Ứng dụng mạng nơ ron và giải thuật di truyền vào bộ tách sóng đa user cho hệ thống ds cdma

TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng mạng nơ ron và giải thuật di truyền vào bộ tách sóng đa user cho hệ thống DS-CDMA .... Các bộ tách sóng này không hiệu quả vì chưa khai thác được các thông tin về kê

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :PGS TS Phạm Hồng Liên

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 TS Phan Hồng Phương

2 TS Đỗ Hồng Tuấn

3 PGS TS Phạm Hồng Liên

4 TS Lưu Thanh Trà

5 TS Nguyễn Minh Hoàng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Nguyễn Phú Cường MSHV: 09140004

Ngày, tháng, năm sinh: 10/12/1982 Nơi sinh: Đồng Tháp

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số : 605270

I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng mạng nơ ron và giải thuật di truyền vào bộ tách sóng đa user cho hệ thống DS-CDMA

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Phạm Hồng Liên

Tp HCM, ngày tháng năm 2011 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….………

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu dưới sự hướng dẫn tận tình của Phó Giáo sư Tiến sĩ Phạm Hồng Liên, đến nay quyển luận văn này đã hoàn thành tốt đẹp Xin được phép gửi đến Cô Phạm Hồng Liên lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất

Nhân đây, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Viễn thông- trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, những người đã cung cấp nguồn kiến thức quý báu cùng với sự hỗ trợ tận tâm trong suốt hai năm tôi theo học tại trường Cũng không quên sự giúp đỡ to lớn của các bạn bè cùng lớp và các đồng nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành việc nghiên cứu trong thời gian qua Xin gửi đến các anh chị và các bạn lời tri ân sâu sắc

Cuối cùng, xin được gửi lòng biết ơn to lớn nhất đến cha mẹ và người thân trong gia đình, những người đã động viên, giúp đỡ rất nhiều để tôi có được ngày hôm nay

Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 6 năm 2011

Nguyễn Phú Cường

LỜI NÓI ĐẦU

Trong hệ thống DS-CDMA, nhiều user phát đồng thời trên cùng một băng tần, do đó

sẽ gây ra nhiễu đa truy cập (MAI) Điều này làm suy giảm chất lượng tín hiệu và giới hạn dung lượng hệ thống Các bộ tách sóng truyền thống, như Match Filter và máy thu Rake, xem giao thoa như là nhiễu Các bộ tách sóng này không hiệu quả vì chưa khai thác được các thông tin về kênh truyền và chuỗi mã trải phổ của các user

Nhằm khắc phục những nhược điểm của phương pháp tách sóng đơn user, phương pháp tách sóng đa user đã được nghiên cứu và thử nghiệm Phương pháp này khai thác thông tin về đặc tính kênh truyền và chuỗi mã trải phổ của các nguồn giao thoa để loại trừ MAI Bộ tách sóng đa user tối ưu do Verdu đề xuất, [6], tỏ ra vượt trội so với các bộ tách sóng truyền thống, nhưng cũng làm cho độ phức tạp của máy thu tăng lên đáng kể Đã có nhiều nghiên cứu thiết kế các bộ tách sóng gần tối ưu nhằm giảm độ phức tạp của máy thu trong khi vẫn đảm bảo hiệu quả tách sóng

Trong luận văn này, tác giả sẽ ứng dụng mạng nơ ron và giải thuật di truyền để thiết kế bộ tách sóng đa user cho hệ thống DS-CDMA Như chúng ta đã biết, mạng nơ ron

và giải thuật di truyền thường được ứng dụng cho những bài toán tối ưu hóa phức tạp và

đã mang lại hiệu quả đáng kể Do đó, việc ứng dụng hai phương pháp này cho bộ tách sóng đa user hứa hẹn sẽ cải thiện hiệu quả tách sóng Cấu trúc luận văn như sau:

- Phần 1: Lý thuyết cơ sở

Chương 1: Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động

Chương 2: Kênh truyền vô tuyến

Chương 3: Hệ thống DS-CDMA

Chương 4: Mạng nơ ron nhân tạo

Chương 5: Giải thuật di truyền

- Phần 2: Ứng dụng mạng nơ ron và giải thuật di truyền vào bộ tách sóng đa user cho hệ thống DS-CDMA

Chương 6: Tách sóng đa user trong hệ thống DS-CDMA

Chương 7: Ứng dụng mạng nơ ron vào bộ tách sóng đa user

Chương 8: Ứng dụng giải thuật di truyền vào bộ tách sóng đa user

- Phần 3: Kết quả thực hiện

Chương 9: Kết quả mô phỏng và đánh giá

Chương 10: Kết luận, hướng phát triển đề tài

ABSTRACT

In DS-CDMA systems, many users transmit on the same frequency band simultaneously, which will cause interference called MAI (Multiple Access Interference) The result is degradation of received signal and limitation of system capacity Conventional detectors, such as Match Filter and Rake Receiver, treat interference as noise They don’t exploy information of the channel and spreading sequences of the users,

so don’t bring much effect

In order to overcome limitation of single-user detection method, multi-user detection has been proposed This method exploys information of the channel and spreading sequences of the interference sources to eliminate MAI Optimum multi-user detector, proposed by Verdu, [6], proved to be dominant over conventional detectors, but

it also increases the complexity of the detectors considerably There have been many researches of near optimum detectors to decrease receiver’s complexity while ensure detection efficiency

In this thesis, the author will introduce multi-user detectors based on Neural Network and Genetic Algorithms As we have known, Neural Network and Genetic Algorithms are often used in many complicated optimal problems The use of these methods in multi-user detector therefore promises to improve detection efficiency

The structure of the thesis is as follow:

- Part I: Basic theory

Chapter 1: The development of cellular communication systems

Chapter 2: Wireless channel

Chapter 3: DS-CDMA system

Chapter 4: Artifical Neural Network

Chapter 5: Genetic Algorithms

- Part II: Neural Network and Genetic Algorithms based Multi-user detectors in DS-CDMA system

Chapter 6: Multi-user detection in DS-CDMA system

Chapter 7: Neural Network based multi-user detector

Chapter 8: Genetic Algorithms based multi-user detector

Chapter 9: Results

Chapter 10: Conclusions, future works

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI NÓI ĐẦU ii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC vi

DANH MỤC HÌNH VẼ xii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xvi

Phần I: LÝ THUYẾT CƠ SỞ 1

Chương 1: SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2

1.1 Sự phát triển của các hệ thống từ 1G lên 3G 2

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư 3

Chương 2: KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 5

2.1 Môi trường truyền sóng di động 5

2.2 Hiện tượng fading 6

2.2.1 Fading phạm vi lớn 6

2.2.2 Fading phạm vi nhỏ 6

2.3 Sự trải trễ của tín hiệu 7

2.3.1 Xét trong miền thời gian 7

2.3.2 Xét trong miền tần số 8

2.4 Đặc tính thay đổi theo thời gian của kênh truyền 9

2.4.1 Xét trong miền thời gian 9

2.4.2 Xét trong miền tần số 10

Chương 3: HỆ THỐNG DS-CDMA 11

3.1 Giới thiệu kỹ thuật trải phổ 11

3.2 Hệ thống DS-CDMA 12

3.3 Máy thu Rake 13

3.4 Các chuỗi trải phổ thông dụng 14

3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống DS-CDMA 14

Chương 4: MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO 17

4.1 Lịch sử phát triển 17

4.2 Cấu trúc mạng nơ ron nhân tạo 18

4.3 Các phương pháp học của mạng nơ ron 19

4.4 Mạng Perceptron 20

4.4.1 Cấu trúc mạng Perceptron 21

4.4.2 Luật học Perceptron 21

4.4.3 Ưu và nhược điểm của mạng Perceptron 22

4.5 Mạng tuyến tính thích nghi 22

4.5.1 Cấu trúc mạng tuyến tính thích nghi 22

4.5.2 Luật học LMS 23

4.5.3 Ưu và nhược điểm của mạng tuyến tính thích nghi 24

4.6 Mạng truyền thẳng nhiều lớp 24

4.6.1 Cấu trúc mạng truyền thẳng nhiều lớp 24

4.6.2 Giải thuật lan truyền ngược 25

4.6.3 Ưu và nhược điểm của mạng truyền thẳng nhiều lớp 26

Chương 5: GIẢI THUẬT DI TRUYỀN 27

5.1 Quá trình tiến hóa tự nhiên 27

5.2 Tổng quan về giải thuật di truyền 27

5.3 Mã hóa biến 29

5.4 Xác định hàm thích nghi 29

5.5 Chọn lọc cá thể 30

5.5.1 Các đại lượng đặc trưng của quá trình chọn lọc cá thể 30

5.5.2 Chọn lọc dựa theo thứ hạng 31

5.5.2.1 Chọn lọc dựa theo luật tuyến tính 31

5.5.2.2 Chọn lọc dựa theo luật hàm mũ 31

5.5.3 Chọn lọc tỷ lệ 32

5.5.3.1 Roulette Wheel Selection 32

5.5.3.2 Stochastic Universal Sampling 33

5.5.4 Tournament Selection 33

5.5.5 Truncation Selection 34

5.6 Lai ghép cá thể 34

5.7 Đột biến 34

5.8 Chèn cá thể 34

5.9 Thế hệ tiếp theo 35

5.10 Sự hội tụ của giải thuật 35

5.11 So sánh giải thuật di truyền với các giải thuật khác 36

Phần II: ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON VÀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀO BỘ TÁCH SÓNG ĐA USER CHO HỆ THỐNG DS-CDMA 38

Chương 6: TÁCH SÓNG ĐA USER TRONG HỆ THỐNG DS-CDMA 39

6.1 Mô hình hệ thống DS-CDMA 39

6.2 Bộ tách sóng cổ điển 40

6.3 Tách sóng đa user tối ưu 42

6.4 Tách sóng đa user gần tối ưu 44

6.4.1 Bộ tách sóng giải tương quan 45

6.4.2 Bộ tách sóng MMSE 46

6.4.3 Bộ tách sóng triệt nhiễu nối tiếp 47

6.4.4 Bộ tách sóng triệt nhiễu song song 49

Chương 7: ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON VÀO BỘ TÁCH SÓNG ĐA USER 51

7.1 Mô hình bộ tách sóng dùng mạng nơ ron 51

7.2 Các giải thuật huấn luyện mạng 53

7.2.1 Giải thuật Gradient Descent truyền thống 53

7.2.2 Giải thuật Gradient Descent with Momentum 55

7.2.3 Huấn luyện với tốc độ học thay đổi 56

7.2.4 Giải thuật Resilient Back Propagation 56

7.2.5 Giải thuật Conjugate Gradient 57

7.2.6 Giải thuật Levenberg Marquardt 59

7.3 Tổng quát hóa khả năng học của mạng nơ ron 60

7.3.1 Regulation 62

7.3.2 Early Stopping 63

Chương 8: ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀO BỘ TÁCH SÓNG ĐA USER 65

8.1 Mô hình bộ tách sóng dùng giải thuật di truyền 65

8.2 Thực hiện bộ tách sóng bằng giải thuật di truyền 66

8.2.1 Khởi tạo quần thể ban đầu 67

8.2.2 Chọn lọc cá thể 68

8.2.3 Lai ghép cá thể 79

8.2.4 Đột biến 71

8.2.5 Chèn cá thể 71

8.2.6 Điều kiện dừng của giải thuật 71

8.3 Nội dung mô phỏng bộ tách sóng đa user dùng giải thuật di truyền 72

Phần III: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 74

Chương 9: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 75

9.1 Giới thiệu chương trình mô phỏng 75

9.2 Mô hình hệ thống DS-CDMA 78

9.3 Mô phỏng hệ thống DS-CDMA với các phương pháp tách sóng truyền thống 79

9.4 Khảo sát bộ tách sóng đa user dùng mạng nơ ron 79

9.4.1 Ảnh hưởng của số nút ẩn 82

9.4.2 Ảnh hưởng của số thế hệ huấn luyện 85

9.4.3 Ảnh hưởng của hàm huấn luyện 87

9.4.4 Ảnh hưởng của hàm mục tiêu 91

9.4.5 Ảnh hưởng của Early Stopping 94

9.4.6 Ảnh hưởng của số mẫu huấn luyện 97

9.4.7 Kết luận về quá trình học của mạng nơ ron 100

9.5 Khảo sát bộ tách sóng đa user dùng giải thuật di truyền 100

9.5.1 Ảnh hưởng của kích thước quần thể 100

9.5.2 Ảnh hưởng của số thế hệ tiến hóa 103

9.5.3 Ảnh hưởng của tỷ lệ lai ghép 105

9.5.4 Ảnh hưởng của phương pháp lai ghép 107

9.5.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ đột biến 108

9.5.6 Kết luận về quá trình tìm kiếm bằng giải thuật di truyền 110

9.6 So sánh các phương pháp 110

Chương 10: KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 119

10.1 Những điều luận văn đã đạt được 119

10.2 Hướng phát triển đề tài 120

TÀI LIỆU THAM KHẢO 122

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 124

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động từ 1G lên 3G 3

Hình 2.1 Cường độ tín hiệu trong môi trường fading 7

Hình 2.2 Kênh truyền fading chọn tần 8

Hình 2.3 Kênh truyền fading phẳng 8

Hình 2.4 Kênh truyền fading phẳng với điểm trũng nằm trong băng thông tín hiệu 9

Hình 2.5 Các loại fading 10

Hình 3.1 Nguyên lý tạo tín hiệu trải phổ 11

Hình 3.2 Các kỹ thuật CDMA 13

Hình 3.3 Máy thu Rake với 3 nhánh 13

Hình 3.4 Mật độ phổ công suất của user 1 trước và sau khi giải trải phổ 15

Hình 4.1 Cấu trúc một phần tử nơ ron nhân tạo 18

Hình 4.2 Luật học có giám sát 19

Hình 4.3 Luật học củng cố 20

Hình 4.4 Luật học không có giám sát 20

Hình 4.5 Cấu trúc mạng Perceptron 21

Hình 4.6 Cấu trúc mạng tuyến tính thích nghi 23

Hình 4.7 Mô hình lớp nơ ron log-sigmoid 25

Hình 5.1 Lưu đồ giải thuật di truyền 28

Hình 5.2 Ví dụ một dạng hàm thích nghi 29

Hình 5.3 Chọn lọc theo phương pháp Roulette Wheel Selection 32

Hình 5.4 Chọn lọc theo phương pháp Stochastic Universal Sampling 33

Hình 5.5 Chèn cá thể theo phương pháp Elitist 35

Hình 5.6 Quá trình hội tụ của GA 36

Hình 6.1 Mô hình hệ thống DS-CDMA 39

Hình 6.2 Bộ tách sóng cổ điển 40

Hình 6.3 Bộ tách sóng giải tương quan 45

Hình 6.4 Bộ tách sóng MMSE 46

Hình 6.5 Bộ tách sóng triệt nhiễu nối tiếp cho 2 user đồng bộ 48

Hình 6.6 Bộ tách sóng PIC 49

Hình 6.7 Các phương pháp tách sóng đa user 50

Hình 7.1 Bộ tách sóng đa user dùng mạng nơ ron 51

Hình 7.2 Mạng truyền thẳng với l lớp 53

Hình 7.3 Ảnh hưởng của momentum 56

Hình 7.4 Đáp ứng của mạng khi quá khớp 61

Hình 7.5 Đáp ứng của mạng khi áp dụng Regulation 62

Hình 7.6 Đáp ứng của mạng khi áp dụng Early Stopping 63

Hình 8.1 Bộ tách sóng đa user dùng giải thuật di truyền 65

Hình 8.2 Lưu đồ tìm kiếm bằng giải thuật di truyền 67

Hình 8.3 Quần thể của giải thuật di truyền 68

Hình 8.4 Chọn lọc theo phương pháp SUS 69

Hình 8.5 Lai ghép một điểm 69

Hình 8.6 Lai ghép hai điểm 70

Hình 8.7 Lai ghép đồng nhất 70

Hình 8.8 Đột biến nhị phân 71

Hình 8.9 Độ thích nghi của quần thể qua quá trình tiến hóa 72

Hình 9.1 Màn hình chính 76

Hình 9.2 Màn hình mô phỏng hệ thống DS-CDMA 76

Hình 9.3 Màn hình huấn luyện mạng nơ ron 77

Hình 9.4 Màn hình tìm kiếm của giải thuật di truyền 77

Hình 9.5 Màn hình so sánh các phương pháp tách sóng 78

Hình 9.6-a So sánh các phương pháp tách sóng theo Eb/No, kênh AWGN 79

Hình 9.6-b So sánh các phương pháp tách sóng theo Eb/No, kênh fading phẳng 80

Hình 9.7-a So sánh các phương pháp tách sóng theo số user, kênh AWGN 80

Hình 9.7-b So sánh các phương pháp tách sóng theo số user, kênh fading phẳng 81

Hình 9.8-a Đáp ứng của mạng với số nút ẩn là 3 83

Hình 9.8-b Đáp ứng của mạng với số nút ẩn là 20 83

Hình 9.8-c Đáp ứng của mạng với số nút ẩn là 100 84

Hình 9.9 Số thế hệ tối đa là 100 86

Hình 9.10-a Hàm huấn luyện trainscg 88

Hình 9.10-b Hàm huấn luyện traingdm 88

Hình 9.10-c Hàm huấn luyện traingda 89

Hình 9.10-d Hàm huấn luyện trainlm 89

Hình 9.10-e Hàm huấn luyện trainrp 90

Hình 9.11-a Hàm mục tiêu msereg 92

Hình 9.11-b Hàm mục tiêu mse 93

Hình 9.12 Ảnh hưởng của Early Stopping 95

Hình 9.13 So sánh giữa Regulation và Early Stopping 96

Hình 9.14-a Số mẫu huấn luyện bằng 50x26 98

Hình 9.14-b Số mẫu huấn luyện bằng 500x26 98

Hình 9.14-c Số mẫu huấn luyện bằng 5000x26 99

Hình 9.15-a Khảo sát ảnh hưởng của kích thước quần thể, user = 10 101

Hình 9.15-b Khảo sát ảnh hưởng của kích thước quần thể, user = 20 102

Hình 9.15-c Khảo sát ảnh hưởng của kích thước quần thể, user = 30 102

Hình 9.15-d Khảo sát ảnh hưởng của kích thước quần thể, user = 30, thế hệ = 100 103

Hình 9.16-a Khảo sát số thế hệ tiến hóa, user = 10 104

Hình 9.16-b Khảo sát số thế hệ tiến hóa, user = 20 105

Hình 9.17-a Khảo sát tỷ lệ lai ghép, user = 10 106

Hình 9.17-b Khảo sát tỷ lệ lai ghép, user = 20 106

Hình 9.18 Khảo sát phương pháp lai ghép, user = 10 108

Hình 9.19-a Khảo sát tỷ lệ đột biến, user = 10 109

Hình 9.19-b Khảo sát tỷ lệ đột biến, user = 20 110

Hình 9.20-a So sánh các phương pháp theo Eb/No, User = 10, kênh AWGN 113

Hình 9.20-b So sánh các phương pháp theo User, Eb/No = 5, kênh AWGN 113

Hình 9.21-a So sánh các phương pháp theo Eb/No, User = 30, kênh AWGN 114

Hình 9.21-b So sánh các phương pháp theo User, Eb/No = 12, kênh AWGN 114

Hình 9.22-a So sánh các phương pháp theo Eb/No, User = 10, kênh Rayleigh 115

Hình 9.22-b So sánh các phương pháp theo User, Eb/No = 10, kênh Rayleigh 115

Hình 9.23-a So sánh các phương pháp theo Eb/No, User = 30, kênh Rayleigh 116

Hình 9.23-b So sánh các phương pháp theo User, Eb/No = 30, kênh Rayleigh 116

DANH MỤC HÌNH VẼ

Bảng 5.1 So sánh giữa giải thuật di truyền và phương pháp tìm kiếm cổ điển 37

Bảng 9.1 Thông số của hệ thống DS-CDMA 79

Bảng 9.2 Thông số khảo sát ảnh hưởng của số nút ẩn 82

Bảng 9.3 Thông số khảo sát ảnh hưởng của số thế hệ huấn luyện 85

Bảng 9.4 Thông số khảo sát ảnh hưởng của hàm huấn luyện 87

Bảng 9.5 Thông số khảo sát ảnh hưởng của hàm mục tiêu 92

Bảng 9.6 Thông số khảo sát ảnh hưởng của Early Stopping 94

Bảng 9.7 Thông số khảo sát ảnh hưởng của số mẫu huấn luyện 97

Bảng 9.8 Thông số khảo sát ảnh hưởng của kích thước quần thể 101

Bảng 9.9 Thông số khảo sát ảnh hưởng của số thế hệ tiến hóa 104

Bảng 9.10 Thông số khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ lai ghép 106

Bảng 9.11 Thông số khảo sát ảnh hưởng của phương pháp lai ghép 107

Bảng 9.12 Thông số khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ đột biến 109

Bảng 9.13 Thông số mạng nơ ron sử dụng cho bộ tách sóng đa user 111

Bảng 9.14 Thông số giải thuật di truyền sử dụng cho bộ tách sóng đa user 112

Bảng 9.15 Thông số hệ thống DS-CDMA 112

Bảng 9.16 So sánh ANN-MUD với GA-MUD 118

Phần I

LÝ THUYẾT CƠ SỞ

1.1 Sự phát triển của các hệ thống từ 1G lên 3G:

Các hệ thống thông tin di động đã và đang trải qua quá trình phát triển đáng kinh ngạc từ khi hệ thống thông tin tế bào (Cellular Communications System) đầu tiên được giới thiệu vào những năm 1980s Các hệ thống ở thế hệ thứ nhất dựa trên công nghệ tương tự với kỹ thuật đa truy cập FDMA Các hệ thống này được thiết kế cho dịch vụ thoại chuyển mạch mạch băng hẹp Do những giới hạn về tốc độ và dung lượng, các hệ thống FDMA không đáp ứng kịp nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng Các hệ thống

ở thế hệ thứ hai đã chuyển sang công nghệ số với hai kỹ thuật đa truy cập là TDMA và CDMA Các hệ thống này có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại và dữ liệu băng hẹp Tuy nhiên, như vậy vẫn là chưa đủ khi yêu cầu về tốc độ cũng như sự đa dạng về dịch vụ ngày càng tăng lên, và các hệ thống thông tin di động đã chuyển sang một giai đoạn mới Các hệ thống hiện nay đang ở thế hệ thứ ba với hai chuẩn là IMT-2000 của ITU và UMTS của ETSI Hệ thống mới này với kỹ thuật đa truy cập CDMA băng rộng (WCDMA) sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại, số liệu tốc độ cao và các dịch vụ đa phương tiện

Hình 1.1 Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động từ 1G lên 3G

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư:

Công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư (4G) sử dụng kỹ thuật điều chế đa sóng mang trực giao, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ tối đa lên tới 1 Gbps trong điều kiện lý tưởng Sau đây là một số yêu cầu của hệ hống 4G:

− Kiến trúc chung, cho phép kết hợp với các kỹ thuật hiện có

− Hiệu suất phổ tần cao

− Độ bao phủ tốt hơn so với các hệ thống 3G

− Độ thích nghi cao, hỗ trợ nhiều chuẩn và các kỹ thuật khác nhau

− Giá thành thấp, có thể triển khai ra thị trường nhanh chóng

− Khả năng mở rộng hệ thống, nền tảng cho sự phát triển của các kỹ thuật mới

Tổng kết chương 1:

Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng của các hệ thống thông tin di động từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ ba Phần trình bày cũng đã đề cập một số đặc điểm của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư sẽ được triển khai trong tương lai

Trong chương tiếp theo, tác giả sẽ trình bày một số nội dung cơ bản về kênh truyền trong môi trường thông tin di động

Chương 2

KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN

Trong môi trường vô tuyến, kênh truyền luôn có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động

của hệ thống Ở chương 2, tác giả sẽ trình bày những đặc trưng cơ bản của kênh truyền

vô tuyến di động Hiểu rõ đặc tính kênh truyền là điều kiện quan trọng để có thể đánh giá

hoạt động của các hệ thống, đặc biệt là thiết kế các bộ tách sóng phù hợp

2.1 Môi trường truyền sóng di động:

Trong môi trường truyền sóng di động, tín hiệu bị tác động bởi các hiện tượng sau:

- Hiện tượng đa đường: là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, khúc xạ của sóng điện từ

khi gặp phải các vật cản trên đường truyền Năng lượng tín hiệu sẽ bị phân tán theo nhiều

hướng Do đó tín hiệu đến máy thu là tập hợp của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau

với biên độ và pha khác nhau

- Hiện tượng Doppler: gây ra do sự thay đổi vị trí tương đối của các vật thể trên

đường truyền, làm cho đặc tính của kênh truyền thay đổi theo thời gian Hiện tượng này

tác động lên tín hiệu trên những phạm vi nhỏ, trong khoảng thời gian ngắn Do đó đây

còn được gọi là fading phạm vi nhỏ hoặc fading nhanh

- Hiện tượng che khuất: xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che

khuất bởi các vật thể với mật độ dầy và các vật thể này có kích thước lớn so với bước

sóng Khác với hiện tượng Doppler, hiện tượng che khuất tác động lên tín hiệu trên phạm

vi lớn, trong khoảng thời gian dài nên còn được gọi fading phạm vi lớn hoặc fading chậm

- Hiện tượng suy hao đường truyền: hiện tượng này giống như suy hao đường

truyền trong không gian tự do Tuy nhiên, trong môi trường truyền sóng di động thường

không tồn tại đường truyền thẳng (LOS), do đó công suất tín hiệu sẽ bị suy hao nhiều hơn

so với trong không gian tự do

2.2 Hiện tượng fading:

Như ở phần 2.1 đã đề cập, do bị tác động bởi các vật thể trên đường truyền, tín hiệu

trong môi trường di động vừa bị suy hao vừa bị tán xạ năng lượng theo nhiều hướng Hiện

tượng này gọi là hiện tượng fading Có hai loại fading: fading phạm vi lớn và fading

phạm vi nhỏ

2.2.1 Fading phạm vi lớn:

Fading phạm vi lớn là hiện tượng công suất của tín hiệu bị suy giảm khi di chuyển

trên một phạm vi lớn (gấp 10 – 30 lần bước sóng) Nguyên nhân là do những ảnh hưởng

của địa hình, những vật cản trên đường truyền sóng (đồi núi, nhà cửa…) Cường độ tín

hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố Gaussian quanh giá trị trung bình Fading phạm vi lớn

làm cho tín hiệu thay đổi với tốc độ chậm nên còn gọi là hiện tượng fading chậm

2.2.2 Fading phạm vi nhỏ:

Fading phạm vi nhỏ gây ra những biến đổi biên độ và pha của tín hiệu khi có sự thay

đổi vị trí tương đối trong phạm vi nhỏ (nửa bước sóng) giữa máy phát và máy thu Sự

thay đổi của môi trường truyền sóng là nguyên nhân gây ra hiện tượng fading phạm vi

nhỏ, và sự thay đổi này diễn ra liên tục trong những khoảng thời gian ngắn nên còn gọi là

fading nhanh Trong trường hợp này, cường độ tín hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố

Rayleigh (khi không có đường truyền thẳng giữa máy phát và máy thu) hoặc phân bố

Rician (khi có đường truyền LOS giữa máy phát và máy thu)

Khi máy di động di chuyển trên một phạm vi lớn (hoặc trong khoảng thời gian dài)

thì tín hiệu sẽ bị tác động đồng thời bởi cả hai loại fading phạm vi lớn và fading phạm vi

nhỏ

Hình 2.1 Cường độ tín hiệu trong môi trường fading

2.3 Sự trải trễ của tín hiệu:

2.3.1 Xét trong miền thời gian:

Trong môi trường di động, hiện tượng fading đa đường làm cho tín hiệu từ máy phát

đến máy thu với nhiều phiên bản có độ trễ khác nhau, thời gian trễ tổng cộng bị kéo dài

ra Mối quan hệ giữa thời gian trễ cực đại T m và chu kỳ ký hiệu T s sẽ gây ra một trong hai

hiện tượng: fading chọn tần hoặc fading phẳng

- Fading chọn tần: Một kênh truyền gây ra fading chọn tần nếu T m > T s Hiện tượng

này sẽ làm các ký tự kế tiếp nhau tại máy thu chồng lên nhau, làm méo dạng tín hiệu

hợp này, độ trễ của các thành phần đa đường của một ký hiệu tại máy thu vẫn nằm trong

chu kỳ của ký hiệu đó, không gây chồng lấn lên các ký hiệu lân cận

tần số:

ênh truyền hau sẽ bị tá

à kênh truyềđộng lên tíênh truyền

ọn tần làm ctruyền Nhvới những t

Hình 2.2 K

h truyền gâhiệu đều nằuyền

ền fading ch

g phẳng khăng thông

yền fading p

tín hiệu theăng thông k

họn tần

i f 0 > 1/T s kết hợp, và

phẳng

eo phương

kết hợp f 0 củhiệu Ngoài ương quan)

< 1/T s , vớ

n hiệu bị tá

g kết hợp shợp

Khi đó, tất

à sẽ chịu tá

diện tín

ủa kênh khoảng )

đặc tính trảicũng thay đhát và máy t

g thông của

ền fading ph

i theo thời thời gian:

i tín hiệu thđổi theo thờthu cũng nhhời gian mà

h truyền là

ệu phát Đố

ỗi chu kỳ kýuan với nhautruyền là f

ng suốt chu

m méo dạng

hợp fading

ần Đó là khtín hiệu, nh

ối với kênh

h truyền fadméo dạng

ằm trong bă

n:

ng của kênh

là do sự ctrên đườnggần như kh

< T s, trongding nhanh, tín hiệu do

T s, nghĩa là

nh phần tín

chịu tác độcủa đáp ứngình 2.4

ăng thông tí

h truyền trochuyển động truyền sónhông thay đổ

g đó T 0 là thđặc tính củnhững thàn

à đặc tính củhiệu thu s

ủa kênh

nh phần

ủa kênh

ẽ tương

2.4.2 Xét trong miền tần số:

Trong miền tần số, đặc tính thay đổi theo thời gian của kênh truyền biểu hiện dưới

trải rộng trong khoảng [-f d + f c , f d + f c ] với f d = V/λ, V là vận tốc di chuyển và λ là bước

sóng tín hiệu Tần số lớn nhất f d + f c xuấthiện khi máy phát và máy thu di chuyển về phía

nhau, tần số nhỏ nhất -f d + f c xuất hiện khi máy phát và máy thu di chuyển ra xa nhau

Các loại fading được tóm tắt ở hình 2.5

Hình 2.5 Các loại fading

Tổng kết chương 2:

Trong chương này, tác giả đã mô tả những đặc điểm cơ bản của kênh truyền vô

tuyến di động Trên cơ sở những nội dung này, ở chương 9, kênh truyền Gaussian và kênh

fading phẳng sẽ được sử dụng để khảo sát hệ thống DS-CDMA

Chương 3

HỆ THỐNG DS – CDMA

Ở chương 3, tác giả sẽ giới thiệu các kỹ thuật trải phổ và hệ thống thông tin di động dựa trên kỹ thuật trải phổ, đó là hệ thống DS-CDMA.

3.1 Giới thiệu kỹ thuật trải phổ:

Kỹ thuật trải phổ ra đời từ nhu cầu bảo mật thông tin trong quân sự So với thông tin băng hẹp cổ điển, kỹ thuật trải phổ thể hiện tính ưu việt trong các vấn đề như chống nhiễu và trộm thông tin Ở máy phát, dữ liệu của người sử dụng được nhân với một chuỗi

mã giả ngẫu nhiên Ở máy thu, tín hiệu sẽ được nhân với chuỗi mã giả ngẫu nhiên giống như ở máy phát để khôi phục lại dữ liệu ban đầu

Một hệ thống thông tin trải phổ có hai đặc điểm:

- Băng thông của tín hiệu truyền lớn hơn nhiều lần so với băng thông của tín hiệu thông tin

- Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với thông tin

Hình 3.1 Nguyên lý tạo tín hiệu trải phổ

Các kỹ thuật trải phổ được chia thành ba nhóm chính:

- Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-SS): Tín hiệu thông tin được nhân trực tiếp với

chuỗi trải phổ Ở máy thu, tín hiệu thu được nhân với chuỗi trải phổ lần nữa để khôi phục lại tín hiệu thông tin ban đầu

- Trải phổ nhảy tần (FH-SS): Tần số sóng mang thay đổi sau mỗi khoảng thời

chuyển sang một tần số khác Hệ thống được gọi là nhảy tần chậm hay nhanh phụ thuộc

vào việc T hop lớn hơn hay nhỏ hơn chu kỳ bit T b

- Trải phổ nhảy thời gian (TH-SS): Trục thời gian được chia thành các khung

Mỗi khung lại được chia thành các khe thời gian Một kênh tín hiệu sẽ sử dụng một trong các khe thời gian của khung và sẽ thay đổi thứ tự khe qua từng khung

3.2 Hệ thống DS-CDMA:

CDMA là công nghệ đa truy cập dựa trên kỹ thuật trải phổ, cho phép nhiều người

sử dụng truyền dữ liệu đồng thời trên một băng tần Trong hệ thống CDMA, mỗi user được cấp phát một chuỗi mã trải phổ dùng để mã hóa tín hiệu thông tin Tại máy thu, tín hiệu thu sẽ được giải mã để khôi phục tín hiệu gốc và máy thu phải biết được chuỗi mã trải phổ để giải mã tín hiệu Chuỗi mã trải phổ của các user trực giao với nhau, nhờ đó các user không gây nhiễu lẫn nhau trong điều kiện sử dụng chung dải tần số tại cùng thời điểm

Hệ thống DS-CDMA dựa trên kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp, trong đó tín hiệu trải phổ được tạo ra bằng cách nhân tín hiệu thông tin với chuỗi mã trải phổ

Ưu điểm của hệ thống CDMA:

- Khả năng đa truy cập

- Chống nhiễu đa đường

- Bảo mật: tín hiệu trải phổ sử dụng băng thông rộng nên có công suất rất thấp trên một đơn vị băng thông, và việc khôi phục chỉ được thực hiện khi biết được mã trải phổ Điều này gây khó khăn cho việc phát hiện tín hiệu trải phổ

- Khử nhiễu băng hẹp: Ở máy thu, tín hiệu sẽ được nhân với chuỗi mã trải phổ để khôi phục dữ liệu ban đầu Khi đó, nhiễu băng hẹp sẽ bị trải phổ sau khi nhân với chuỗi

mã giả ngẫu nhiên Do đó, công suất của nhiễu trong băng thông tín hiệu mong muốn giảm đi một lượng bằng độ lợi xử lý

Hình 3.2 Các kỹ thuật CDMA

3.3 Máy thu Rake:

Sơ đồ máy thu Rake được minh họa ở hình 3.3

Hình 3.3 Máy thu Rake với 3 nhánh Nguyên lý hoạt động của máy thu Rake như sau: tín hiệu tin tức sau khi trải phổ

và điều chế được truyền qua kênh truyền vô tuyến Do bị tác động bởi hiện tượng fading

đa đường (như đã trình bày ở chương 2), tín hiệu đến tại máy thu gồm n đường với độ suy

máy thu Rake Máy thu Rake gồm có nhiều nhánh (gọi là finger), mỗi nhánh dành cho một thành phần đa đường Ở mỗi nhánh, tín hiệu được giải trải phổ và đồng bộ thời gian với một trong những đường truyền đa đường nói trên Sau đó, các tín hiệu này được nhân với các trọng số tương ứng và kết hợp lại để cho ra tín hiệu gốc ban đầu

3.4 Các chuỗi trải phổ thông dụng:

Các chuỗi trải phổ đóng vai trò rất quan trọng trong hệ thống DS-CDMA vì nó là

cơ sở để thực hiện đa truy cập Việc lựa chọn chuỗi mã trải phổ sẽ quyết định chất lượng

hệ thống Trong hệ thống DS-CDMA, các chuỗi mã khác nhau được sử dụng để phân biệt các kết nối khác nhau Một số chuỗi trải phổ thông dụng như: chuỗi giả ngẫu nhiên, chuỗi Gold, chuỗi Kasami, chuỗi Walsh Nguyên lý tạo các chuỗi mã được trình bày trong tài liệu [1]

3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống DS-CDMA:

Phần này sẽ trình bày hai yếu tố có ảnh hưởng lớn đến chất lượng hệ thống CDMA, đó là nhiễu đa truy cập và hiện tượng gần - xa Những nguồn nhiễu thông thường (như nhiễu Gaussian) sẽ không được đề cập ở đây

DS Nhiễu đa truy cập:

Hệ thống DS-CDMA bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa truy cập (MAI) do nhiều user phát đồng thời trên cùng một băng tần Nguyên nhân là do sự không hoàn toàn trực giao của các chuỗi mã trải phổ Tương quan chéo giữa các chuỗi mã càng cao thì MAI càng cao, chất lượng tín hiệu thu càng bị suy giảm

Hình 3.4 Mật độ phổ công suất của user 1 trước và sau khi giải trải phổ

Hình 3.4 mô tả mật độ phổ công suất của tín hiệu băng gốc trước và sau khi giải trải phổ cho user 1 Sau khi nén phổ, công suất của user 1 được nâng lên trở lại trong

phổ công suất thấp Những thành phần nhiễu tạo bởi các user không mong muốn nằm

thì tổng công suất nhiễu trong băng thông [-R b , R b ] cũng tăng dần lên và có thể tăng bằng

với công suất của tín hiệu mong muốn Do đó, trong hệ thống DS-CDMA, dung lượng hệ thống bị giới hạn nhằm duy trì chất lượng tín hiệu thu của user mong muốn không bị suy giảm quá mức

Theo tài liệu [1], ta có biểu thức sau:

0

1.1

b

N = M R

Trong đó E b /N 0 là tỷ số năng lượng tín hiệu trên nhiễu, M là số user, W/R là tỷ số

giữa băng thông tín hiệu truyền trên tốc độ chuỗi bit ban đầu Từ công thức (3.1), ta rút ra các nhận xét sau:

- Số user tích cực đồng thời trong hệ thống DS-CDMA phải nhỏ hơn một giá trị nhất định

- Tỷ số W/R càng lớn thì chất lượng hệ thống càng tốt và khả năng tăng dung lượng

hệ thống càng cao

- Hiện tượng gần - xa:

Trong hệ thống DS-CDMA, mỗi user là một nguồn giao thoa đối với các user khác Càng có nhiều người truy cập cùng lúc thì giao thoa đối với user mong muốn càng tăng Đối với những user ở gần trạm gốc, công suất của những user này tại máy thu trạm gốc sẽ lớn hơn những user khác có cùng công suất phát nhưng ở những vị trí xa hơn, do

đó sẽ gây giao thoa lớn hơn cho những user ở xa Hiện tượng này gọi là hiện tượng gần –

xa Hiện tượng gần – xa làm chất lượng tín hiệu của những user ở xa bị suy giảm Do đó cần phải điều khiển công suất phát của mỗi user sao cho công suất của các user tại máy thu trạm gốc là tương đương nhau

Tổng kết chương 3:

Qua chương 3, tác giả đã trình bày những đặc điểm cơ bản của kỹ thuật trải phổ và

hệ thống DS-CDMA Trong hai chương kế tiếp, tác giả sẽ trình bày về mạng nơ ron và giải thuật di truyền, hai kỹ thuật sẽ được áp dụng vào bộ tách sóng đa user cho hệ thống DS-CDMA

Chương 4

MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO

Trước khi đi vào khảo sát bộ tách sóng đa user dùng mạng nơ ron ở chương 7, trong

chương này, tác giả sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về mạng nơ ron, kiến trúc và giải thuật

cập nhật trong số của ba kiểu mạng cơ bản, đó là mạng Perceptron, mạng tuyến tính

thích nghi và mạng truyền thẳng nhiều lớp

4.1 Lịch sử phát triển:

Vào những năm 40 của thế kỷ 20, với mong muốn chế tạo cỗ máy có khả năng hoạt

động như bộ não con người, các nhà nghiên cứu đã phát triển những mô hình phần cứng

(sau đó là phần mềm) đơn giản về các nơ ron sinh học và cơ chế tương tác giữa chúng

McCulloh và Pitts là những người đầu tiên công bố công trình nghiên cứu có tính hệ

thống về mạng nơ ron nhân tạo

Đến những năm 50 và 60, một nhóm các nhà nghiên cứu đã kết hợp những kiến

thức về sinh học và tâm thần học để tạo ra một mạng nơ ron nhân tạo hoàn chỉnh đầu tiên

Ban đầu được chế tạo dưới dạng một mạch điện tử, sau đó mạng nơ ron được chuyển

thành các chương trình mô phỏng trên máy tính với độ linh hoạt cao hơn

Trong thời gian gần đây, mạng nơ ron phát triển mạnh mẽ với các công trình nghiên

cứu của Rosenblatt, Widrow và Hoff về các mạng nơ ron nhiều lớp phức tạp Mặt khác,

khả năng phần cứng của máy tính tăng lên rất nhiều cũng góp phần vào sự phát triển của

lĩnh vực nghiên cứu này Mạng nơ ron nhân tạo được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

nhận dạng, phân loại, xử lý ảnh, điều khiển, dự báo, …

4.2 Cấu trúc mạng nơ ron nhân tạo:

Một phần tử nơ ron nhân tạo có ba thành phần:

- Trọng số: thể hiện mức độ kết nối giữa tín hiệu vào và phần tử xử lý của nơ ron

- Hàm tổng hợp: tổng hợp các tín hiệu từ ngõ vào nơ ron để đưa vào hàm kích hoạt

Một số hàm tổng hợp: hàm tổng, hàm tuyến tính, hàm toàn phương…

- Hàm kích hoạt: điều chỉnh biên độ tín hiệu ra của nơ ron Một số hàm kích hoạt:

Nguyên lý hoạt động của mạng nơ ron:

Mỗi nơ ron sẽ nhận tín hiệu vào là những đại lượng vô hướng từ môi trường bên

ngoài hoặc từ các nơ ron khác Các tín hiệu vào p 1 , p 2 , …, p R được nhân với các trọng số

w 1,1 , w 1,2 , …, w 1,R và đưa qua hàm tổng hợp để tạo ra đại lượng vô hướng n Đại lượng n là

đối số đưa vào hàm kích hoạt Tín hiệu ra của hàm kích hoạt cũng chính là tín hiệu ngõ ra

của nơ ron Tín hiệu này sẽ được truyền đến các nơ ron khác hoặc được sử dụng theo mục

đích của người thiết kế

Mạng nơ ron được phân loại như sau:

- Theo số lớp: mạng một lớp, mạng nhiều lớp

- Theo cấu trúc: mạng nuôi tiến (truyền thẳng), mạng hồi quy

4.3 Các phương pháp học của mạng nơ ron:

Quá trình học, hay còn gọi là huấn luyện mạng, là quá trình điều chỉnh cấu trúc

mạng nơ ron (kiến trúc kết nối và trọng số kết nối) nhằm đạt những tiêu chí do người thiết

kế mạng đặt ra Có hai kiểu học:

- Học thông số (Parameter Learning): chỉ thay đổi các trọng số liên kết giữa các

nơ ron

- Học cấu trúc (Structure Learning): thay đổi cấu trúc mạng bao gồm phần tử nơ

ron và kiến trúc kết nối giữa chúng

Bài viết này chỉ đề cập đến kiểu học thông số Có ba luật học thông số:

- Luật học có giám sát: Cho các tập dữ liệu vào - ra {x 1 ,d 1 }, {x 2 ,d 2 },…, {x Q ,d Q }

Hình 4.2 Luật học có giám sát

- Luật học củng cố: Không như học có giám sát được cung cấp giá trị mục tiêu,

luật học củng cố chỉ được cung cấp tín hiệu củng cố theo mức, bởi vì trong thực tế không

phải lúc nào ta cũng có đầy đủ thông tin về đối tượng Kiểu học củng cố thích hợp cho

những ứng dụng điều khiển hệ thống

Hình 4.3 Luật học củng cố

- Luật học không có giám sát: Trọng số của mạng được hiệu chỉnh theo tín hiệu ngõ

vào, không có tín hiệu mục tiêu Hầu hết những thuật toán này sẽ tự phát hiện những điểm

đặc trưng, những mối tương quan giữa các mẫu dữ liệu vào và mã hóa thành dữ liệu ra

Hình 4.4 Luật học không có giám sát

4.4 Mạng Perceptron:

Vào cuối những năm 1950, Frank Rosenblatt và một số nhà nghiên cứu đã phát

triển một loại mạng nơ ron gọi là Perceptron Ngày nay, Perceptron vẫn được xem là một

mạng quan trọng vì khả năng đáp ứng nhanh và chính xác đối với những vần đề mà nó có