Nâng cao dung lượng hệ thống CDMA bằng phương pháp điều khiển mù trong dàn anten thích nghi

CHƯƠNG 1 DUNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN CDMA TRẢI PHỔ VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin trải phổ ứng dụng trong lĩnh vực thông tin vô tu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ



Vũ Thị Nhài

NÂNG CAO DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG CDMA BẰNG

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MÙ TRONG

CHƯƠNG 1 DUNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG VÔ TUYẾN CDMA TRẢI PHỔ VÀ

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin trải phổ ứng dụng trong lĩnh vực thông tin vô tuyến di động với công nghệ đa truy nhập theo mã (CDMA) Có nhiều hệ thống thông tin trải phổ, nhưng ở đây luận văn chỉ đề cập đến các đặc điểm chính của hệ thống trải phổ dãy trực tiếp (DS) và các đặc điểm ứng dụng trong thông tin

di động tổ ong số CDMA Phần chủ yếu của chương sẽ tập trung vào việc phân tích dung lượng của hệ thống vô tuyến CDMA trải phổ đối với cả đường lên và đường xuống, trên

cơ sở đó xây dựng biểu thức dung lượng của hệ thống Từ biểu thức dung lượng xây dựng được ta sẽ chỉ ra các yếu tố ảnh hưởng đến dung lượng hệ thống làm nền tảng cho các phương pháp giảm ảnh hưởng, tức là nâng cao dung lượng của hệ thống

1.1 Giới thiệu về hệ thống thông tin trải phổ

Xuất phát từ nhu cầu thông tin quân sự, kĩ thuật trải phổ được đề cập đến ở hai góc độ: tăng độ chống nhiễu trong môi trường truyền dẫn có nhiễu loạn vô ý, cố ý và tìm các thuật toán để tăng hiệu quả chống can nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh Cuối thập kỉ 90, các hệ thống thông tin vô tuyến phát triển một cách mạnh mẽ, các băng tần vô tuyến hầu như bị quá tải, từ đó dẫn đến can nhiễu mạnh giữa các hệ thống, người ta thường gọi đó là nhiễu giao thoa giữa các hệ thống

Với các dịch vụ viễn thông mới ra đời, tốc độ truyền dẫn không ngừng tăng lên, trong lúc các tham số của môi trường vật lí biến đổi ngẫu nhiên do các tác động bên ngoài gây ra hiện tượng truyền lan nhiều tia, hiện tượng che khuất,…ảnh hưởng của chúng đối với truyền tín hiệu gọi là hiện tượng fading Hạn chế các hiện tượng đó là một trong những bài toán cơ bản của các công trình nghiên cứu lý thuyết: điều chế, mã hóa, cân bằng…Một trong những kết quả quan trọng là ứng dụng công nghệ trải phổ trong thông tin thương mại, mở ra hướng phát triển mới, đặc biệt trong thông tin di động tổ ong

Có thể nói “trải phổ” là một kĩ thuật thực hiện điều chế lại tín hiệu đã điều chế, tạo

ra tín hiệu giao thoa với các tín hiệu đang cùng hoạt động trong cùng một băng tần nhưng máy thu vẫn tách được tín hiệu mong muốn với đặc tính chất lượng lỗi cho phép Để đạt

được điều đó, điều chế trải phổ phải giảm mật độ công xuất phát xuống dưới mức nhiễu nhiệt của bất kỳ máy thu nào

Kỹ thuật trải phổ không những chỉ được ứng dụng trong thông tin quân sự, rađa

mà nay đã và đang phát triển mạnh mẽ trong thông tin thương mại: viba, di động, đa truy nhập, vệ tinh…

1.2 Trải phổ dãy trực tiếp

Tín hiệu trải phổ dãy trực tiếp (DS) là tín hiệu trong đó biên độ của tín hiệu đã điều chế được điều biên với một dòng số liệu nhị phân NRZ tốc độ rất cao Như vậy, nếu tín hiệu ban đầu là s(t) có dạng BPSK:

t t

d P t

Thì tín hiệu trải phổ DS là:

t t

d t g P t

s t g

ở đây g(t) là dãy nhị phân giả ngẫu nhiên (PN) có các giá trị ± 1, có chu kì rất dài Dãy

PN có chu kì lý tưởng phải thực sự ngẫu nhiên, không tương quan, tốc độ kí hiệu của g(t) thường lớn hơn nhiều so với tốc độ bit fb của d(t), chúng ta nói rằng g(t) đã băm nhỏ các bit số liệu thành các chíp và gọi tốc độ của g(t) là tốc độ chíp fc

Việc điều chế (nhân) dãy BPSK s(t) với g(t) sẽ làm trải phổ dãy s(t) như trên hình 1.1 Các sườn của g(t) và d(t) được đồng chỉnh, nghĩa là mỗi thời điểm chuyển tiếp của d(t) trùng với thời điểm chuyển tiếp của g(t) Dãy tích gần đúng với g(t), nếu g(t) thực sự

là ngẫu nhiên thì dãy tích sẽ là một dãy giả ngẫu nhiên khác g’(t) có cùng tốc độ chip fc

của g(t) Độ rộng băng của tín hiệu BPSK s(t) bằng 2fb, độ rộng băng của tín hiệu trải phổ BPSK (t) là 2fc và phổ được trải với hệ số fc/fb Vì công suất của s(t) và (t) là giống nhau và bằng Ps nên mật độ phổ công suất giảm đi một lượng fc/fb

Để khôi phục lại tín hiệu trải phổ DS, đầu tiên máy thu (xem hình 1.2) nhân tín hiệu vào với dạng sóng g(t), và nhân với sóng mang 2cos0t, sau đó đưa qua bộ tích phân với khoảng thời gian 1 bit và đầu ra được lấy mẫu cho ta số liệu d(kTb) Và để khôi phục được chính xác số liệu băng tần gốc, đầu thu cần tái tạo lại sóng mang hình sin tần

số 0 và dạng sóng PN là g(t)

1.3 Can nhiễu trong hệ thống đa truy nhập

1.3.1 Các nguyên tắc cơ bản của hệ thống vô tuyến tổ ong

Các hệ thống vô tuyến tổ ong - lớn hay nhỏ, tương tự hay số, thông thường hay CDMA đều có một số các đặc tính cơ bản sau:

1 Vùng địa lý được chia thành các vùng nhỏ hơn Để đơn giản hoá cho phân tích, các vùng nhỏ đồng dạng này được coi như các đa giác phẳng (tức là bao phủ hết các vùng mà không chồng lấn lên nhau) và được coi là các ô Các trạm gốc được định vị tại trung tâm của các ô (“độ rọi trung tâm”) hoặc tại góc của ô (“độ rọi góc”)

2 Thông tin tới một máy di động trong một ô cho trước được thực hiện bởi trạm gốc phục vụ ô đó Nghĩa là cường độ tín hiệu của ô phục vụ lớn hơn cường độ tín hiệu tín hiệu của trạm gốc trong các ô xung quanh gây ra trên ô đó Công xuất máy phát của trạm gốc và máy phát di động được giới hạn trước để thoả mãn yêu cầu thông tin trong khu vực ô đó Không cho phép thông tin trực tiếp từ máy di động tới máy

g(t)

Lấy mẫu Tb

Đầu ra

Hình 1.2: Hệ thống thông tin BPSK trải phổ

3 Vì sự giới hạn công suất và đặc tính trưyền dẫn của sóng vô tuyến nên có thể sử dụng lại các tần số trong toàn bộ vùng địa hình Do đó, hiệu quả phổ của hệ thống tăng lên bằng số lần các tần số có thể sử dụng lại trong một vùng địa hình Để tối thiểu hoá giao thoa cùng kênh thì tổng các kênh có thể bố trí được chia thành N nhóm nhỏ mà mỗi nhóm ấn định trong một ô Số N này là hệ số sử dụng lại tần số của hệ thống tổ ong và phụ thuộc vào mức độ loại trừ giao thoa cùng kênh của các phương pháp điều chế, phân tập và mã hoá đã sử dụng, đặc tính anten, đặc tính truyền lan vô tuyến trong khu vực đó

4 Khi một máy di động di chuyển từ một ô này sang một ô khác trong quá trình cuộc gọi thì bộ điều khiển trung tâm sẽ định tuyến tự động để cuộc gọi chuyển từ ô cũ sang ô mới mà không có gián đoạn, quá trình này được gọi là chuyển vùng

5 Khi nhu cầu kênh vô tuyến trong một ô cho trước tăng hơn dung lượng của ô đó, xét tới cả điều kiện số lượng các cuộc gọi xảy ra đồng thời mà ô có thể phục vụ được, lúc đó ô bị quá tải và sẽ “phân chia” thành các ô nhỏ hơn mà mỗi ô nhỏ có trạm gốc và trạm điều khiển trung tâm riêng Tần số vô tuyến ấn định của hệ thống

tổ ong ban đầu khi đó sẽ được ấn định lại tính theo các ô nhỏ hơn

6 Đối với hệ thống tổ ong thì các đường thông tin từ trạm gốc tới máy di động và từ máy di động tới các trạm gốc được ấn định bằng một cặp tần số riêng với băng tần

cố định.Cách này được gọi là phân chia tần số song công (FDD)

Một đặc tính phụ thường được sử dụng là khái niệm vùng (sector) trong một ô Thay vì sử dụng các anten đa hướng tại trạm gốc thì một ô có thể chia thành các vùng diện tích bằng nhau nhờ sử dụng các anten định hướng Anten định hướng thường cho phép sử dụng hệ số tái sử dụng tần số thấp hơn và do đo giảm được sự phân tách địa hình giữa các vị trí Ví dụ, một mẫu lặp 12 ô sử dụng anten đa hướng có thể tương đương với một mẫu 7 ô sử dụng các vùng 120° theo nghĩa đặc tính chất lượng gạt trùng kênh Đối với một hệ thống trải phổ thì việc chia các mẫu ô có thể làm tăng đáng kể dung lượng hệ thống

Một khái niệm khác là điều khiển công suất máy phát ở đường lên và đường xuống Điều khiển công suất đường lên nhằm mục đích làm tối thiểu hoá giao thoa cùng kênh trong hệ thống tổ ong Vì việc điều khiển công suất phát sao cho nhỏ nhất mà chất lượng trạm gốc phục vụ chấp nhận được làm cho giao thoa tới các ô bên cạnh là nhỏ nhất

là rất khó khăn và là một trong những vấn đề cần quan tâm của các loại hệ thống tổ ong

số CDMA

1.3.2 Hệ thống tổ ong số CDMA

Các hệ thống tổ ong số CDMA có hầu hết các thuộc tính của hệ thống tổ ong tương tự và số băng hẹp, nghĩa là chúng bị chi phối bởi cùng các nguyên lý cơ bản của hệ thống tổ ong (6 đặc tính đã trình bày ở trên) Do đó các phương pháp điều chế /mã /phân tập được sử dụng sẽ quyết định đến khả năng loại trừ giao thoa của hệ thống và các cấu hình của hệ thống, mô hình truyền sóng, chia vùng sẽ ảnh hưởng đến dung lượng của hệ thống Trong phạm vi phương pháp điều chế tổ hợp với mã hoá và phân tập có thể khắc phục được nhiễu cùng kênh có trong hệ thống ô, do điều kiện hoạt động trên ngưỡng, và

có khả năng thông tin trong hệ thống tổ ong số CDMA

Hệ thống tổ ong số CDMA cũng có một số đặc tính riêng Ngay từ đầu, hệ thống

tổ ong số CDMA được tính toán để nâng cao các đặc tính chất lượng so với các hệ thống

tổ ong tương tự ở các đặc điểm sau: Nâng cao dung lượng/hiệu quả phổ so với hệ thống

tổ ong tương tự, nâng cao chất lượng cuộc gọi và độ tin cậy hệ thống, khả năng loại bỏ giao thoa…

Hệ số phổ tương đối: Hệ số phổ tương đối η của hệ thống vô tuyến tổ ong được định

người dùng mà mỗi tín hiệu giao thoa này cũng có công suất P (do tác dụng của điều khiển công suất) Khi đó ta có:

Tỷ số công suất tín hiệu trên công suất giao thoa tại trạm gốc P/I là:

P

P I

P

(1.4) Năng lượng trên một bit E b chính là công suất tín hiệu P chia cho tốc độ bit thông tin R b

, tức là:

b b

b

/E

W/R1

I

Khi W/Rb lớn thì:

0 b

b

/E

giao thoa giữa các người dùng tại trạm gốc đến từ cả trong ô và ngoài ô dẫn đến sự tăng công suất giao thoa do giao thoa người dùng bên ngoài ô, và sẽ biểu thị bằng một hệ số f trong biểu thức dung lượng Khi đó biểu thức dung lượng sẽ có dạng:

gf d I

Điều khiển công suất: Xuất phát từ phương trình dung lượng (1.10) giả sử rằng công

suất bộ phát máy di động được điều khiển để công suất thu được tại trạm gốc từ mỗi người sử dụng là như nhau Nếu điều khiển công suất không tốt trong hệ thống tổ ong số CDMA dãy trực tiếp thì có thể làm xấu chất lượng thông tin đa truy nhập thậm chí làm mất thông tin Ví dụ, giả sử rằng một hệ thống tổ ong có hai máy di động đang thông tin tới trạm gốc với cùng một công suất phát Một máy ở gần trạm gốc, một máy khác ở gần đường biên của ô, độ lệch công suất tín hiệu tại trạm gốc giữa hai máy di động khoảng 60

dB hoặc lớn hơn Tại trạm gốc, máy di động ở gần xuất hiện như một bộ tạo nhiễu băng rộng có công suất lớn hơn tới 60 dB so với bộ tạo nhiễu từ xa Trừ trường hợp là sử dụng trải phổ rất rộng nếu không thì trạm gốc sẽ không bao giờ thu được tín hiệu máy di động

ở xa Đây là hiệu ứng gần xa thông thường của các hệ thống thông tin đa truy nhập trải phổ Giải pháp để giải quyết hiệu ứng gần xa này là sử dụng điều khiển công suất chặt chẽ trong các đường lên Và đây là một vấn đề thách thức kĩ thuật

Điều khiển công suất cũng có thể được sử dụng trong đường xuống Trong trường hợp này, điều khiển công suất thường được sử dụng để phân chia công suất cho người dùng trong các khu vực rìa (gần đường biên của ô) Điều khiển công suất đường xuống yêu cầu một dải động nhỏ hơn nhiều so với yêu cầu trong đường lên

Hệ số hoạt động của thoại: Phương trình cải tiến đối với dung lượng ở trên gồm một số

hạng (1/d) để thích ứng với hệ số hoạt động của thoại Phương trình này là đúng nếu giả

sử rằng mọi giao thoa tới từ một bộ tạo giao thoa đơn với hệ số hoạt động của thoại là d Thực tế thì giao thoa do các người dùng khác nhau là một biến số ngẫu nhiên được phân

bổ theo hai chiều Trong hệ thống tổ ong số CDMA có (N+1) người dùng, mỗi người dùng có một hệ số hoạt động thoại là d thì một đường truyền đã cho sẽ phải chịu giao thoa từ n kênh khác tại một thời điểm tức thời đã cho với n được phân bố theo:

  N n

d d n

với giá trị trung bình E n { }  dN

Việc phân vùng trong ô: Phương trình cải tiến đối với dung lượng ở trên bao gồm một

phép nhân với hệ số hiệu chỉnh để tính dung lượng khi có chia vùng trong ô Do giao thoa

từ các ô lân cận được tính trong phương trình dung lượng nên giao thoa từ các vùng lân cận trong ô cũng phải được tính đối với phương trình dung lượng này Giao thoa từ các vùng lân cận trong ô là do:

 Truyền sóng vô tuyến từ các ô lân cận;

 Các anten vùng trong ô không lý tưởng Các mẫu anten vùng trong ô được tính nhờ định nghĩa độ rộng búp sóng đồng dạng tương đương của anten là độ rộng búp sóng của một hàm vuông góc trong cùng một diện tích như đối với anten gốc Đối với phương trình dung lượng đơn giản ở trên thì có thể tính được suy hao từ vùng trong ô lý tưởng bằng cách giảm đi một giá trị g (hay f)

1.4 Dung lƣợng hệ thống vô tuyến CDMA trải phổ đa truy nhập

1.4.1 Dung lƣợng kênh trong điều kiện nhiễu cộng

Trước hết, chúng ta thảo luận về một định lý cơ bản nhất trong lý thuyết thông tin, tức là khả năng đạt được về dung lượng kênh Một vấn đề đặt ra là nếu kênh có các lỗi là ngẫu nhiên thì làm thế nào để sửa các lỗi này Shannon đã sử dụng các khái niệm quan trọng để chứng minh rằng thông tin có thể được gửi đi một cách tin cậy (không lỗi) trên một kênh tại mọi tốc độ nhỏ hơn một tốc độ giới hạn gọi là dung lượng kênh [12]

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt

1 Nguyễn Phạm Anh Dũng (2003), “Đa truy nhập vô tuyến và lý thuyết trải

phổ”

2 Trần Hồng Quân, Phùng Kim Anh, (2001), “Tăng dung lượng hệ thống

CDMA bằng dàn anten mù”, Hội nghị khoa học Học Viện BCVT năm

2002

Tiếng Anh

3 Ann-Louise Johansson and Arne Svensson Chalmers (1996), “Multistage

Interference Cancellation with Decision Directed Channel Estimation in

Multirate DS/CDMA on a Mobile Radio Channel” University of

Technology, NEC Research Institute 1997-2001

4 B.G Agee (1986), “The least squares CMA: A new technique for rapid

correction of constant modules signals”, Proc.IEEE.ICASSP

5 C.S Blighler, D.T.Phillips and D.J.Wilde (1979), “Foundations of

optimizations”, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jessey

6 J.P Kennedy and S.W Ellingson (1996), “Smart antenna testbed for

mobile wireless systems”, Proc Sixth Va Tech Symposium on wireless

personal Comu

7 John G Proakis (1995), “ Digital Communications” McGraw-Hill,

8 K.S Gilhousen et al (1991), “On the capacity of a cellular CDMA system”

IEEE Trans Vehic Technol., vol VT-40, No 2, pp 303-312

9 Lucky, R.W (1966), “Techniques for adaptive equalization of digital

communication System” Bell Syst Tech J.,vol 45, pp 255-286

10 M Wallace and R Walton.(1994), “ CDMA Radio network planning ” 3rd

IEEE int’l Conf on universal personal communications record

11 Messerschmitt, David G (1994), “Adaptive filters” Bell Communications

Research, Inc

12 Michelson, A.M and A.H.Leveque (1985), “Error correcting techniques

for digital Communications ”, New York: Jhohn Wiley and Sons

13 Paul Newson and Mark R Heath, “The capacity of a Spread- Spectrum

CDMA system for Cellular Mobile Radio with Consideration of System Imperfection” IEEE Journal on selected areas in communications vol.12, No.4

14 S Applebaum (1994), “Adaptive arrays” Technical report SPL TR-66-001

Syracuse Univ Res Corp Report.1965

15 http:// iec.org/online/tutorials/smart_antenna

16 S.C Swales, M A Beach, D J Edwards and J P Mc Geehn (1990), “The

performance enhancement of multibeam adaptive base station antennals for cellularland mobile radio system” IEEE Trans on Veh Technol Vol.39, No.1

17 http://www.cdg.org/technology/cdma_technology/smart-antennas/

18 Vafa Ghazi-Moghadam Mostafa Kaveh, “A CDMA Interference

Cancellation Receiver With An Adaptive Blind Array” Department of

Electrical Engineering NEC Research Institude 1997-2001

19 Victor Solo, Xuan Kong (1995), “Adaptive Signal Processing

Algorithms-Stability and Performance ” Prentice-Hall International Inl

20 Widrow, B., and S D Steams (1985), “Adaptive Signals Processing”,

Prentice –Hall, Englewood Cliffs, NJ

21 Y.Wang and J.R Cruz (1995), “Adaptive antenna arrays for cellular

CDMA Communication Systems” Proc IEEE ICASSP

22 Z.Rong (1996), “Simulation of multitarget array algorithms for wireless

CDMA systems ”, Proc IEEE Vehicular Technology Conf