Các kỹ thuật tách dữ liệu có thể được chia thành hai loại là kỹ thuật tách sóng đơn user (Single User Detection-SUD) và kỹ thuật tách sóng đa user (Multi User Detection-MUD). Trong kĩ thuật tách sóng đơn user, thì ta không quan tâm đến thông tin về xuyên nhiễu đa truy nhập. Với các hệ thống vô tuyến di động MC-CDMA, kỹ thuật SUD được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ cân bằng tap để bù cho sự méo dạng do fading phẳng gây ra trên mỗi kênh phụ, theo sau bộ cân bằng là sự giải trải phổ riêng biệt cho người dùng. Trong MUD, thông tin về nhiễu đa truy nhập được quan tâm, điều này làm cho kỹ thuật tách sóng đa user phù hợp với kênh truyền thực tế hơn. Tuy nhiên MUD phức tạp hơn nhiều so với SUD và nó phải biết trước các mã trải phổ của những người dùng tích cực khác. Có thể phân MUD ra làm hai loại là loại tách kết hợp và loại triệt giao thoa.
4.2.2.1 Kỹ thuật tách sóng đơn user.
Hình trên mô tả sơ đồ khối của bộ tách sóng đơn user để phát hiện các ký hiệu từ user thứ k. Sau khi thực hiện quá trình biến đổi ngược OFDM, tín hiệu thu được đưa qua bộ cân bằng thích nghi một tap. Tín hiệu sau khi qua bộ cân bằng được cân bằng các méo dạng về pha và biên độ do kênh truyền vô tuyến gây ra. Chuỗi thu ở ngõ ra bộ cân bằng có dạng:
Ma trận cân bằng G là ma trận đường chéo kích thước LxL:
bao gồm L hệ số phức tạp của bộ cân bằng áp dụng cho sóng mang phụ của user tương ứng.
Chuổi phức u ở ngõ ra của bộ cân bằng được giải trải phổ bằng cách lấy tương quan giữa nó so với liên hiệp phức của mã trải phổ tương ứng c(k)*. Sau bộ giải trải phổ là tín hiệu quyết định “mềm” v(k):
Giá trị quyết định “cứng” của ký hiệu phát có được sau bộ lượng tử:
trong đó Q{.} là phép lượng tử tương ứng với tập ký hiệu dữ liệu được chọn.
Các mô hình khác nhau của bộ phát hiện SD được phân biệt dựa vào ma trận của bộ cân bằng. Có nhiều cách lựa chọn các hệ số của ma trận G.
a)Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao (ORC).
Phương pháp ORC khôi phục tính trực giao của các user. Các trọng số của bộ cân bằng ORC được chọn như sau:
Trong đó H(1,1) là hệ số tương ứng của ma trận đặc trưng của kênh truyền.
Phương pháp ORC chỉ nên áp dụng cho tuyến xuống hệ thống MC-CDMA bởi vì trên tuyến lên (Mobile Station to Base Station), tín hiệu từ các user đến trạm gốc với độ trễ khác nhau và đáp ứng kênh truyền của mỗi user cũng khác nhau nên cho dù các mã trải phổ có hoàn toàn trực giao thì phương pháp ORC không thể khôi phục tính trực giao cho các mã.
b)Phương pháp kết hợp khôi phục tính trực giao cãi tiến (TORC).
Phương pháp này khắc phục nhược điểm của ORC bằng cách loại bỏ ảnh hưởng của việc nhiễu đi kèm sóng mang phụ có biên độ yếu trên mỗi nhánh được khuếch đại mạnh như trong phương pháp ORC. Phương pháp này loại bỏ tất cả các sóng mang phụ nào có biên độ thấp hơn ngưỡng nào đó. Khi đó biến quyết định tính dựa trên sóng mang phụ có biên độ trên ngưỡng. Các trọng số của bộ cân bằng TORC được chọn như sau:
Trong đó u(.) là hàm bước đơn vị và γ là ngưỡng tách sóng. Với mỗi tỉ số SNR cho trước, sẽ tồn tại một mức ngưỡng tối ưu để đạt được BER nhỏ nhất.
c)Phương pháp kết hợp tỷ số cực đại (MRC-Maximum Ratio Combining).
Các trọng só của bộ cân bằng MRC ứng với mỗi kênh phụ chính là liên hợp phức của hệ số tương ứng của ma trận đặc trưng của kênh truyền:
Nhược điểm của bộ phát hiện MRC trong hệ thống MC-CDMA ở tuyến xuống là nó phá hủy tính trực giao của mã trải phổ, do đó làm tăng nhiễu đa truy cập (MAI). Ở tuyến lên thi MRC là kỹ thuật tách sóng đơn user thích hợp nhất vì các mã trải phổ không chồng nhau theo kiểu trực giao ở máy thu và sự cực đại hóa tỷ số SNI (Signal-to-interference) là tối ưu.
d)Phương pháp kết hợp độ lợi cân bằng (EGC-Equal Gain Combining) Bộ phát hiên EGC chỉ bù lại những sự xoay pha do kênh truyền gây ra. Đây là kỹ thuật tách sóng đơn user đơn giản nhất vì nó chỉ cần thông tin về pha của kênh truyền. Các hệ số của bộ cân bằng EGC là:
Khi điều kiện môi trường tốt, ảnh hưởng fading là nhỏ hơn nhiễu Gauss thì EGC là phương pháp tốt vì có tác dụng lấy trung bình nhiễu Gauss trong khi
không can thiệp đến độ lợi kết hợp. Tuy nhiên đối với kênh truyền fading mạnh thì EGC không thể giúp triệt nhiễu MAI.
e)Phương pháp cưỡng bức zero (ZF-Zero Forcing).
Bộ cân bằng thực hiện đảo ngược đặc tính kênh truyền, đồng thời có thể loại bỏ nhiễu MAI bằng cách khôi phục tính trực giao giữa các dữ liệu trải phổ ở tuyến xuống với các hệ số cân bằng như sau:
Nhược điểm của kỹ thuật ZF là với các biên độ nhỏ của H(l,l) thì bộ cân bằng sẽ khuếch đại nhiễu.
f)Phương pháp cân bằng sai số bình phương trung bình cực tiểu (MMSE- Minimum Mean Square Error).
Bộ cân bằng theo tiêu chuẩn MMSE tìm cách tối thiểu hóa sai số bình phương trung bình giữa tín hiệu phát và tín hiệu ra khỏi bộ cân bằng:
Sai số bình phương trung bình:
có thể được tối thiểu hóa bằng cách áp dụng nguyên lý trực giao, theo đó J(l)
đạt cực tiểu nếu các hệ số cân bằng G(l,l) được chọn sao cho sai số ε (l) trực giao với tín hiệu thu R(l)*, nghĩa là:
Từ đó dẫn đến công thức xác định các hệ số của bộ cân bằng MMSE:
Để tính toán hệ số cân băng MMSE, cần ước lượng variance của nhiễu σ ^2.
Do tính phức tạp trong việc ước lượng σ2, người ta dùng mô hình tuy không tối ưu bằng nhưng đơn giản hơn, đó là thay σ2 bằng một giá trị ngưỡng λ sao cho bộ cân bằng MMSE có thể đạt được giá trị BER trong giới hạn cho phép. Như vậy các hệ số cân bằng MMSE trở thành:
trong đó λ được xác định khi thiết kế hệ thống.
4.2.2.2 Kỹ thuật tách sóng đa user
Từ phương trình (4.11) và (4.13) ta có thể xác định vector r sau bộ OFDM được xác định như sau: r= A.d+n
Trong đó ma trận hệ thống của tuyến xuống A được xác định bởi:
Và ma trận hệ thống của tuyến lên A được xác định bởi:
Với mô hình như trên ta có thể đưa ra một số phương pháp tách sóng đa user phổ biến như sau.
a) Kỹ thuật tách sóng đa user theo khả năng cao nhất.
Kỹ thuật này có 2 giải thuật là ước lượng chuỗi có khả năng cao nhất (MLSE-Maximum Likelihood Sequence Estimation) và giải thuật ước lượng theo ký hiệu có khả năng cao nhất (MLSSE-Maximum Likelihood Symbol-by- Symbol Estimation). Giải thuật MLSE ước lượng toàn bộ chuỗi dữ liệu phát (d(0), d(1) ,...,d(k-1))^T tối ưu; còn giải thuật MLSSE ước lượng từng ký hiệu phát d(k).
Ước lượng chuỗi khả năng cao nhất (MLSE):
Tập cỏc vector ký hiệu phỏt cú thể xảy ra là dà, với à=0,...,MK -1, trong đú MK là số vector phát có thể có, M là số giá trị có thể có của d(k).
Giải thuật MLSE tìm cách tối thiểu xác suất lỗi so với chuỗi phát, nói cách khỏc là cực đại xỏc suất cú điều kiện P{dà|r} (xỏc suất để dà là vector phỏt nếu vector thu là r). Ước lượng của chuỗi d theo giải thuật MLSE được xác định bởi:
Nếu Nl là nhiễu AWGN thì phương trình trên tương đương với việc tìm vector dà để tối thiểu húa bỡnh phương khoảng cỏch Euclide giữa vector thu với tất cả MK vector phát có thể:
Chuỗi phát có khả năng cao nhất sẽ là:
Ước lượng theo từng ký hiệu có khả năng cao nhất (MLSSE):
Giải thuật MLSSE tìm cách tối thiểu hóa xác suất lỗi ký hiệu giữa ký hiệu thu với ký hiệu phỏt, nghĩa là cực đại xỏc suất cú điều kiện P{dà(k)|r). Ước lượng của d(k) theo giải thuật MLSSE là:
Nếu Nl là nhiễu thì ký hiệu có khả năng cao nhất là:
Có thể thấy rằng giải thuật MLSSE phức tạp hơn giải thuật MLSE. Ưu điểm của giải thuật này là nó tạo ra các thông tin về độ tin cậy của mỗi ký hiệu phát
b) Kỹ thuật sử dụng bộ cân bằng khối tuyến tính.
Cân bằng khối tuyến tính là một phương pháp không tối ưu nhưng đơn giản để tách sóng đa user, nó đòi hỏi thông tin về ma trận hệ thống A của máy thu. Để có thông tin này, có thể dùng một trong hai tiêu chuẩn:
Cân bằng khối tuyến tính cưỡng bức zero ( Zero Forcing).
Phương pháp phát hiện kết hợp dùng bộ cân bằng khối tuyến tính cưỡng bức zero sẽ tạo ra vector dữ liệu quyết định mềm sau đây:
Cân bằng khối tuyến tính MMSE.
Bộ cân bằng khối tuyến tính MLSE cho ra vector quyết định dữ liệu mềm như sau:
Các bộ cân bằng khối tuyến tính có thể kết hợp với phương pháp triệt nhiễu giao thoa (IC) để tạo thành các bộ cân bằng khối tuyến tính hồi tiếp quyết định.
c) Kỹ thuật loại trừ xuyên nhiễu.
Nguyên lý cơ bản của sự loại trừ xuyên nhiễu là dò tìm và loại bỏ tín hiệu xuyên nhiễu ra khỏi tín hiệu nhận được trước khi thực hiện sự dò tìm cho tín hiệu mong muốn. Các lược đồ loại trừ xuyên nhiễu sử dụng tín hiệu được lấy ra
từ ngỏ ra bộ dò tìm ( hình 4.4) hoặc từ ngỏ ra của bộ giải mã ( hình 4.5) để tái tạo tín hiệu xuyên nhiễu.
Cả hai lược đồ trên đều có thể áp dụng vài lần lặp. Các giá trị và các hàm liên quan đến lần lặp thứ j được đánh dấu bởi chỉ mục [j], trong đó j có thể lấy các giá trị j=1,...,jit và jit là số lần lặp tổng cộng. Chặng dò tìm đầu tiên được biểu thị bởi chỉ mục [0]. Trong hai lược đồ thì lược đồ loại trừ xuyên nhiễu mềm sẽ cho kết quả tốt hơn lược đồ loại trừ xuyên nhiễu cứng. Sự loại trừ xuyên nhiễu
được chia thành kỹ thuật loại trừ xuyên nhiễu song song và kỹ thuật loại trừ xuyên nhiễu liên tiếp, ngoài ra cũng có thể kết hợp hai kỹ thuật loại trừ xuyên nhiễu này.
Triệt nhiễu giao thoa song song (PIC- Parrallel Interference Cancellation).
Nguyên lý cơ bản của PIC là dò tìm và loại trừ các tín hiệu xuyên nhiễu một cách đồng thời ( song song) trước khi thực hiện dò tìm cho tín hiệu mong muốn.
PIC thì thích hợp cho các hệ thống trong đó các tín hiệu xuyên nhiễu có cùng công suất. Trong chặng đầu tiên, các ký tự dữ liệu của tất cả K người dùng tích cực được dò tìm đồng thời bởi sự dò tìm đơn user.
Trong đó G(k)[0] biểu diễn các hệ số cân bằng ở trạng thái khởi đầu. Các bước tiếp theo được lặp lại nhiều lần: sử dụng quyết định nhận được từ lần lặp trước để ước lượng thành phần giao thoa rồi loại khỏi tín hiệu thu, như vậy dữ liệu được quyết định sau mỗi bước sẽ có mức nhiễu MAI giảm dần. Ký hiệu ra ở lần thứ j sẽ là:
Trừ lần lặp cuối, ở tất cả các lần lặp khác, phương trình trên được áp dụng cho tất cả K user. Ở mỗi lần lặp có thể dùng các kỹ thuật phát hiện khác nhau (EGC, MRC, MMSE,…).
Triệt nhiễu giao thoa liên tiếp (SIC –Successive Interference Cancellation).
Kỹ thuật này phát hiện và loại bỏ các thành phần giao thoa theo thứ tự cong suất của chúng. Đầu tiên, thành phần giao thia có công suất lớn nhất sẽ bị loại bỏ rồi sau đó đến thành phần có công suất lớn thứ hai,…Như vậy, ở bước lặp thứ j, ký hiệu ngõ ra sẽ là:
Trong đó g là thành phần giao thoa mạnh nhất trong lần lặp đang xét và j = 1,2,…, Jit. Quá trình lặp kết thúc khi đạt được một tiêu chuẩn nào đó đã định sẵn.
Kỹ thuật SIC thích hợp cho các hệ thống có sự dao động lớn về công suất giữa các thành phần giao thoa.