nghiên cứu và mô phỏng bộ̣ thu ds cdma dùng mạng nơron

 Mạch điều chế và giải điều chế BPSK Mạch điều chế BPSK dựa trên nguyên tắc mạch nhân giữa một sóng mang Acosωot với chuỗi số dt đặc trưng cho tín hiệu nhị phân dt = ±1... × Lọc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM

THUỘC NHÓM NGÀNH:KHOA HỌC KỸ THUẬT

NGƯỜI CHỦ TRÌ :SV.ĐỖ MINH THÁI

NGƯỜI THAM GIA :SV.NGUYỄN VĂN HÙNG

ĐƠN VI ̣ : KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

NGHIÊN CỨU VÀ MÔ PHỎNG BÔ ̣THU

MỤC LỤC

TÓM TẮT ĐỀ TÀI 2

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ 3

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 3

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 3

III NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI 4

PHẦN 2: GIẢI QUYẾT VẤN DỀ 5

I MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 5

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 5

3.1 Điều chế và giải điều chế PSK 5

3.2 Hệ thống trải phổ trực tiếp DS-SS 7

3.3 Chuỗi giả ngẫu nhiên 8

3.4 Hệ thống phân chia theo mã DS-CDMA 12

3.5 Các bộ tách sóng DS-CDMA 16

3.5.1Bộ tách sóng cổ điển Matched Filter 16

3.5.2Bộ tách sóng giải tương quan (Decorrelating Detector) 19

3.5.3Bộ tách sóng tối ưu (Optimum Multiuser Detector) 22

3.6Bộ tách sóng DS-CDMA dùng ma ̣ng Nơron 29

3.6.1Mạng truyền thẳng và giải thuật truyền lùi 29

3.6.2Bộ tách sóng CDMA dùng ma ̣ng Nơron 39

3.7Kết quả mô phỏng trên Simulink 45

IV KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 54

4.1 Tính khoa học 54

4.2 Khả năng triển khai và ứng dụng thực tế 54

4.3 Hiệu quả kinh tế xã hô ̣i 54

PHẦN 3: KẾT LUÂ ̣N 55

I KẾT LUẬN 55

II KIẾN NGHỊ 55

PHẦN 4:PHỤ LỤC VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

I PHỤ LỤC 56

II TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Công nghê ̣ đa truy câ ̣p phân chia theo mã CDMA đã được nghiên cứu từ lâu , vào những năm 30 của thế kỷ 20, nó đã được ứng dụng trong quân sự , với ưu điểm là bí mật gần như tuyệt đối Hiê ̣n nay thì nó không còn chỉ dừng lại trong quân sự nữa mà hê ̣ thống CDMA đã được nghiên cứu ứng du ̣ng trong dân sự , cụ thể là trong các hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong Nó đã được chuẩn hóa triển khai vào thực tế như: hê ̣ thống IS-95, CDMA2000, WCDMA Hê ̣ thống CDMA đươ ̣c lựa cho ̣n làm tiêu chuẩn cho công nghê ̣ 3G, với mô ̣t tốc đô ̣ kênh truyền cao hơn phu ̣c vu ̣ cho nhu cầu ngày càng cao của con người

Có thể nói hệ thống CDMA có rất nhiều ưu điểm vượt trội so với các hê ̣ thống khác: bảo mật , chuyển giao mềm không bi ̣ rớt cuô ̣c go ̣i mỗi mô ̣t user được cấp

mô ̣t mã riêng sử du ̣ng chung băng tần và thời gian rõ ràng là nó không bi ̣ ha ̣n chế bởi tài nguyên vô tuyến(tần số), và nếu xét về lý thuyết thì dung lượng của nó được mở rô ̣ng gần như là vô ha ̣n Nhưng thực tế thì không như lý thuyết , vấn đề rất lớn

đă ̣t ra trong CDMA là nhiễu MAI (multi Access interference), ảnh hướng rất lớn đến chất lươ ̣ng hê ̣ t hống và ha ̣n chế số dung lượng cho phép , bắt hê ̣ thống CDMA phải điều khiển công suất nhanh , và phải tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR qua đó tăng công suất phát

Các bộ thu cổ điển Matched Filter , đơn giản đễ chế ta ̣o trên ph ần cứng nhưng nó không thể triệt nhiễu được nhiễu MAI , còn bộ thu tối ưu (Optimum Multiuser Detector) do Sergio.vedu đề xuất thì quá phức ta ̣p không thể triển khai trên phần cứng Với sự phát triển của khoa ho ̣c trí thông minh nhâ n ta ̣o Đặc biệt là mạng nơron nhân ta ̣o thì người ta đã nghiên cứu ứng du ̣ng Ma ̣ng nơron vào trong các bộ thu CDMA để triê ̣t nhiễu MAI, và đã gặt hái được nhiều thành tựu nhất định

Đề tài, tiến hành nghiên cứu mô phỏng bô ̣ t hu CDMA dùng ma ̣ng nơron nhân ta ̣o trên matlab, để làm cơ sở nghiên cứu ứng dụng bộ thu trên các chíp phần cứng như FPGA, DSP

Nô ̣i dung nghiên cứu gồm 7 phần:

1 Kỹ thuật điều chế và giải điều chế pha PSK:

2 Kỹ thuật trải phổ trực tiếp DS-SS

3 Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã DS-CDMA

4 Bộ tách sóng CDMA cổ điển(Conventional Detector)

5 Nghiên cứ u ma ̣ng Nơron nhân tao

6 Nghiên cứ u bô ̣ tách sóng CDMA dùng ma ̣ng Nơron

7 Mô phỏng trên Simulink

Phần 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

I ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

- Kỹ thuật điều chế và giải điều chế PSK , kỹ thuật trải phổ trực tiếp DS-SS, kỹ thuâ ̣t đa truy câ ̣p phân chia theo mã DS-CDMA

- Nghiên cứu các kỹ thuâ ̣t tách sóng CDMA cổ điển (Matched Filter), bô ̣ tách sóng giải tương quan (Decorrelating Detector), bô ̣ tách sóng tối ưu (Optimum Multiuser Detector)

- Bô ̣ tách sóng tín hiê ̣u CDMA dùng ma ̣ng Nơron

II TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC

Công nghê ̣ đa truy câ ̣p CDMA đươ ̣c xây dựng trên cơ sở kỹ thuâ ̣t trải phổ Kỹ thuâ ̣t trải phổ đã được nghiên cứu và áp du ̣ng trong quân sự từ những năm 1930 Tuy nhiên gần đây các kỹ thuâ ̣t này được nghiên cứu và áp du ̣ng thành công trong các hệ thống thông tin vô tuyến tổ ong Kỹ thuật đa truy cập CDMA đã cho thấy những ưu điểm vượt trô ̣i hơn hẳn so với các phương phá p đa truy câ ̣p khác như FDMA (Frequency Division Multiple Access ), TDMA (Time Division Multiple Access) nó đã được chọn làm phương pháp đa truy cập trong hệ thống thông tin di

đô ̣ng thế hê ̣ thứ 2 của Bắc Mỹ , chuẩn IS-95, và hệ thống thô ng tin di đô ̣ng thứ 3, IMT-2000

Tách sóng đa truy cập nhằm cải tiến dung lượng và chất lượng hệ thống thông tin di đô ̣ng ngày càng được quan tâm hơn , do sự thành công trong thương ma ̣i của các hệ thống CDMA

Trong nướ c : nhiều nhà khoa ho ̣c đã nghiên cứu về khả năng ứng du ̣ng của mạng Nơron nhân ta ̣o trong viê ̣c tách sóng tín hiê ̣u CDMA

[1] Vũ Đình Thành, Huỳnh Phú Minh Cường, "Tách Sóng đa truy cập trong hệ thống thông tin di động DS-CDMA đồng bộ“ ,Tạp chí Khoa Học và Công Nghệ, tập 42, số 1, năm 2004

[2] Vũ Đình Thành , Huỳnh Phú Minh Cường ,”Nâng cao chất lượng và dung lươ ̣ng hê ̣ thống thông tin di đô ̣ng CDMA sử du ̣ng bô ̣ tách sóng đa truy câ ̣p dùng mạng nơron”,Tạp chí Khoa Học và Công Nghệ

[3] Phạm Phùng Kim Khánh , tách sóng đa truy cập dùng mạng hopfield trong

hê ̣ thống CDMA

Ngoài nước: vấn đề tách sóng nhằm nâng cao chất lượng hê ̣ thống CDMA đã đươ ̣c nghiên cứu từ lâu do nền khoa ho ̣c kỹ thuâ ̣t phát triên của h ọ Nhưng gần đây

các bài báo này mới đươc quan tâm trở lại do CDMA là ứng cử viên sáng giá cho công nghê ̣ 3G, đang đươ ̣c triển khai ở nhiều nước trong đó có Viê ̣t Nam

III NHỮNG VẤN ĐỀ CÒN TỒN TẠI

Với công nghê đ a truy nhâ ̣p phân chia theo mã CDMA thì dung lương của hê ̣ thống có thể mở rô ̣ng lên rất lớn , nhưng mô ̣t khi quá nhiều user được sử du ̣ng thì

mô ̣t vấn đề khác la ̣i phát s inh Đó là nhiễu MAI (Multi Access Interference) sẽ ảnh hưởng rất lớn đến chấ t lượng hê ̣ thống Theo lý thuyết nếu sử du ̣ng mã trực giao như mã Walsh-hardamard thì can nhiễu trong hê ̣ thống CDMA có thể loa ̣i bỏ, nhưng trong thực tế dưới sự ảnh hưởng của fad ing cho ̣n lo ̣c tần số , các sóng mang của các user có biên đô ̣ và pha khác nhau Điều này làm mất tính trực giao giữa các user và xảy ra nhiễu MAI

Như vâ ̣y mô ̣t trong các ha ̣n chế chính của các hê ̣ thống CDMA hiê ̣n nay là hiê ̣u năng của chúng phu ̣ thuô ̣c vào nhiễu của các ngư ời sử dụng cùng tần số , MAI (Multi Access Interference) Đây chính là lý do dẫn đến giảm dung lươ ̣ng và dòi hỏi phải điều khiển công suất nhanh Các máy thu liên kết đa người dùng (MUD: Multi User Detector ) sẽ cho phép các hệ th ống CDMA mới dần khắc phục được nhược điểm này và cho phép CDMA tỏ rõ tính ưu viê ̣t của nó

Bô thu CDMA cổ điển không thể triê ̣t đươ ̣c cang nhiễu MAI vì dùng các bô ̣ thu riêng biệt cho từng user (Matched Filter và ma ̣ch quyết đi ̣ nh) mà không quan tâm tới tín hiê ̣u của các user khác Khi số lượng user trong hê ̣ thống tăng lên sẽ làm giảm chất lượng của hệ thống , cụ thể làm tăng mức độ can nhiễu đa truy cập , giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), dẫn đến tăng tốc đô ̣ lỗi bít BER , như vâ ̣y để đảm bảo chất lượng của hệ thống thì số lượng user phải bị giới hạn , nói cách khác nhiễu MAI gây ra giới ha ̣n của hê ̣ thống CDMA hiê ̣n ta ̣i

Mô ̣t bô ̣ thu tốt cần phải có để giải quyết tất cả vấn đề trên Các bộ thu cổ điển có ưu điểm là thường dễ thực hiện , nhưng chất lươ ̣ng tách sóng không tốt Máy thu

đa truy nhâ ̣p tối ưu (Optimum Multiuser Detector) là điển hình để giải quyết những vấn dề trên , nhưng trên thực tế nó la ̣i ít được sử du ̣ng vì đô ̣ phức ta ̣p của nó tăng theo hàm mũ của k user

Yêu cầu của đề tài là xây dựng được bô ̣ thu dùng ma ̣ng nơron, và chứng minh rằng tỉ số lỗi BER của bô ̣ thu nơron tốt hơn các bô ̣ thu ki nh điển kiểu ma ̣ng sử dụng là mạng nơron đa lớp, mạng backpropagation và giải thuật truyền lùi

Phần 2 GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ

I MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài đi tìm , và xây dựng một bộ t hu mới dựa trên cơ sở ma ̣ng Nơron, với độ phức tạp ít hơn máy thu đ a truy nhâ ̣p tối ưu (Optimum Multiuser Detector ), nhưng nó phải tốt hơn các bộ thu cổ điển khác Có thể nói bộ thu dùng mạng nơron là một

bô ̣ thu cận tối ưu hay tối ưu con(SubOptimum)

II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Tìm hiểu, nghiên cứu về hê ̣ thống CDMA trong các tài liê ̣u nước ngoài , và trong nước

- Tìm hiểu, nghiên cứu đề xuất mô hình bô ̣ thu CDMA dùng ma ̣ng Nơron

III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

3.1Điều chế và giải điều chế PSK

Điều chế PSK là một kiểu điều chế số Điều chế số là các phương pháp kỹ thuật để chuyển đổi tín hiệu số thành các tín hiệu sóng mang băng hẹp, có thể được truyền trên các kênh có băng thông hạn chế Tín hiệu băng hẹp được xem là tín hiệu

có dải băng tần rất hẹp so với tần số sóng mang cơ bản của nó

Trong điều chế số dịch pha PSK, pha của sóng mang hình sin tần số cao sẽ biến thiên theo mức logic 0 hoặc 1 của chuỗi số Với phương thức truyền từng bit nhị

sóng mang sin tương ứng với 0 và 1, do đó có kiểu điều chế số BPSK, còn gọi là điều chế dịch pha hai trạng thái

 Biểu thức của BPSK

   .cos 

Trong đó A là biên độ; wo là tần số và Ф là góc pha ban đầu của sóng mang; d(t)

là luồng bit nhị phân cần truyền, với qui ước d(t) = +1 nếu bit nhị phân có mức luận

lý 1 và d(t) = -1 nếu bit có mức luận lý 0

 Phổ tần số của BPSK

Từ biểu thức (3.3) thì tín hiệu vBPSK(t) có thể được xem là tích số của tín hiệu xung PSd t với sóng mang 2 cosωot Do đó khi gọi G(f) là hàm mật độ phổ công suất của PSd t

Do phổ của vBPSK(t) trải rộng về hai phía đến vô tận chung quanh tần số sóng

do đó có thể xem dải tần phổ của BPSK là B = 2 fb

 Mạch điều chế và giải điều chế BPSK

Mạch điều chế BPSK dựa trên nguyên tắc mạch nhân giữa một sóng mang Acosωot với chuỗi số d(t) đặc trưng cho tín hiệu nhị phân (d(t) = ±1)

× v BFSK t

cos o

Dao động sóng mang

Chuỗi số d(t)

Hình 3.2: Mạch điều chế BPSK

với sóng mang được tái tạo cosωot, có tần số và pha đồng bộ với sóng mang gốc

× Lọc thông thấp LPF

Bộ tái tạo sóng mang 2cosw t o

v (t)2cosw tBPSK o

Hình 3.3: Mạch giải điều chế BPSK

3.2Hệ thống trải phổ trực tiếp DS-SS(Direct Sequence-Spread Spectrum)

Một tín hiệu trải phổ chuỗi trực tiếp là một tín hiệu mà biên độ của tín hiệu đã được điều chế trước đó được điều chế lại một lần nữa bằng một chuỗi nhị phân NRZ có tốc độ rất cao

Giả sử tín hiệu gốc là:

Băng thông của tín hiệu v(t) là 2fb và băng thông tín hiệu trải phổ là 2fc nên phổ của tín hiệu được trải ra theo tỷ số fc/fb Vì công suất phát của hai tín hiệu v(t) và s(t) bằng nhau nên mật độ phổ công suất Gs(f) sẽ giảm theo một tỷ số là fb/fc

-2 2

Hình 3.5: Sơ đồ thu-phát trải phổ của DS

3.3Chuỗi giả ngẫu nhiên

Trong hệ thống CDMA, để thực hiện trải phổ thì người ta dùng các chuỗi giả ngẫu nhiên Chuỗi ngẫu nhiên là chuỗi có sự thay đổi không thể đoán trước được nghĩa là giá trị của nó tại một thời điểm không phụ thuộc vào các giá trị của chuỗi tại các thời điểm trước Sự thay đổi của nó chỉ có thể biểu diễn bằng phương pháp thống kê Tuy nhiên một chuỗi ngẫu nhiên đơn giản như trên cũng cần đòi hỏi bộ nhớ lớn vô hạn tại cả máy phát và máy thu Do đó, người ta phải sử dụng các chuỗi giả ngẫu nhiên Các chuỗi này không phải là một chuỗi ngẫu nhiên hoàn toàn tức là

nó sẽ được lặp lại sau một chu kỳ nào đó Chuỗi giả ngẫu nhiên là các chuỗi nhị phân có chu kỳ bit lớn hơn nhiều so với chù kỳ bit của dữ liệu nên để phân biệt thì người ta quy ước gọi chu kỳ bit của chuỗi giả ngẫu nhiên là chip Các chuỗi giả ngẫu nhiên của các user khác nhau trong một hệ thống CDMA là phải khác nhau Chuỗi giả ngẫu nhiên phải có các tính chất sau đây:

 Tính cân bằng: tần suất xuất hiện của số bit 0 và bit 1 trong chuỗi là ½ (nghĩa

là số lần xuất hiện của bit 0 và bit 1 chênh lệch tối đa là 1)

 Tính Run: mỗi đường chạy (run length) của một chuỗi nhị phân được định nghĩa là một chuỗi con chỉ chứa giá trị 0 hay 1 Nếu xuất hiện một số nhị phân khác thì sẽ bắt đầu đường chạy mới Một chuỗi giả ngẫu nhiên phải có tính Run nghĩa là tổng số các đường chạy có chiều dài n bằng 1/2n tổng số các đường chạy Ví dụ như chuỗi 000100110101111 có 4 Run 0 (0,0,00,000) và 4 Run 1 (1,1,11,1111) (tổng cộng 8 Run, trong đó có 4 Run có chiều dài 1, 2 Run có chiều dài 2, 1 Run có chiều dài 3 và 1 Run có chiều dài 4) thoả mãn tính Run

một số bit bất kỳ nào đó thì độ chênh lệch giữa số bit giống nhau và khác nhau tối đa là 1 (hàm tự tương quan bằng -1)

 Sự tự tương quan:

Hàm tự tương quan của một chuỗi ngẫu nhiên d(t) với độ rộng bit Tb định nghĩa như sau:

Hình 3.6Hàm tự tương quan của chuỗi ngẫu nhiên d(t)

Gọi g(t) là chuỗi giả ngẫu nhiên có hàm tự tương quan là:

chuỗi giả ngẫu nhiên mới độc lập với hai chuỗi giả ngẫu nhiên đã cho

 Trong một chu kỳ LTc, số bit 1 luôn luôn nhiều hơn số bit 0 là 1

 Nếu đặt một cửa sổ có độ dài N bit trượt dọc theo suốt một chu kỳ LTc, mọi giá trị có thể có của một số nhị phân N bit sẽ xuất hiện một lần và chỉ một lần trừ giá trị 00…0 (N bit)

 Mật độ phổ công suất

Do RPN(τ) có chu kỳ LTc nên GPN(f) sẽ bao gồm các xung tại các vị trí là bội số của tần số 1/LTc Ngoài ra GPN(f) cũng có một xung tại f = 0, đó là giá trị DC của chuỗi PN Do số bit 1 lớn hơn số bit 0 là 1 nên giá trị DC của chuỗi là V/L trong đó chuỗi g(t) có giá trị ±V và công suất là V2/L2 → GPN(0) = (V2/L2)δ(f)

Mật độ phổ công suất GPN(f) là:

 Chuỗi nhị phân có chiều dài cực đại

Chuỗi nhị phân có chiều dài cực đại, gọi tắt là chuỗi m (m sequence) có thể được tạo ra từ thanh ghi dịch n trạng thái Chuỗi m có chu kỳ là 2n

- 1 và được tạo ra bằng một đa thức h(x):

Hình 3.9: Bộ tạo chuỗi ghi dịch tuyến tính

Trong đó nếu hi = 0 thì không có đường liên kết và nếu hi = 1 thì có đường liên kết

 Tính chất 3: Nếu lấy hai số nguyên khác nhau n và p với 0 ≤ n, p ≤ N thì tồn tại duy nhất một số nguyên k khác n và p sao cho: Tna ⊕ Tp

a = Tka Tính chất này gọi là tính dịch và cộng (shift and add) của chuỗi m

 Tính chất 4: w(a) = 2n-1= ½(L + 1) Trong đó w(a) là trọng số của chuỗi a (weight of the sequence), tức là số bit 1 trong chuỗi

two-valued) và được cho bởi ra(k) = 𝐿 𝑛ế𝑢 𝑘 𝑚𝑜𝑑 𝐿 = 0

−1 𝑛ế𝑢 𝑘 𝑚𝑜𝑑 𝐿 ≠ 0

 Tính chất 6: Chuỗi a có tính chất ai = a2i (∀i ∈Z) gọi là chuỗi m đặc tính (characteristic) và chuỗi này tồn tại duy nhất trong N chuỗi được tạo ra bởi

đa thức h(x)

cách lấy mẫu mỗi bit thứ q của chuỗi a thì chuỗi u được gọi là chuỗi chia nhỏ theo q của a (decimation), tức là ui = aqi và được ký hiệu là a[q] Giả sử rằng a[q] khác không, khi đó a[q] có chu kỳ L/gcd(L,q)

3.4 Hê ̣ thống phân chia theo mã DS _CDMA

Đặc điểm:

 Là phương pháp đa truy cập dựa trên kỹ thuật trải phổ

 Khởi đầu với mô ̣t chuỗi dữ liê ̣u tốc đô ̣ D (tốc đô ̣ bit dữ liê ̣u)

 Tách mỗi bit thành k chip dựa vào một mã trải phổ xác định cho từng user

 Kênh truyền bây giờ sẽ có tốc độ là kD chips/s (cps)

 Ví dụ: k = 6, có 3 user (A,B,C) cùng phát đến một trạm gốc R

 Mã của user A là: <1,-1,-1,1,-1,1>

 Mã của user B là: <1,1,-1,-1,1,1>

 Mã của user C là: <1,1,-1,1,1,-1>

Thông đi p “0010”đ hóa

Hình 3.10: Ví dụ về CDMA

Giải thích

• Giả sử A muốn liên lạc với trạm gốc

• Trạm gốc phải biết mã của A

• Giả sử kênh thông tin đã được đồng bộ

• A muốn gửi bit 0 A sẽ gửi mẫu chip là:

<1,-1,-1,1,-1,1> (trùng với mã của A)

• A muốn gửi bit 1 A sẽ gửi mẫu chip là:

<-1,1,1,-1,1,-1> (bù với mã của A) hoặc ngươ ̣c la ̣i

• Bô ̣ giải mã không quan tâm đến các nguồn khác khi dùng mã của A để phát hiê ̣n data

Tín hiệu phát bởi A

multiplication 1 1 1 1 1 1 =6

Tín hiệu từ các nguồn khác

(c) tín hiệu phát bởi B, máy thu khôi phục bằng mã của A

(d) tín hiệu phát bởi C, máy thu khôi phục bằng mã của B

Nhiều nguồn phát đồng thời

(e) B và C cùng phát, máy thu khôi phục bằng mã của B

Đặc điểm CDMA dùng DS-SS:

 N users, mỗi user có mô ̣t mã trải phổ (chuỗi giả ngẫu nhiên PN) trực giao với nhau

 Điều chế dữ liê ̣u của mỗi user (thí dụ BPSK)

 Nhân với mã trải phổ của user đó

.

Hình 3.12:Ví dụ mã hoá và giải mã CDMA 7 user

3.5Các bô ̣ tách sóng DS-CDMA

3.5.1Bô ̣ tách sóng cổ điển Matched Filter

Mô hình kênh truyền CDMA đồng bộ cơ bản với K user, trong đó dữ liệu của các user là dạng lưỡng cực được biểu diễn như sau

K

k k k k



(3.16) Trong đó

 T là nghịch đảo của tốc độ dữ liệu

 sk(t) là dạng sóng dấu hiệu đã được chuẩn hóa của user thứ k

 Ak là biên độ tin hiệu nhận được của user thứ k

 bk∈ {-1,+1} là bit được truyền bởi user thứ k

 n(t) là nhiễu trắng Gaussian với mật độ phổ công suất bằng 1 Theo như công thức (3.16) thì công suất nhiễu trong một khoảng tần số có băng thông

là B sẽ có giá trị là 2σ2B

Sơ đồ khối của bộ tách sóng Matched Filter để tách sóng cho tín hiệu của kênh truyền CDMA đồng bộ K user có dạng như hình sau Mỗi mạch lọc sẽ được hợp với một trong các mã của các user Do hệ thống CDMA là đồng bộ, thì chỉ cần một bộ đồng bộ cung cấp sự định thời để lấy mẫu tất cả các bộ lọc thích nghi

Sync 1

.

Sync 2

.

Sync 3

.

Sync K

.

.

| |

A

Một trường hợp đặc biệt của công thức (3.22) đó là ρ=0 tức là các dạng sóng dấu hiệu hoàn toàn trực giao với nhau thì khi đó xác suất lỗi của các user sẽ đạt được xác suất lỗi trong kênh truyền chỉ có một user

Cũng trong kênh truyền hai user thì ở đây cũng đưa ra biên trên của xác suất lỗi bit của một user trong kênh truyền có K user dựa vào công thức (3.27)

3.5.2Bô ̣ tách sóng giải tương quan(Decorrelating Detector)

Để tiện lợi cho việc phân tích bộ tách sóng giải tương quan thì ngõ ra của bộ tách sóng kinh điển sẽ được viết dưới dạng ma trận như sau

trong đó

y = [y1,…,yK]T,

được nhân vào trước vector ngõ ra của dãy bộ lọc thích nghi thì biểu thức (3.30)sẽ trở thành như sau trong trường hợp σ=0

Hãy chú ý rằng thành phần thứ k của vector (3.35) vẫn không bị can nhiễu do bất

kỳ user nào khác gây ra, điều đó có nghĩa là, nó độc lập với tất cả các {bj}, j≠k Nguồn can nhiễu duy nhất chính là nhiễu nền Đây là lý do tại sao bộ tách sóng thực hiện việc tách sóng theo công thức (3.34) được gọi là bộ tách sóng giải tương quan

Mô hình của bộ tách sóng này được thể hiện ở hình sau

Sync 1

.

Sync 2

.

Sync 3

.

Sync K

.

.

Hình 3.14:Bộ tách sóng giải tương quan cho kênh truyền đồng bộ

Để phân tích thành phần thứ k của vector (3.33) hãy sử dụng 𝑅𝑘𝑗+ như là một cách

𝑘𝑗 thì khi đó

K

j K

j K

kj j j

Từ công thức (3.36) bộ tách sóng giải tương quan có thể được coi là bộ tách sóng kinh điển có sửa đổi theo mô hình sau

Sync 1

.

Sync 2

.

Sync 3

.

Sync K

.

.

Hình 3.15: Bộ tách sóng giải tương quan dùng các biến đổi tuyến tính giải tương quan

Trong vấn đề phân tích tốc độ lỗi bit của bộ tách sóng giải tương quan thì theo công thức (3.35), ngõ ra của mạch lọc hợp với s k chỉ có hai thành phần: một là tín

là biến Gaussian với trung bình bằng 0 và phương sai bằng với thành phần ở hàng k cột k của ma trận phương sai kết hợp sau

Trong trường hợp hai user thì Rkk+ = (1 − ρ2)-1, và công thứ (3.39) trở thành

1( )

1 1

1 ( ) 2

như biên độ can nhiễu đủ nhỏ thì bộ tách sóng kinh điển có xác suất lỗi tốt hơn bộ tách sóng giải tương quan vì thành phần nhiễu trong dữ liệu quyết định của bộ tách sóng kinh điển thì có phương sai là σ2

trong khi đó thì đối với bộ tách sóng giải tương quan thì là σ2

/(1-ρ2) Vì thế cái giá phải trả cho việc loại hoàn toàn can nhiễu

đa user là nhiễu nền tăng lên

3.5.3 Bô ̣ tách sóng tối ƣu (Optimum Multiuser Detector)

Trước tiên trường hợp kênh truyền hai user sẽ được phân tích trước Trong mô hình kênh truyền CDMA đồng bộ hai user thì

Hình 3.16: Các vùng quyết định của bộ tách sóng kết hợp đối với A 1 =A 2 và ρ=0.2

Thì để cực đại hóa vế bên phải của (3.45) thì các thừa số không phu thuộc vào (b1,b2) sẽ được bỏ qua Vì thế mà sự quyết định tối đa hóa xác suất đúng là phải cực đại hóa hàm Ω2 Nếu min{A1|y1|,A2|y2|} A1A2|ρ| thì các quyết định tối ưu là

Mô hình của bộ tách sóng tối ưu hai user có thể được vẽ như sau

Hình 3.17: Bộ tách sóng tối ưu cho user 1 với một can nhiễu đồng bộ

Như công thức (3.49) thì để thực hiện bộ tách sóng tối ưu thì cần phải biết trước (hoặc ước lượng được) biên độ của bit phát cũng như là sự tương quan chéo của các

mã

Mô hình kênh truyền CDMA K user sẽ được xét

 1

K

k k k k

1 0

H  ARA (3.56)

Biểu thức (3.68) cho thấy rằng hàm khả năng phụ thuộc vào vector ngõ ra của các bộ lọc thích nghi y của các tín hiệu thu được, vì thế y là dữ liệu đủ để giải điều chế dữ liệu phát

Việc cực đại hóa biểu thức (3.53) được xem như vấn đế tối ưu tổ hợp Để giải quyết vấn đề này thì một cách đơn giản là tính toán hàm với từng tham số có thể và chọn ra tham số mà nó cực đại hóa hàm Thuật toán này được gọi là khảo sát thấu đáo

Một cách khác để cực đại hóa biểu thức (3.53) là xây dựng một giản đồ với các nút {0,1, …, K, K+1} và các đường biên mà các điểm nằm trên đó được định nghĩa như sau

5

Hình 3.18: Giản đồ trực tiếp trong trường hợp bốn user với các biên độ bằng một

sự phân chia các nút của đồ thị

Và dung lượng của đường cắt được định nghĩa như sau

có thể coi là tương ứng 1-1 bằng cách để i I {1,…,K} khi và chỉ khi bi=1 Với sự tương quan và (2.55) thì

Trong đó vế bên tay phải không phụ thuộc vào vector dữ liệu hoặc là đường cắt

Vì thế việc tối đa hóa hàm ( )b là tương đương với việc tìm ra đường cắt với dung lượng tối thiểu: nếu { * {0}} { * {I   J  K1}}là đường cắt với dung lượng tối thiểu thì sự quyết định là

Được dùng để ký hiệu xác suất dạng sóng quan sát được rơi vào vùng quyết định

 b bˆ ˆ 1, 2 khi b b1, 2được phát Do tính cân bằng vốn có nên công thức (3.62) có thể được rút gọn lại như sau

Cũng chứng minh tương tự thì các cận trên của các số hạng còn lại sẽ tìm được

và cận trên của xác suất lỗi của user 1 là như sau

  1 12 22 1 2 1

21

2

21

Do đó số hạng thứ ba trong công thức (3.70) có thể bỏ đi được Người ta chứng minh được rằng cận dưới của xác suất lỗi của user 1 trong trường hợp hai user là

2

21

3.6Bô ̣ tách sóng DS-CDMA dùng ma ̣ng nơron

3.6.1Mạng truyền thẳng và giải thuật truyền lùi

 Giới thiê ̣u

Bộ não con người là hệ thống xử lý thông tin phức hợp, phi tuyến, song song và

bào thần kinh liên kết với nhau

Các nhà khoa học chỉ mới bắt đầu hiểu mạng thần kinh sinh học hoạt động như thế nào Tổng quát rằng tất cả các chức năng thần kinh bao gồm cả bộ nhớ được chứa đựng trong những tế bào thần kinh và trong những thông tin liên kết giữa chúng

Học tập được xem như những thiết lập mới giữa các tế bào thần kinh hay những thay đổi của những liên kết hiện tại

Hình 3.19:Minh họa về mạng nơron

Tế bào thần kinh sinh học gồm 3 thành phần chính là thân tế bào (Cell body), một hệ thống hình cây các đầu dây thần kinh vào (Dendrite) và một trục (Axon) dẫn đến các đầu dây thần kinh ra Tại đầu của các dây thần kinh có các khớp thần kinh (Synapse) để liên kết với các tế bào thần kinh khác

Tin hiệu truyền trong các dây thần kinh vào và dây thần kinh ra của các tế bào thần kinh là tín hiệu điện phát sinh thông qua các quá trình phản ứng và giải phóng các chất hữu cơ Các chất này được phát ra từ các khớp nối dẫn tới các dây thần kinh vào sẽ làm tăng hay giảm điện thế của nhân tế bào

Hình 3.20:Cấu trúc của một neuron

Khi điện thế này đạt đến một ngưỡng nào đó sẽ tạo ra một xung điện dẫn đến trục dây thần kinh ra Xung này được truyền theo trục tới các nhánh rẽ khi chạm tới các khớp nối với các tế bào thần kinh khác sẽ giải phóng các chất truyền điện Quá trình lan truyền tín hiệu cứ tiếp tục như vậy cho đến khi đến đầu ra cuối cùng.Mạng thần kinh nhân tạo là mô hình toán học đơn giản của bộ não người Bản chất thần kinh nhân tạo là mạng tính toán phân bố song song.Các nghiên cứu về mạng thần kinh nhân tạo đã bắt đầu từ thập niên 1940

Hình 3.21:Quá trình truyền thông tin của một neuron

Mạng thần kinh nhân tạo có thể xem như là mô hình toán học đơn giản của bộ não con người Mạng thần kinh nhân tạo gồm các tế bào thần kinh nhân tạo kết nối với nhau bởi các liên kết Mỗi liên k ết kèm theo một trọng số , đă ̣c trưng cho đă ̣c tích kích thích hay ức chế giữa các tế bào thần kinh nhân tạo

So sánh với tế bào thần kinh sinh ho ̣c, ở tế bào thần kinh nhân tạo, trọng số w đă ̣c

trưng cho mức liên kết của các khớp (synapse), phần thân (cell body) được biểu diễn bởi phép toán cô ̣ng  và hàm chuyển đổi f Và ngõ ra a là tín hiệu ra trên trục

Lan truyền ngược tiêu chuẩn sử dụng thuật toán suy giảm gradient, trong đó các trọng số của mạng di chuyển theo hướng âm của gradient hàm hiệu suất “Lan truyền ngược” chính là để chỉ cách thức mà gradient được tính cho các mạng nhiều lớp phi tuyến Ngoài ra, còn có các phương pháp khác như: Newton, gradient liên hợp

 Kiến trúc ma ̣ng

Input Neuron w vector input

Hình 3.24: Cấu trúc chung tổng quát của 1 neuron

Hình bên là cấu trúc cơ bản của một mạng nơron Trong đó R là số phần tử của vector đầu vào Các hàm truyền thường dụng trong mạng nhiều lớp: logsig, tansig, purelin

Log-Sigmoid Tranfer Function Tan-Sigmoid Tranfer Function

1



0 1



a =purelin(n)

n

Linear Tranfer Function

c) Dạng hàm truyền purelin

Hình 3.25:Các dạng hàm truyền thường dùng trong mạng backpropagation

Inputs Layer of logsig Neurons

R

1

Where

R = number of elements in input vector

S = number of neurons in layer

Layer of logsig Neurons

Hình 3.26:Minh ho ̣a mạng neuron đơn lớp với hàm truyền logsig

Vector đầu vào có R phần tử, dùng S neurons và hàm truyền logsig

Mạng feed-forward thường có một hay nhiều lớp, với các lớp ẩn dùng hàm truyền dạng sigmoid và lớp ra dùng hàm tuyến tính