiên cứu, đưa ra và mô phỏng kiểm chứng các phương pháp tách sóng đa truy cập (khôi phục lại tín hiệu truyền) tại máy thu nhằm nâng cao chất lượng và dung lượng phục vụ của hệ thống thông tin

đi động CDMA Đánh giá tính hiệu quả và độ phức tạp của mỗi

phương pháp Tìm ra các phương pháp tối ưu nhất

b) Triển khai các phương pháp tách sóng trên phần cứng: Kit DSP

TMS320C6711 Từ đó đánh giá tính hiệu quả và khả năng đáp ứng

thời gian thực của các phương pháp Tạo tiền để cho việc triển khai

kỹ thuật tách sóng đa truy cập vào thực tế

c) Xây dựng phần mềm và phần cứng mô phỏng hệ thống thông tin di động CDMA có dùng kỹ thuật tách sóng đa truy cập phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu ở các trường đại học

Nội dung nghiên cứu chỉ tiết:

> Nghiên cứu hệ thống thông tin di động CDMA

> Đánh giá can nhiễu, chất lượng và dung lượng của hệ thống CDMA thông thường (Hệ thống không dùng kỹ thuật tách sóng đa truy cập)

> Nghiên cứu lý thuyết các phương pháp tách sóng đa truy cập trong,

hệ thống thông tin di động CDMA đồng bộ và bất đồng bộ với môi trường truyền sóng có ảnh hưởng của nhiéu Gauss

> Ung dụng Neural Network vào tách sóng đa truy cập

»> Viết chương trình mô phỏng hệ thống thông tin đi động CDMA có dùng kỹ thuật tách sóng đa truy cập bằng MatLab để kiểm chứng và chứng minh độ hiệu quả của các phương pháp tách sóng đa truy cập

về khả năng cải thiện chất lượng dịch vụ và dung lượng hệ thống

> Đánh giá, so sánh các phương pháp tách sóng, đa truy cập, từ đó rút

ra các phương pháp tối ưu nhất có thể triển khai vào hệ thống thực

Phân mềm mô phỏng hệ thống thông tin di động CDMA có sử dụng

kỹ thuật tách sóng đa truy cập phục vụ công tác đào tạo tại các trường đại học

Chi tiéu chat lượng:

> Có giao diện dễ sử dụng

> Mô tả mộ hình tín hiệu băng gốc trong hệ thống CDMA

»> Có nhiều Module, mỗi Module là một phương pháp tách sóng

»> Có 12 phương pháp tách sóng

»> Mô phỏng hệ thống đồng bộ và bất đồng bộ với kênh truyền

Gaussian

> Kết quả của chương trình mô phỏng với mỗi phương pháp tách sóng

đa truy cập sẽ thể hiện qua hai đỗ thị:

+ Một thể hiện tốc độ lỗi bít theo tỉ số Es / No

* Một thể hiện tốc độ lỗi bít theo số người sử dụng trong hệ thống

> Các kết quả mô phỏng này sẽ chứng minh được rằng khi tách sóng

đa truy cập được áp dụng vào hệ thống CDMA thì chất luợng và dưng lượng hệ thống được cải thiện đáng kể

> Truyền và nhận hình ảnh, âm thanh

b/ Phần cứng:

Một kít DSP TMS320C6711 tách sóng đa truy cập

Chỉ tiêu chất lượng:

> Phần mềm đi kèm để giao tiếp với Kit

> Chương trình thực thi của DSP được nạp từ máy tính

> Thực thi chính xác các phương pháp tách sóng

> Đạt hiệu quả tách sóng và đáp ứng tính chất thời gian thực

1.9 Tổng Quan Về Đề Tài:

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất sử dụng kỹ thuật tương tự,

đa truy cập phân chia theo tân s6, FDMA (Frequency Division Multiple Access), ra đời đầu tiên vào đâu những năm 1980 Từ đó, cùng với sự phát triển không ngừng của kỹ thuật truyền thông, thông tin di động đã có những

bước phát triển nhảy vọt và ngày càng khẳng định ưu thế của mình Trong

những năm gần đây, trước những nhu cầu ngày càng cao về dịch vụ théng tin

đi động cả về số lượng và chất lượng, hệ thống thông tin đi động đòi hỏi phải

có những sự cải tiến về dung lượng, chất lượng, tốc độ và tính bảo mật thông tin Đáp ứng những như câu trên, kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã, CDMA (Code Division Multiple Access), đã được nghiên cứu và triển khai trong các hệ thống thông tin di động thế hệ sau này Kỹ thuật đa truy cập CDMA đã cho thấy những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với các phương pháp

đa truy cập khác như FDMA, TDMA (Time Division Multiple Access) Nó đã được chọn làm phương pháp đa truy cập trong hệ thống thông tin di động thế

hệ thứ 2 của bắc Mỹ, chuẩn IS-95, vào tháng 3 năm 1992 và thế hệ thông tin di

động thứ 3, IMT-2000 (International Mobile Telecommunication - 2000) Tuy

nhiên, nó vẫn biểu hiện các hạn chế cần phải cải tiến

1.9.1 Kỹ Thuật Đa Truy Cập Phân Chia Theo Mã (CDMA)

Kỹ thuật đa truy cập phan chia theo ma CDMA đã có vai trò rất quan trong trong truyén thông vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng

Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã, CDMA, dựa trên nên tấn của kỹ thuật trải phổ Trong hệ thống thông tin CDMA, tất cả các người dùng sử dụng chung cả băng tần số và toàn miễn thời gian Mỗi người dùng được xác định bởi một mã giả ngẫu nhiên (PN - Pseudo Noise) Các mã giả ngẫu nhiên

này phải có tính chất trực giao (orthogonal) hoặc gần truc giao (nearly orthogonal) Bộ mã giả ngẫu nhiên này phải được thiết kế sao cho tương quan chéo giữa các mã là thấp nhất nhằm hạn chế sự can nhiễu của tín hiệu từ một người dùng này lên tín hiệu của một người dùng khác trong cùng một hệ thống, can nhiễu này được gọi là nhiễu đa truy cập MAI (Multiple Access Interference)

CDMA có thể được thực hiện dựa trên nhiễu phương pháp trải phổ khác nhau như trải phổ nhảy tén (FH - Frequency Hopping) hoặc chuỗi trực

tiép (DS - Direct Sequence) Trong FH-CDMA, tín hiệu truyền đi có tần số sóng mang khác nhau trong các khoảng thời gian khác nhau và việc nhảy từ

tần số này tới tần số khác được điều khiển bởi một chuỗi trải phổ giả ngẫu

nhiên Trong hệ thống CDMA, tín hiệu truyền đi của mỗi người dùng có dạng

sóng thay đổi liên tục theo thời gian theo một qui luật giả ngẫu nhiên Phổ

của tín hiệu của từng người dùng trong hệ thống được trải rộng ra hơn rất

nhiều lần so với tín hiệu thông tin và chiếm trọn băng tần của hệ thống Do

đó, các tín hiệu của các người dùng không được phân biệt trong miễn thời

gian cũng như miễn tấn số Tuy nhiên, đữ liệu của từng người dùng có thể

tách ra được ở máy thu bởi vì tín hiệu truyền đi của mỗi người dùng được tạo

thành từ các chuổi trải phổ duy nhất cho từng người dùng

1.9.2 Hệ Thống Thông Tin Đi Động CDMA Thông Thường Và Các

Vấn Đề Hạn Chế Của Nó

Các giải pháp cải tiến chất lượng, dung lượng và giảm bớt chức năng

điều khiển công suất của hệ thống thông tin di động CDMA thông thường là

mục tiêu nghiên cứu chính của để tài,

Để làm rõ hơn mục tiêu nghiên cứu của để tài, ta hãy xem xét và phân tích mô hình tín hiệu băng gốc hệ thống thông tin di động CDMA thông thường theo hình 1-1, từ hình này ta có một số nhận xét như sau:

@ Các hệ thống thông tin động CDMA đã được chuẩn hóa và triển khai thực tế như IS-95 và IMT-2000 đều dùng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực

tiếp Các hệ thống này được gọi là hệ thống thông thường

@ Phổ của tín hiệu của từng user trong hệ thống được trải rộng ra hơn rất nhiều lần so với tín hiệu thông tin băng gốc và chiếm trọn băng tần của

hệ thống Do đó, các tín hiệu của các user trùng lấp với nhau trong

miền thời gian cũng như miễn tân số

® Tuy nhiên, dữ liệu cia ting user có thể tách ra được ở máy thu bởi vì tín hiệu truyền đi của mỗi user được tạo thành từ một tín hiệu trải phổ giả ngẫu nhiên duy nhất cho từng user Các tín hiệu trải phổ giả ngẫu nhiên trong hệ thống chỉ là gần trực giao (nearly orthogonal)

Hình 1-1 Mô hình tín hiệu băng gốc hệ thống thông tin di động

CDMA thông thường

#® Do đó, các tín hiệu của các user có gây can nhiễu lẫn nhau trong hệ

thống Nhiễu này gọi là nhiễu đa truy cập MAI (Multiple Access

Interference)

@ Trong hé théng théng tin di dong CDMA théng thường, như ở hình 1,

không triệt được nhiễu MAI vì dùng các bộ thu riêng biệt cho từng user

(Matched Filter va mach Quyét Dinh) Khi s6 lugng user trong hé thống

tăng lên sẽ làm giảm chất lượng của hệ thống, cụ thể là làm tăng mức

nhiễu đa truy cập lên, giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), dẫn đến

tăng tốc độ lỗi bít Như vậy, để đảm bảo chất lượng của hệ thống thì

số lượng user trong hệ thống phải được giới hạn Hay nói một cách

khác, nhiễu MAI gây ra giới hạn dung lượng của hệ thống CDMA hiện

tại

@ Mat khác, vấn đề gần - xa cũng ảnh hưởng nhiều đến hệ thống Để

khắc phục hiện tượng này các biện pháp điều khiển công suất chặc

chẽ đã được sử dụng trong hệ thống hiện tại, điều này làm tăng độ

phức tạp của máy thu

Vậy, MAI là nhân tố chính làm giảm chất lượng và dung lượng của

hệ thống CDMA thông thường.

Do đó vấn đề đặt ra đối với hệ thống hiện tại là làm thế nào để triệt nhiễu MAI nhằm nâng cao dung lượng, chất lượng hệ thống và giảm bớt chức

năng điều khiển công suất trong máy thu

Nghiên cứu chính của để tài là triệt nhiễu MAI nhằm nâng cao dung lượng, chất lượng hệ thống và giảm bớt chức năng điểu khiển công suất

trong máy thu trong hệ thống hiện tại bằng các phương pháp tách sóng đa truy cập

Mục đích của tách sóng đa truy cập trong hệ thống CDMA là khôi phục lại dữ liệu truyền đi dựa trên việc phân tích cấu trúc của tín hiệu thu Ý tưởng chính của các phương pháp tách sóng đa truy cập là: mỗi người dùng

xem tín hiệu của các người dùng khác như là tín hiệu hữu ích, kết hợp tín hiệu

của mình với tín hiệu của các người dùng khác để thực hiện việc tách sóng Ta gọi đây là kiểu tách sóng kết hợp Điễu này khác với hệ thống CDMA thông thường mà trong đó mỗi người dùng chỉ quan tâm đến tín hiệu của mình và xem tín hiệu của các người dùng khác như là tín hiệu nhiễu

1.9.3 Tính Cần Thiết Của Đề Tài

Ở Việt Nam, vào ngày 1 tháng 7 năm 2003 hệ thống thông tin di động

thế hệ thứ 3, CDMA2000 1X, đã được triển khai hoạt động chính thức với

thương hiệu S-Fone Hệ thống này được triển khai bởi công ty SaiGon Postel

Hệ thống thông tin di động S-Fone stt dung ky thuật đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) ra đời sẽ đáp ứng được như cầu sử dụng các dịch vụ tốc độ cao, băng thông rộng ngày càng gia tăng ở nước ta hiện nay Nhiều dự án triển khai mạng thông tin đi động của các công ty như: HaNoi Telecom, Viễn thông Điện lực cũng đã lựa chọn công nghệ CDMA Tuy nhiên, các công

ty viễn thông ở Việt Nam chủ yếu là nhập thiết bị, lắp đặt và vận hành khai thác chứ chưa chú trọng đến những hướng nghiên cứu nhằm cải tiến dung lượng và chất lượng hệ thống

Hệ thống thông tin đi động CDMA 2000 1X của công ty SaiGon Postel đang được triển khai ở Việt Nam chưa dùng kỹ thuật tách sóng đa truy cập

Trong tình hình sử đụng điện thoại di động của nước ta hiện nay thì hệ thống

§-Fone đang đáp ứng được như cầu sử dụng Nhưng một vài năm nữa, thử

nghĩ chúng ta sẽ giải quyết như thế nào khi phải đối mặt với sự bùng nổ thông tin mà không có những đầu tư, nghiên cứu chuẩn bị ngay từ bây giờ

Bên cạnh đó, ở các trường đại học như ĐH Bách Khoa TP.HCM, ĐH Bách Khoa Hà Nội, Học Viện Bưu chính Viễn Thông , công nghệ và hệ

thống thông tin CDMA cũng đã được nghiên cứu và giảng dạy từ khá lâu Tuy nhiên, những nghiên cứu và triển khai về kỹ thuật tách sóng nhằm triệt can đa truy cập để nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống CDMA thì còn hạn chế Vấn để này cũng đã được tìm thấy trên một vài bài báo trong nước, nhưng nội dung và số lượng bài báo thì còn rất hạn chế Hơn nữa, ở các

trường đại học này chủ yếu giảng dạy lý thuyết về hệ thống CDMA mà chưa

có các mô hình phần mềm mô phỏng hoặc phần cứng đẩy đủ về hệ thống

CDMA bởi lẽ phải mua chúng từ nước ngoài với kinh phí rất đắt Do vậy mà sản phẩm của đề tài còn là một công cụ học tập rất thiết thực và bổ ích cho sinh viên chuyên ngành điện tử viễn thông về cải thiện chất lượng dịch vụ và dung lượng của hệ thống di động CDMA

Đề tài này cũng sẽ tạo nên một cơ sở lý thuyết vững chắc cho các nghiên cứu sâu rộng về sau về kỹ thuật tách sóng đa truy cập không chỉ cho

hệ thống thông tin di động mà còn cho các hệ thống thông tin khác như: thông tin vệ tỉnh, thông tin vi ba, mạng máy tính không dây mà dùng kỹ thuật CDMA

Dùng các phương pháp tách sóng đa truy cập (Multi-User Detection)

để triệt nhiễu MAI nhằm nâng cao chất lượng và dung lượng của hệ thống là vấn đề đang được nghiên cứu rộng rãi trong những năm gần đây ở trong và ngoài nước và sẽ được triển khai vào hệ thống thực trong tương lai gần

1.10 Tổ Chức Của Báo Cáo Đề Tài

Báo cáo để tài bao gồm 6 chương:

Chương 1: Giới thiệu vấn đề mà đề tài cần giải quyết đó là triệt nhiễu

đa truy cập để nâng cao dung lượng và chất lượng hệ thống thông tin đi động CDMA

Chương 2: Trình bày kỹ thuật trải phổ trong hệ thống CDMA, cách tạo các chuỗi giả ngẫu nhiên dùng trong hệ thống và phân tích dung lượng hệ thống thông tin di động CDMA thông thường

Chương 3: Phân tích mô hình toán học của tín hiệu thu được tại máy

thu trong hệ thống CDMA đồng bộ và bất đông bộ Sau đó, 15 phương pháp tách sóng đa truy cập được trình bày, trong đó có 3 phương pháp tách sóng ding mang neural

Chuong 4: Trình bày chương trình mô phỏng của đề tài Chương trình

mô phỏng được viết với giao điện dễ sử dụng không chỉ mô phỏng nhằm chứng minh độ hiệu quả của các phương pháp tách sóng mà còn rất tiện ích như là một bài thí nghiệm về tách sóng đa truy cập trong hệ thống CDMA Chương này cũng đi phân tích kỹ các phương pháp tách sóng đa truy cập Các

ưu khuyết điểm của các phương pháp cũng được rút ra cùng với các so sánh, nhận xét và kết luận

Chương trình mô phỏng được viết bằng Matlab 6.5 Các kết quả mô phỏng được biểu diễn đưới hai dạng đồ thi sau:

»> Một thể hiện tốc độ lỗi bít theo tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu

Đồ thị này chứng minh khả năng cải thiện chất lượng hệ thống

» Một thể hiện tốc độ lỗi bít theo số người sử dụng trong hệ thống

Dé thị này minh họa khả năng cải thiện dung lượng hệ thống

Ngoài ra chương trình còn mô phỏng việc truyền âm thanh, hình ảnh qua mạng CDMA

Chương 5: Trình bày việc triển khai một số phương pháp tách sóng đa truy cập tiêu biểu lên Kít DSP TMS320C6711

Chương 6: Chương kết luận tổng kết các vấn để đạt được và chưa đạt được

cũng như những khó khăn và hướng phát triển của để tài.

Chương này bắt đầu với phân trình bày về những đặc điểm chính nhất

của hệ thống thông tin trải phổ mà có liên quan đến đề tài như : kỹ thuật trải

phổ chuỗi trực tiếp DS-SS, cách tạo các chuỗi giả ngẫu nhiên, chuỗi m, chuỗi gold, dùng trong hệ thống CDMA và các phân tích, đánh giá về dung lượng của hệ thống CDMA

2-1 Kỹ Thuật Trải Phổ Chuỗi Trực Tiếp

Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp, DS-SS, (ĐirectSequence Spread

Spectrum) là kỹ thuật trải phổ được sử dụng trong hệ thống thông tin di động

CDMA Trong kỹ thuật này, tín hiệu thông tin cần truyền đi b(t) duge trai phd bằng cách nhân trực tiếp với tín hiệu trải phổ s(, sau đó được điều chế với sóng mang cao tần một lần nữa rồi đưa ra anten phát đi

Ab() Điều Chế Số

s(t) Tạo Chuỗi PN

Hình 2-1 Máy phát dùng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp

Sơ đổ khối của máy phát dùng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp như hình 2-1 Ta có thể biểu tín hiệu chứa thông tin b() nhận các giá trị +1 như sau:

bt) = Sib,pr(t- kT)

kane

trong đó bạ =+1 là bit số liệu thứ k với “+ tương ứng với bịt 0, —' tương ứng,

với bit 1 Py là hàm xung đơn vị xác định theo phương trình:

Tín hiệu thu được trong kênh đơn đường, có nhiễu trắng cộng nỆ) là:

P(t) = Ab(t tz ).s(t —£,).cos( 2af,t + 6") + n(t)

Để thu được đúng dữ liệu, máy thu phải đồng bộ được pha của sóng mang ‡ và đồng bộ được tín hiệu trải phổ s(t-ta) Trong để tài này, giả sử rằng điều này được thực hiện một cách hoàn hảo

2-2 Tín Hiệu Trải Phổ - Mã Giả Ngẫu Nhiên

2-2.1 Tín Hiệu Trải Phổ Chuỗi Trực Tiếp

Tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp s(t) có chu kì NT được dùng trong các hình 2-1 và hình 2-2 có được bằng cách điều chế dạng sóng chip lưỡng cực (antipodally) chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (cụ, ., cx) như sau:

Jor, py, @-AT,)dt =0, 1 =1,2, (2.2)

N: số lượng chip trong 1 bit kí hiệu, hay còn gọi là hệ số trải, độ lợi trải phổ hoặc độ lợi xử lý

Dạng sóng chip đơn giản là xung chữ nhật:

2t

Prc = sinc(—-—1 T œ )

Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên (cy, , CN) có chiều dài N, không mang thông tin Nó đã được biết trước bởi máy thu và được dùng để phân biệt các tín hiệu trải phổ khác nhau trong một hệ thống DS-CDMA Có nhiều kỹ thuật tạo nên chuỗi giả ngẫu nhiên (PN - pseudonoise) đạt được hệ số tương quan

chéo thấp cho mọi độ lệch thời gian như chuỗi Gold, Kasami, Các mô

phỏng trong để tài này sẽ dùng chuỗi Gold, một loại chuỗi PN có nhiều đặc tính tốt và được đùng nhiều trong các hệ thống thông tin di dgng DS-CDMA thực tế

Phân tiếp theo để tài xin trình bày cách tạo ra chuỗi m và chuỗi Gold

2-2.2 Chuỗi M

Loại quan trọng nhất của các chuỗi ngẫu nhiên là các chuỗi thanh ghi dịch cơ số hai độ dài cực đại hay chuỗi m Các chuỗi cơ số hai m được tạo ra bằng cách sử dụng thanh ghỉ dịch có mạch hồi tiếp và các mạch cổng hoặc

loại trừ (XOR) Một chuỗi thanh ghi dịch tuyến tính được xác định bởi một đa thức tạo mã tuyến tinh g(x) bac m > 0 [3] :

Vi -1 = 1 (mod 2) V6i “x*” thé hién đơn vị trễ, phương trình hồi quy

trên xác định các kết nối hổi tiếp trong mạch thanh ghi dich cơ số hai trong

hình 2-3 Lưu ý rằng các cổng XOR thực hiện các phép cộng mod 2 Néu g,=1 khóa tương ứng của mạch đóng, ngược lại nếu g,#1, khóa này hở Để thực hiện điều chế hai pha tiếp theo, đầu ra của mạch thanh ghi dịch phải được biến đổi vào 1 nếu là 0 và vào -1 nếu là 1 Thanh ghỉ dịch là một mạch cơ số hai trạng thái hữu hạn có m phần tử nhớ Vì thế số trạng thái khác 0 cực đại

là 2”~—1 và bằng số chu kỳ cực đại của chuỗi ra e=(€,,€,,;› ) +

Xét hình vẽ 2-3, giả sử s,(/) biểu thị giá trị của phần tử j trong thanh

ghi dịch ở xung đồng hỗ thứ ¡ Trạng thái của thanh ghỉ dịch ở xung đồng hỗ

thứ ¡ là vectơ độ dài hữu hạn s, ={Ís()s,(2),.„s,0m} Đầu ra ở xung đông hồ

thứ ¡ là ø_„=s;() Thay 1 bằng c vào phương trình (2.5) ta được điều kiện hổi quy của chuỗi ra :

Cp = BC t 82-2 tot Sm aCimst Ÿ Con

hay

Đối với mọi trạng thái khởi đầu khác không (s, z {0,0,0,0,0}), trạng thái của

thanh ghỉ dịch thay đổi theo điều kiện hổi quy được xác định bởi đa thức tạo

mã ø(x) Trong thí du này ta có chuỗi ra :

¢=111110100010010101100001110010

Tinh cd chudi nay cé chu ky cuc dai va bing N=2"-1 Cac da thtic tao

mã khác có thé tao ra chu kỳ ngắn hơn nhiều

Lưu ý rằng ở cấu hình mạch được xét này, m bit đẫu tiên của chuỗi ra

bằng các bit được nạp ban đầu vào thanh ghỉ dịch : s, =11111 Đối với giá trị ban đầu khác, ví dụ như : sạ=00001, đầu ra của chuỗi tương ứng trở

thành : 10000111001011110100010010101

la dich (sang phai N-i=31-18=13 đơn vị) của chuỗi c

Một chuỗi thanh ghi dịch cơ số hai tuyến tính, với chu kỳ N=2"-1 trong đó m là số đơn vị nhớ trong mạch hay bậc của đa thức tạo mã, được gọi

là một chuỗi cơ số hai có độ đài cực đại hay chuỗi m Đa thức tạo mã của chuỗi m được gọi là đa thức nguyên thủy (Primitive Polynomial)

Định nghĩa toán học của đa thức nguyên thủy : g(x) là một đa thức nguyên thủy bậc m nếu tôn tại số nguyên nh nhất =2” —1, sao cho đa thức bậc n: x"+Ichia hết cho đa thức g(x)

Ví dụ : cho g(Œœ) =x +x*+>Ì+x+1 là một đa thức nguyên thủy bậc m= Š

vì số nguyên n nhỏ nhất mà x" +Ichia hết cho đa thức g@) là ø=2”~1=31

Trái lại gœ)=xÍ+x°+x°+z? +x+1 không phải là nguyên thủy vì :

Ở đây : p/n kí hiệu tất cả các ước số nguyên tố của n Hàm Euler (m) bằng số các số nguyên đương nhỏ hơn n và là các số nguyên tố tương đối so với n Ví dụ :

Các số dương n và m là các số nguyên tố tương đối so với nhau nếu và

chỉ nếu ước số chưng lớn nhất bằng 1

Ta có thể tìm các đa thức nguyên thủy bằng cách chọn thử Nhiều bảng

đa thức nguyên thủy đã được công bố ở những tài liệu khác nhau

Đa thức nguyên thủy là đa thức tối giản, nghĩa là ta không thể phân

tích nó thành các đa thức thừa số có số mũ thấp hơn, nhưng ngược lại thì không đúng Một đa thức tạo mã không nguyên thủy có thể cho một chuỗi có chu kỳ nhỏ hơn 2”-—1 Ví dụ như đa thức gŒ)=x)+x'“+x+x+1 là đa thức nguyên thủy và nó tạo ra một chuỗi m có chủ kỳ ø =2"—1=31 như ta đã thấy Trái lại đa thức tạo mã g(x)=x°+x°+x”+x+1 không phải là đa thức nguyên thủy (mặc dù có thể chỉ ra rằng nó không chứa thừa số nào có bậc nhỏ hơn và

vì thế là đa thức tối giản, hay đa thức nguyên tổ), vì nó tạo ra một chuỗi có

chu kỳ là 5 thay vì 2“-1=15

Chuỗi M có hàm tự tương quan dạng đầu đinh:

NAD, OG 5 |

Sau đây là các đa thức nguyên thủy cơ số hai có bậc m=8, theo trình tự

các hệ SỐ go 81 B2 Bs Ba 6s, được dùng trong để tài này :

100101 101001 101111 110111 111011 111101

2-2.3 Chuỗi Gold

Các chuỗi m có hàm tự tương quan dạng đầu đỉnh tuần hoàn nên chuỗi

m là loại chuỗi rất hoàn hảo cho hoạt động đồng bộ mã Đối với thông tin bất

đồng bộ nhiều người sử dụng trong hệ thống thông tin COMA thì cn có một

tập lớn các chuỗi ngẫu nhiên có các giá trị tương quan chéo nhỏ

Giả sử ta định nghĩa tương quan chéo tuần hoàn của hai chuỗi (có thể là

phức) w=wgw, „, và v=vawyv;.v„, (trong đó w, và v, có giá trị hoặc + hoặc -1 đối với chuỗi cơ số hai), như sau :

m

lớn vì thế chúng không phù hợp cho việc sử dụng trong cùng một tập chuỗi

đa truy cập

Một họ các chuỗi tuần hoàn có thể đảm bảo các tập chuỗi có tương

quan chéo tuân hoàn tốt là các chuỗi Gold Có thể xây dựng một tập N+2 các

chuỗi Gold độ đài W =2”T—1 từ một cặp các chuỗi m được ưa chuộng

(Preferred Pair) có cùng chu ky N

Một cặp chuỗi m, x và y, được gọi là cặp chuỗi ưa chuộng khi chúng có hàm tương quan chéo ba trị:

/Ø,„(®) =—1,—t(m), hay t(m)-2 (2.10)

đôi với tất cả độ dịch n, trong dé t(m) =14 27)

với [e]kí hiệu cho phẩn nguyên của số thực c Lưu ý rằng khi tính toán các giá trị tương quan chéo trước hết phải chuyển đổi các gid tri 0 va 1 vao +1

và -1

Tập hợp các chuỗi Gold bao gồm cặp chuỗi m được ưa chuộng x và y

và các tổng mod 2 của x với dịch vòng y [3] Chẳng hạn tập hợp các chuỗi Gold là :

trong đó 7'y={y,y,,⁄;„ v„„yuMHà dịch vòng trái của y Đại lượng tương

quan cực đại cho hai chuỗi Gold bất kỳ trong cùng một tập bằng hằng số t(m) Cặp các chuỗi m ưa chuộng không tổn tại đối với m= 4, 6, 12, 16

Dưới đây là một ví dụ cho các chuỗi Gold có m = 3 :

Có tất cả 2v =2 chuỗi m khác nhau bằng cách dịch vòng với độ dài

7 Hai đa thức nguyên thủy bậc m= 3 là (xÌ+x?+l) và (xÌ+x+]) tạo ra các chuỗi x=1001011 và y=1001110 ( nạp khởi đầu cho cả hai thanh ghi dịch này là

001)

Dé dàng kiểm tra rằng hàm tự tương quan của cả hai chuỗi này đều là cùng một hàm có dang đầu đỉnh Ngoài ra hàm tương quan chéo của cặp chuỗi m sẽ có ba trị : -1, -5, hay 3, vì thế x và y là cặp ưa chuộng của các chuỗi m

Tập 9 chuỗi Gold tương ứng có độ dài 7 như sau [3] :

2-2.4 Hệ Số Trải Phổ (Spreading Factor)

Số chip trên một kí tự N được gọi là hệ số trải phổ, độ lợi trải phổ, hoặc độ lợi xử lý:

> Trong hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp đồng bộ trực giao, số người

dùng tích cực đồng thời trong hệ thống là nhỏ hơn hoặc bằng N

> Với một mức tương quan chéo cực đại cho trước, số tín hiệu trải phổ

đồng bộ hoặc không đồng bộ tăng theo N Phương sai của ham

tương quan chéo giữa hai tín hiệu trải phổ được chọn một cách ngẫu nhiên và độc lập là 1/N

> Gia tri N lớn sẽ làm tăng tính bảo mật của hệ thống, cản trở những máy thu không dụng ý nhận ra dạng sóng tín hiệu cũng như nghe trộm những thông tin đã phát

»> Do mức phổ năng lượng của tín hiệu trải phổ tỉ lệ nghịch với N góp phần làm giảm nhiễu được gây ra trên những đường truyền băng

hẹp

> Sự suy giảm hiệu suất gây ra bởi jammer băng hẹp giảm theo N Trong trường hợp không có nhiễu nên, jammer băng hẹp với công suất lên đến 10log,,N dB trén tin higu trải phổ sẽ không có lỗi

2-3 Nhiễu Nền

Thuật ngữ nhiễu nên (Background noise) để cập tới những tín hiệu điện

không mong muốn luôn luôn tổn tại trong những hệ thống thông tin ma không phải do bất kỳ một máy phát nào trong hệ thống đa truy cập phát ra

Sự hiện điện của nhiễu nền xếp chồng lên tín hiệu làm cho tín hiệu không rõ ràng, nó giới hạn khả năng của máy thu trong việc lấy những quyết định kí hiệu đúng, và đo đó giới hạn tốc độ truyền thông tin Nhiễu nền có từ nhiều nguồn khác nhau, cả nhân tạo lẫn tự nhiên Nhiéu nhân tạo gồm những nguồn

như nhiễu do sự đánh lửa buji, quá trình quá độ của công tất, và những tín

hiệu điện từ bức xạ từ nhiều nguồn khác nhau Nhiễu tự nhiên bao gồm nhiễu linh kiện và mạch điện, sự nhiễu loạn khí quyển và những, nguồn từ vũ trụ

Những thiết kế tốt có thể loại bỏ nhiễu hay những ảnh hưởng không

mong muốn của nhiễu thông qua việc lọc, việc chắn, lựa chọn điểu chế và máy thu tối ưu Tuy nhiên, có một nguồn nhiễu tự nhiên được gọi là nhiễu nhiệt hay nhiễu Johnson, ta không thể loại bỏ được nhiễu này Nhiễu nhiệt

được gây ra bởi chuyển động nhiệt của các electron trong mọợi thiết bị như : điện trở, dây dẫn, Những electron là nguyên nhân gây ra đòng điện và

cũng là nguyên nhân gây ra nhiễu nhiệt

Ta có thể mô tả nhiễu nhiệt như một quá trình ngẫu nhiên Gaussian

trung bình zero Một quá trình ngẫu nhiên Gaussiar, n(), là một hàm ngẫu nhiên mà giá trị n của nó ở tại một thời điểm t bất kỳ được đặc trưng bằng một hàm mật độ xdc suat Gaussian p(n) :

Đặc điểm cơ bản của nhiễu nhiệt là mật độ phổ công suất của nó giống nhau trên mọi tần số của các hệ thống thông tin, nói cách khác một nguồn nhiễu nhiệt phát ra một lượng giống nhau công suất nhiễu trên đơn vị băng thông ở mọi tân số Do đó, một kiểu đơn giản cho nhiễu nhiệt giả sử rằng mật

độ phổ công suất của nó là G,(f) là phẳng trong mọi tân số, như trong hình 2-

Do đó hàm tự tương quan của nhiễu trắng là hàm delta có hệ số M,/2

ở t =0, như trong hình 2-5 b Lưu ý rằng R,()=0 khí + #0

Công suất trung bình, P„ của nhiễu trắng là vô hạn vì băng thông của

là vô hạn Điều này có thể thấy rõ :

~ N,

Nhiễu trắng là sự trừu tượng hóa có ích, không có loại nhiễu nào thực

sự là nhiễu trắng Tuy nhiên, nhiễu được bắt gặp trong nhiều hệ thống thực có thể được giả sứ là xấp xỉ nhiễu trắng Ta chỉ có thể quan sát nhiễu sau khi nó

đi qua một hệ thống thực có băng thông hữu hạn Vì thế, khi băng thông của nhiễu lớn hơn nhiều so với băng thông của hệ thống thì nhiễu có thể được xem như có băng thông vô hạn,

Ham delta trong (2.14) có nghĩa là tín hiệu nhiễu n() là hoàn toàn giải tương quan với thành phần dịch thời gian của nó với mọi + >0 Biểu thức (2.14) cho biết rằng mỗi hai mẫu khác nhau của nhiễu trắng là không giao thoa Do đó, nhiễu Gaussian trắng cộng (AGWN) ảnh hưởng đến mỗi kí hiệu phát đi một cách độc lập nhau Kênh như thế được gọi là kênh không nhớ

Thuật ngữ “cộng” có nghứa là nhiễu được cộng hay chồng lên tín hiệu

Vì nhiễu nhiệt hiện điện trong tất cả các hệ thống thông tin và là nguồn nhiễu nổi bật cho hầu hết các hệ thống Những đặc tính của nhiễu nhiệt :

cộng, trắng, và Gaussian là các đặc tính thường được dùng để mô tả nhiễu

trong các hệ thống thông tin Bởi vì nhiễu Gaussian trung bình zero hoàn toàn được đặc trưng bởi phương sai của nó nên mô hình này thường được dùng trong việc tách sóng tín hiệu và thiết kế các bộ thu tối ưu

Trong để tài này, nếu không có chú thích gì thêm thì nhiễu nên tác động đến tín hiệu trong hệ thống là nhiễu Gaussian trắng cộng (AGWN) có trung binh bing zero, phương sai là 0”

2.4 Dung Lượng Hệ Thống CDMA

2.4.1 Dung Lượng Đường Xuống

Khi Không Có Điều Khiển Công Suất

Khi không có điều khiển công suất, tỷ số công suất tín hiệu trên nhiều giao thoa SIR (Signal-to—Interference power Ratio) thu được tại một trạm di động nằm trong một celi khi có tính đến nhiễu của chín ô lân cận là:

Với M: số user có thể đồng thời tham gia hoạt động trong một cell

n: số nguyên dương đặc trưng cho suy hao đường truyền ( thường n = 4) œ: hằng số đặc trưng cho suy hao đường truyền

Biota: bang thông của một kénh CDMA

Kết hợp hai phương trình trên và xem như M >> 1 ta được:

` 33123 R, "E,/N, tonal

Khi Có Điều Khiển Công Suất

Ta có thể tăng dung lượng hệ bằng cách điều khiển công suất đường xuống một cách phù hợp Việc điều khiển công suất thích hợp cho từng cell có

thể giám nhiễu giao thoa đối với các cell lân cận Do đó, các cell lân cận khi

được điều khiển công suất đường xuống sẽ giảm tác động gây nhiễu giao thoa

cho cell đang xét Càng giảm nhiễu giao thoa thì càng tăng được dung lượng

M Nếu điều khiển công suất lý tưởng thì chỉ còn nhiễu giao thoa giữa các kênh lưu lượng trong chính cell đó Do đó, nếu ta bỏ qua nhiễu giao thoa của các cell lân cận, tỉ số SIR tại trạm di động sẽ trở thành:

2.4.2 Dung Lugng Dudng Lén

Ở các hệ thống CDMA tất cả các kênh đều đùng chung một dải tần vô tuyến Vì thế, ở trạm gốc, các tín hiệu mạnh của các user ở gần sẽ che khuất

các tín hiệu yếu của các user ở xa Nếu điều khiển công suất lý tưởng thì tất

cả các tín hiệu thu được tại trạm gốc sẽ có công suất như nhau Do đó, tại trạm gốc tỉ số SIR của một user thu được sẽ là:

1 wrong cell > h

SIR=

Trong dé:

> P¿ công suất nhận được tại trạm gốc của user thứ i

> luong cặ: tổng công suất nhiễu giao thoa do M - 1 user còn lai trong cell đang xét ( thu được tại trạm gốc )

Luu ý: ở công thức trên ta cũng đã giả sử rằng không có nhiễu giao thoa từ các trạm đi động của các cell lân cận đến trạm gốc đang xét Do đó, ta cũng

có công thức tính dung lượng như sau:

Dung lượng của hệ thống CDMA có thể tăng lên nhờ sử dụng kỹ thuật

phát hiện khoảng thời gian tích cực của thông tin va phan chia cell Dung lượng của hệ thống CDMA khi dùng hai kỹ thuật này như sau:

= mm 1 1p, R, E/N, d

trong dé:

> d:hé sé tích cực của thông tin

> F: hệ số sử dụng lại tần số

> G: độ lợi dải quạt (thường G = 2.55 với 3 đải quạt 1200)

Luu ý là trong hệ thống CDMA đa cell, số lượng kênh sử dụng hiệu quả

liên quan chặt chẽ tới phân bố lưu lượng của các cell lân cận Khi cell lân cận

ít cuộc thông tin ( ít user tham gia hệ thống), nhiễu giao thoa gây ra bởi cell này đối với cell đang xét sẽ giảm, hiệu suất F tăng lên, dung lượng cực đại của cell đang xét do đó cũng sẽ tăng lên Cho nên có thể nói giới hạn trên của dung lượng của hệ thống CDMA là giới hạn mềm Đây chính là ưu điểm của

hệ thống CDMA so với các hệ thống đa truy nhập khác

Sau đây là một số thông số thực tế được sử dụng để ước lượng dung lượng hệ thống CDMA [2]:

Direction |W R E,/No | d f G Capacity

[Mcps] | [kbps] | [dB] user/cell CDAMOne Down 1.2288 | 9.6 5 0.4 | 0.5 | 2.55 | 22.7

mm 3

CAC PHUGNG PHAP TACH SONG DA TRUY CAP

Chương này bắt đầu với phần trình bày về việc xây dựng mô hình toán

học của tín hiệu thu được tại máy thu trong hệ thống thông tin di động CDMA Các mô hình toán học này được xây dựng ở hai dạng: mô hình liên

tục và mô hình rời rạc cho hai loại hệ thống thông tin di động CDMA đồng bộ

và bất đồng bộ Sau đó, các phương pháp tách sóng đa truy cập nhằm nâng cao dung lượng và chất lượng hệ thống thông tin đi động CDMA được phân tích Trong quá trình xây đựng mô hình toán cho tín hiệu thu để tài sử dụng một số giẢ sử sau:

> Sự đồng bộ trong hệ thống CDMA là hoàn hảo, bao gồm cả sự đồng

bộ pha sóng mang và đồng bộ tín hiệu trải phổ nên không mất tính tổng quát ta chỉ xem xét mô hình tín hiệu băng gốc (Baseband)

> Giả sử sự tiên đoán biên độ thu của các người dùng là chính xác

> Tín hiệu từ máy phát đến máy thu chỉ truyền theo một đường, tức

không xét hiện tượng Fading

> Tín hiệu trong hệ thống bị tác động bởi nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN) có trung bình bằng zero, phương sai là o

3.1 Mô Hình Toán Học Tín Hiệu Thu Của Hệ Thống CDMA

Để triệt nhiễu MAI một cách hiệu quả, ta phải phân tích chính xác cấu trúc của tín hiệu thu, để từ đó đưa ra các giải pháp triệt nhiễu hợp lý Nội dung chính của phần này là xây dựng mô hình toán học của tín hiệu thu được tại máy thu trong hệ thống thông tin đi động CDMA Trong quá trình xây

dựng mô hình toán cho tín hiệu thu để tài sử dụng một số giả sử như đã đề

cập ở trên

Các hệ thống thông tin động CDMA đã đựợc chuẩn hóa và triển khai thực

tế như IS-95 và IMT-2000 đều dùng kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp, DS-6S

Trong đó, các người dùng trong hệ thống được phân biệt lẫn nhau bằng các

tín hiệu trải phổ giải ngẫu nhiên gần trực giao, tức các hệ số tương quan chéo

giữa các tín hiệu trải phổ này không bằng không mà có một giá trị nhỏ nhất

định Điễu này có nghĩa rằng các tín hiệu của các người dùng có gây can

nhiễu lấn nhau trong hệ thống, nhiễu đa truy cập (MAI) Xét khía cạnh phân tích nhiễu đa truy cập, hệ thống thông tin đi động CDMA đông bộ có thể

được mô tả thông qua mô hình kênh như hình 3-1

K

kel

Các kí hiệu trong (1) được định nghĩa như sau:

> T: chu ki bit, khoảng thời bít, bằng nghịch đảo tốc độ dữ liệu

> K: số lượng user trong hệ thống

> s(Ð : tín hiệu trải phổ xác định được gan cho user thứ k, được chuẩn hóa để có năng lượng đơn vị

> Ay : biên độ nhận được của tín hiệu của user thứ k

> bự e [-1,+1] : bit được truyền bởi user thứ k

> n(t) : nhiễu trắng phân bố Gauss với mật độ phổ công suất hai bên

Tương quan chéo giữa các tín hiệu trải phổ : ø; =< s,,s, >= fs; (Os, (t)dt 5

Giá trị của y trong biểu thức (3) bao gồm tổng của 3 thành phần:

> Thành phẩn 1: Là thông tin cần thu

>

R ma trận KxK, là ma trận hệ số tương quan chéo chuẩn hóa có các

thành phần đường chéo bằng 1 và các thành phân (¡j) bằng tương quan

chéo pạ

y=lyn, - yx)" vectơ cột tín hiệu ngõ ra của băng Matched Eilter

b=[bi, , bx]Ï vectơ cột K bít truyền của K user

Asdiag{A1, ., Ax} Ma tran dung chéo (KxK), cdc giá trị trên đường

chéo chính là biên độ tín hiệu thu được của các user

n: vector ngẫu nhiên phân bố Gauss trung bình bằng không với ma trận

covariance bing: E[nn"] = o°R

sự tổn tại của các người dùng khác, các tín hiệu của các người dùng khác lúc này được xem như là nhiễu Sự thành công của việc tách

sóng này phụ thuộc rất lớn vào hệ số tương quan chéo giữa các mã giả ngẫu nhiên Khi số lượng người dùng trong hệ thống tăng lên sẽ

làm giảm chất lượng của hệ thống, cụ thể là làm tăng mức nhiễu đa

truy cập lên, giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), dẫn đến tăng tốc

độ lỗi bít Như vậy, để đảm bảo chất lượng của hệ thống thì số lượng người dùng trong hệ thống phải được giới hạn Hay nói một cách khác là nhiễu MAI gây ra giới hạn dung lượng của hệ thống

CDMA hiện tại

»> Một giới hạn khác trong hệ thống CDMA đó là vấn dé gần - xa Dù

cho trong hệ thống có số lượng người dùng không nhiều, nhưng nếu

có một người dùng ở gần tram thu phát gốc hơn sẽ được tram thu phát gốc thu tín hiệu với mức công suất lớn hơn so với người dàng khác đang ở xa hơn, hiện tương, gan - xa Điều này làm cho tín hiệu của người dùng yếu hơn bị lấn áp bởi tín hiệu của người dùng mạnh hơn, gây tăng nhiễu MAI đối với người dùng yếu Như vậy, chất lượng hệ thống bị ánh hưởng mạnh bởi hiệu ứng gần xa, để khắc phục hiện tượng này các biện pháp điều khiển công suất chặc chế

đã được sử dụng trong hệ thống hiện tại, điều này làm tăng độ

phức tạp của máy thu, chức năng điều khiển công suất này đã không cần thiết đối với các thế hệ thông tin di động trước đó

Như vậy vấn đề đặt ra đối với hệ thống hiện tại là làm thế nào để triệt

nhiễu MAI nhằm nâng cao dung lượng, chất lượng hệ thống và giảm bớt chức

năng điều khiển công suất trong máy thu

3.1.2 Hé Thống Bất Đồng Bộ

Mô hình kênh CDMA bất đồng bộ là mô hình thực tế của hệ thống thông tin đi động tế bào, trong đó các máy di động có thể truyền tín hiệu đến trạm gốc vào các thời điểm khác nhau với các thời gian trễ khác nhau Do đó tín hiệu thu được tại máy thu là tổng của các tín hiệu của các người dùng với các thời gian trễ œ khác nhau (hình 3-3)

Hình 3-3 Mô hình lệch bất đồng bộ của các người dùng

Không mất tính tổng quát, trong trường hợp bất đồng bộ dữ liệu của các người dùng giả sử được phát đi theo từng khung (Frame) có chiều dài là (2M+1) như sau:

Số bít phát trên mỗi khung (Frame) là 2M+1

® Tín hiệu ngõ ra của bộ lọc phối hợp (Matched Filter) thứ k có dạng:

yell] = A,B LE + Y1A,8, [8 + Mey + 94,5, flog

thuộc vào độ lệch giữa các tín hiệu:

Sk

Hình 3-4 Định nghĩa tương quan chéo bất đồng bộ (k < 1)

® Tổng quát hóa (8) đưới dạng ma trận, ta có :

y = RAub+n (10)

trong đó:

> b: vector cột gồm K(2M+1) phần tử

bụuy =b(ll, k=l Ấ, i=-M, ,M

> y: vector ngõ ra bộ lọc phối hợp K(M+1) x 1, có các phần tỬ Yk+iK

là ngõ ra của bộ lọc phối hợp thứ k áp dụng đối với tín hiệu trong khoảng thdi gian [{ HiT, +x+iT+T], là khoảng thời gian tương ứng với

bit b,[i]

> Am : ma trận đường chéo K@M+1) x K(2M+1) véi phân tử thứ k+iK

trên đường chéo bằng với Ax

> R: ma tran K(2M+1) x K(M+1), có thể được viết như là một hàm của các ma trận tương quan chéo K x K trong (9):

RỊ] RỊ0] RTI - 0 0

R=| 0 R[1] KRI0 -: 0 0 (11)

0 0 0 + R{1} RO}

> n: vector nhidu K(2M+1) x 1, có ma tran covariance 1a oR

Ở đây ta cũng có những nhận xét tương tự về tác động của nhiễu đa truy cập lên hệ thống bất đồng bộ

3.2 Mang Neural

3.2.1 M6 Hinh Mang Neural

Mô hình mạng Neural tổng quát có đạng như sau :

vô hướng a = ƒ(wp) Hình bên phải là neuron có ngưỡng b, giá trị b được cộng với wp rồi qua hàm truyền ƒ cho kết quả đầu ra là vô hướng a = wp+b) Ta

có thể điều chỉnh những thông số của neuron như trọng số và ngưỡng (Ww và

b) để đạt được ngõ ra theo mong muốn, việc này được gọi là là “huấn luyện”

mạng

Neuron với Vector nhập

Một neuron được cho trên hình vẽ sau với vector nhap p = ÍPI, P2,

sư Pa ] trọng số W = wiu, Wlz, Wig, ngưỡng b và hàm truyền ƒ Tổng đối

Nếu có nhiều neuron thì cách biểu diễn trên không hiệu quả, do đó có thể định nghĩa một lớp gỗm nhiều neuron như sau

Hai hay nhiều neuron kết hợp thành một lớp neuron Một mạng neuron

có thể chứa một hay nhiều lớp neuron

Mạng neuron một lớp:

Trong hình đưới mô tả mạng một lớp neuron với :

R : số phần tử của vectơ đầu vào

Trong mạng có nhiều lớp, mỗi lớp có một ma trận W, một ngưỡng bvà

một vectơ ngõ ra a Thông thường giá trị ra của một lớp là giá trị vào của lớp

tiếp theo Mỗi lớp trong mạng đảm nhiệm vai trò khác nhau, lớp cho kết quả

ở đầu ra của mạng được gọi là lớp ngõ ra _ output layer, tất cả các lớp còn lại được gọi là lớp ẩn _ húđđen layers Mạng đa lớp có khả năng xử lý rất lớn Chẳng hạn như một mạng có hai lớp, lớp thứ nhất là sigmoid, lớp thứ hai là linear có thể được huấn luyện đến một hàm gần đúng với một số kết nối cố

định

Để tạo ra các mạng neural ta dùng các hàm trong Matlab như:

Newlin, newlind : tao mạng tuyến tính

Newff : tạo mạng BackPropagation

Newelm: tao mang Elman

3.2.2 Ham Truyén

Có rất nhiều hàm truyền áp dụng trong Neural Networks, trong đó ba

hàm thường sử dung nhat 1a Hard Limit, Linear, Log-Sigmoid

Tổng quát với một hàm truyền có đầu vào là một hoặc một nhóm

Vậy một ngõ vào với các hàm truyền khác nhau sẽ cho các kết quả khác

nhau Để có giải pháp tối ưu thì cần phải có kinh nghiệm sử dụng các ham

truyền hoặc phải tốn một khoảng thời gian để thử nghiệm hàm truyền

Lag-Sigmoid Transfer Function

3.3.3 Huấn Luyện Mạng Neural

Mục đích của việc huấn luyện mạng là cập nhật, tính toán lại các vectơ trọng số và ngưỡng trong mạng sao cho mạng có thể mô tả chính xác nhất

mối quan hệ giữa dữ liệu ngõ vào và ngõ ra Hàm huấn luyện thường được

ding 1a train

Có hai kiểu huấn luyện khác nhau

¢ Incremental training : trọng số và ngưỡng của mạng được cập nhập mỗi khi có dữ liệu vào mạng Kiểu này ứng dụng trong cả hai mạng tĩnh và động, tuy nhiên thường dùng trong mạng động nhiều hơn, như là những

bộ lọc thích ứng

ø — Batch training : trọng số và ngưỡng của mạng chỉ được cập nhập sau khi tất cả dữ liệu đã vào mạng, dùng trong cả hai mang tĩnh và động

3.2.4 Mô Phỏng Mạng Neural

Sau khi mạng đã được huấn luyện xong, nó có thể được sử dụng để tìm

dữ liệu ngõ ra theo các dữ liệu mới ở ngõ vào Quá trình này gọi là mô phỏng

mạng Để mô phỏng mạng ta thường dùng hàm Sim

Kết Luận

Đầu vào của một neuron gồm ngưỡng b và tổng các trọng số vào Ngõ

ra của neuron phụ thuộc vào đẫu vào và hàm truyền

Neuron đơn rất ít sử dụng Tuy nhiên một vài neuron có thể kết hợp

thành một lớp hay nhiều lớp thì khả năng xử lý cao hon Van dé don giản có thể trình bày bằng một lớp đơn Tuy nhiên, nó không giải quyết được nhiéu

vấn đề phức tạp Mạng đa lớp feedforward có khả năng giải quyết lớn hơn

Cấu trúc một mạng có thể mô tả bằng số lớp, số neuron trong một lớp,

hàm truyền của mỗi lớp và kết nối giữa các lớp Tùy thuộc vấn để mạng cẩn giải quyết mà có cấu trúc khác nhau

Nếu một ánh xạ tuyến tính cần mô tả nên sử đụng neuron tuyến tính

Tuy nhiên, mạng tuyến tính không thể thực hiện bất cứ tính toán phí tuyến

nào Sử dung ham truyén phi tuyến để tạo cho mạng có khả năng thực hiện mối quan hệ phi tuyến giữa đầu vào và đâu ra Mạng có ngưỡng b có thể mô

tả mối quan hệ giữa đầu vào và đẩu ra dễ dàng hơn mạng không có ngưỡng

b Ví dụ một neuron không có ngưỡng sẽ luôn tạo ra ngõ vào zero cho hầm truyền (khi tất cả ngõ vào neuron là zero) Tuy nhiên một neuron với ngưỡng

có thể học để tạo ra một ngõ nhập cho bất kỳ hàm truyền nào trong cùng một

điều kiện bằng cách học tập những giá trị gân đúng của ngưỡng

Trong đê tài này, ba loại mạng được sử dụng để tách sóng trong hé thống CDMA dé la: mạng tuyến tinh, mang BackPropagation va Elman

3.3 Các Phương Pháp Tách Sóng Đa Truy Cập

Đề tài thực hiện được tất cả là 15 phương pháp sóng đa truy cập như Sau:

Nối Tiếp (SIC)

Hồi Tiếp Quyết Định (DF)

MMSE-DF , Conv-PIC

13 Mạng Tuyến Tính

—————>| 14 Mạng BackFropagation

3.3.1 Phương Pháp Tách Sóng Thông Thường:

Bộ tách sóng thông thường là phương pháp đơn giản nhất để phục hôi

tín hiệu CDMA đó bằng cách dùng nhóm bộ lọc phối hợp từng người dùng

Hệ thống đồng bộ:

Từ mô hình kênh CDMA K người dùng xác định theo công thức :

y)= 3) A,bis,(0 + ơn(f)

asl

Những ngõ ra của bộ lọc thích nghỉ là: