Tài liệu Phương pháp tách sóng lặp áp dụng vào môi trường truyền thông không dây nhiều người dùng

MỤC LỤC DACH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.....................................................................................1 MỞ ĐẦU...............................................................................................................................6 Chương 1: ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................................8 1.1 ĐỊNH LÝ SHANNON VỀ DUNG NĂNG KÊNH .........................................................8 1.2 DUNG NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY NHIỀU NGƯỜI DÙNG.............................................................................................................11 1.3 TÁCH SÓNG NHIỀU NGƯỜI DÙNG.........................................................................12 1.4 TÁCH SÓNG LẶP NHIỀU NGƯỜI DÙNG ................................................................13 1.5 KẾT CẤU LUẬN VĂN ................................................................................................14 Chương 2: Mà HÓA VÀ GIẢI Mà TURBO..................................................................16 2.1 TỒNG QUAN VỀ Mà ĐIỀU KHIỂN LỖI ..................................................................16 2.1.1 Khái niệm điều khiển tỷ số lỗi.............................................................................17 2.1.2 Hiện tượng ngưỡng..............................................................................................17 2.1.3 Khoảng cách Hamming, khoảng cách Ơ-clit và trọng số từ mã..........................18 2.2 Mà HÓA CHẬP............................................................................................................19 2.2.1 Nguyên tắc chung tạo mã chập............................................................................19 2.2.2 Giải mã mã chập..................................................................................................23 2.2.2.1 Giải mã quyết định cứng và giải mã quyết định mềm .................................23 2.2.2.2 Thuật toán Viterbi quyết định cứng .............................................................23 2.2.2.3 Thuật toán Viterbi quyết định mềm..............................................................28 2.3 Mà HÓA VÀ GIẢI Mà TURBO .................................................................................30 2.3.1 Mã hóa.................................................................................................................31 2.3.1.1 Bộ mã hóa chập đệ quy có hệ thống ............................................................31 i 2.3.1.2 Ghép nối mã.................................................................................................33 2.3.1.3 Bộ đan xen ...................................................................................................34 2.3.2 Giải mã lặp Turbo................................................................................................36 2.3.2.1 Nguyên tắc chung của bộ giải mã Viterbi đầu ra mềm ...............................36 2.3.2.2 Độ tin cậy của bộ giải mã SOVA .................................................................37 2.3.2.3 Thuật toán SOVA sử dụng cho mã Turbo ....................................................38 2.3.2.4 Bộ giải mã thành phần SOVA cho mã Turbo...............................................41 2.3.2.5 Thực hiện bộ giải mã SOVA ........................................................................44 2.3.2.6 Bộ giải mã Turbo lặp SOVA ........................................................................45 Chương 3: HỆ THỐNG NHIỀU NGƯỜI DÙNG DS-CDMA.......................................49 3.1 HỆ THỐNG NHIỀU NGƯỜI DÙNG CDMA ..............................................................49 3.1.1 Giới thiệu về hệ thống trải phổ CDMA...............................................................49 3.1.2 Phân loại hệ thống CDMA ..................................................................................50 3.2 HỆ THỐNG TRẢI PHỔ CHUỖI TRỰC TIẾP DS-CDMA .........................................51 3.2.1 Mã PN..................................................................................................................51 3.2.2 Nguyên lý hệ thống trải phổ chuỗi trực tiếp........................................................52 3.2.3 Các phần từ DS-CDMA cơ bản...........................................................................55 Chương 4: TÁCH SÓNG NHIỀU NGƯỜI DÙNG.........................................................60 4.1 TÁCH SÓNG KẾT HỢP...............................................................................................61 4.1.1 Bộ tách sóng nhiều người dùng tối ưu ................................................................61 4.1.2 Bộ tách sóng nhiều người dùng tuyến tính..........................................................64 4.1.3 Bộ tách sóng nhiều người dùng phi tuyến...........................................................66 4.2 CÁC LƯỢC ĐỒ LOẠI BỎ NHIỄU..............................................................................68 4.3 CÁC LƯỢC ĐỒ KẾT HỢP...........................................................................................71 Chương 5: TÁCH SÓNG NHIỀU NGƯỜI DÙNG TURBO .........................................72 5.1 Mà TURBO NỐI TIẾP.................................................................................................72 ii 5.2 NGUYÊN TẮC Mà HÓA TURBO ÁP DỤNG CHO TÁCH SÓNG NHIỀU NGƯỜI DÙNG ...............................................................................................74 5.3 MÁY THU LẶP NHIỀU NGƯỜI DÙNG ....................................................................76 5.3.1 Bộ tạo metric .......................................................................................................78 5.3.2 Bộ tách sóng Turbo đơn người dùng...................................................................78 5.3.3 Lược đồ lặp trong máy thu nhiều người dùng.....................................................80 Chương 6: TÁCH SÓNG LẶP TRONG MÔI TRƯỜNG NHIỀU NGƯỜI DÙNG DS-CDMA .......................................................................................................81 6.1 TÁCH SÓNG LẶP NHIỀU NGƯỜI DÙNG TRONG KÊNH AWGN........................81 6.1.1 Mô hình hệ thống ................................................................................................81 6.1.2 Tách sóng lặp nhiều người dùng .........................................................................83 6.1.2.1 Tách sóng nhiều người dùng........................................................................83 6.1.2.2 Mã hóa FEC.................................................................................................89 6.1.2.3 Nguyên tắc lặp .............................................................................................89 6.2 TÁCH SÓNG LẶP NHIỀU NGƯỜI DÙNG TRONG KÊNH PHA ĐINH ĐA ĐƯỜNG .................................................................................................................91 6.2.1 Mô hình hệ thống ................................................................................................91 6.2.2 Tách sóng lặp nhiều người dùng .........................................................................94 6.2.2.1 Tách sóng nhiều người dùng ở lần lặp đầu tiên ..........................................97 6.2.2.2 Mã hóa FEC.................................................................................................98 6.2.2.3 Kỹ thuật lựa chọn trước ...............................................................................98 6.2.2.4 Tách sóng nhiều người dùng với số lần lặp lớn hơn 1 ..............................100 6.2.2.5 Nguyên tắc tách sóng nhiều người dùng Turbo.........................................101 6.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG..............................................................................................102 KẾT LUẬN.......................................................................................................................107 TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................108 PHỤ LỤC: Mà NGUỒN MATLAB CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ....................PL1 iii DACH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt AMPS Tiếng Anh Nghĩa Advanced Mobile Phone System Hệ thống điện thoại di động tiên tiến APP A Posteriori Probability Xác suất hậu nghiệm ARQ Automatic Repeat reQuest Yêu cầu phát lại tự động BC Broadcast Channel Kênh quảng bá BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BSC Binary Symmetric Channel Kênh đối xứng nhị phân CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CDPD Cellular Digital Packet Data Dữ liệu gói số tế bào CLPC Close-Loop Power Control Điều khiển công suất vòng kín CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CSMA Carrier Sense Multiple Access Đa truy nhập cảm nhận sóng mang Defense Advanced Research Cơ quan nghiên cứu của Bộ Quốc Projects Agency phòng Mỹ Digital Enhanced Cordless Điện thoại không dây kéo dài thuê Telephone bao tăng cường số DS Direct Sequence Chuỗi trực tiếp DS-CDMA Direct Sequence - Code Division Đa truy nhập phân chia theo mã Multiple Access chuỗi trực tiếp DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp ETACS Extended Total Access Hệ thống truyền thông truy nhập Communications System hoàn toàn mở rộng DARPA DECT 1 FCC Federal Communication Comission Ủy ban Truyền thông liên bang FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi thuận FH Frequency Hopping Nhảy tần FH-CDMA Frequency Hopping - Code Division Đa truy nhập phân chia theo mã Multiple Access nhảy tần FM Frequence Modulation Điều tần GD Greedy Detection Tách sóng Greedy GEO Geostationary Earth Orbit Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn communication cầu HDVA Hard-Decision Viterbi Algorithm Thuật toán Viterbi quyết định cứng HIC Hybrid Interference Cancellation Loại bỏ nhiễu lan ghép HIMR Hybrid Iterative Multiuser Receiver Máy thu lặp nhiều người dùng kết hợp High Performance Radio Local Mạng truy nhập cục bộ vô tuyến Access Network chất lượng cao IC Interference Cancellation Loại bỏ nhiễu IEEE Institute of Electrical and Electronics Viện Kỹ thuật Điện và Điện tử HIPERLAN Engineers IS-136 Interim Standard-136 Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA cải tiến của Mỹ IS-54 Interim Standard-54 Tiêu chuẩn thông tin di động TDMA của Mỹ IS-95 Interim Standard-95 Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA của Mỹ 2 ISI InterSymbol Interference Nhiễu giữa các ký hiệu ISM Industrial, Scientific, and Medical Công nghiệp, Khoa học và Y tế JD Joint Detection Tách sóng kết hợp LAN Local Area Network Mạng cục bộ LEO Low Earth Orbit Vệ tinh quỹ đạo thấp LLR Log-Likelihood Ratio Tỷ số log-likelihood LMDS Local Multipoint Distribution Hệ thống phân phối đa điểm nội Systems hạt MAC MultiAccess Đa truy nhập MAI Multiple Access Interference Nhiễu đa truy nhập MAP Maximum a Posteriori Hậu nghiệm tối đa MC-CDMA MultiCarrier-Code Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo mã - Access Đa sóng mang MEO Medium Earth Orbit Vệ tinh quỹ đạo trung bình MIMO Multiple-Input Multiple-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra ML Maximum Likelihood Khả năng lớn nhất MLSSE Maximum Likelihood Symbol-by- Tính toán ký hiệu dựa trên ký hiệu Symbol Estimation khả năng lớn nhất Multichannel Multipoint Distribution Dịch vụ phân phối đa điểm đa Services kênh Minimum Mean Squared Error Sai số bình phương trung bình MMDS MMSE cực tiểu MultiTone-Code Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo mã - Access Đa âm MUD MultiUser Detection Tách sóng nhiều người dùng MUI MultiUser Interference Nhiễu nhiều người dùng NFR Near - Far Ratio Tỷ số hiệu ứng gần - xa MT-CDMA 3 Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số Multiplexing trực giao OLPC Open-Loop Power Control Điều khiển công suất vòng hở PDC Personal Digital Communications Truyền thông số cá nhân PIC Parellel Interference Cancellation Loại bỏ nhiễu song song PM Phase Modulation Điều pha PSML Pre-Selection Maximum Likelihood Khả năng lớn nhất lựa chọn trước RBF Radial Basis Function Hàm cơ bản radial RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RSC Recursive Systematic Convolutional Bộ mã hóa chập đệ quy có hệ encoder thống Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo OFDM SDMA không gian SDVA Soft-Decision Viterbi Algorithm Thuật toán Viterbi quyết định mềm SIC Successive Interference Loại bỏ nhiễu lần lượt Cancellation SIR Signal to Interference ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SISO Soft-Input Soft-Output Đầu vào mềm Đầu ra mềm SOVA Soft-Ouput Viterbi Algorithm Thuật toán Viterbi đầu ra mềm SRBF Sub-optimal Radial Basis Function Hàm cơ bản radial gần tối ưu SSMA Spread Spectrum Multiple Access Đa truy nhập trải phổ TACS Total Access Communications Hệ thống truyền thông truy nhập System toàn bộ TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TH Time Hopping Nhảy thời gian 4 TPC Transmitter Power Control Điều khiển công suất máy phát U-NII Unlicensed National Information Cơ sở hạ tầng thông tin quốc gia Infrastructure không cấp phép Wideband-Code Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo mã Access băng rộng Worldwide Interoperability for Liên kết hoạt động toàn cầu cho Microwave Access truy nhập vô tuyến siêu cao tần WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây ZF-DF Zero-Forcing - Decision-Feedback Cưỡng bức-Không - Phản hồi- W-CDMA WiMAX Quyết định 5 MỞ ĐẦU Truyền thông không dây (Wireless Communication) là một trong các lĩnh vực phát triển nhanh nhất của ngành viễn thông. Các hệ thống tế bào (Cellular system) đã phát triển đáng kinh ngạc trong thập kỷ qua với số lượng thuê bao lên tới 2 tỷ người trên toàn thế giới. Sự phát triển bùng nổ của mạng, ứng dụng thiết bị không dây cho thấy một tương lai sáng sủa của truyền thông không dây. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật như việc thiết kế hệ thống mạng không dây quy mô lớn mà vẫn phải đảm bảo hiệu năng cần thiết để hỗ trợ phát triển các ứng dụng mới. Băng tần hữu hạn và sự thay đổi ngẫu nhiên của kênh không dây cũng đòi hỏi các ứng dụng đủ mạnh để chống lại sự suy giảm hiệu năng mạng. Một trong các giải pháp để khắc phục hạn chế trên là việc sử dụng hiệu quả, linh hoạt và tối ưu các phương pháp tách sóng. Tách sóng nhiều người dùng (Multiuser Detection) giải quyểt vấn đề giải điều chế những tín hiệu thông tin số ảnh hưởng lẫn nhau. Điện thoại tế bào, truyền thông vệ tinh, các đường truyền số liệu tốc độ cao, phát thanh truyền hình số, mạch vòng nội hạt không dây cố định... là một vài hệ thống truyền thông chịu ảnh hưởng của nhiễu nhiều người dùng (MutiUser Interference - MUI). Sự bắt buộc tổ hợp các tín hiệu trước khi phát đi bắt nguồn từ các thuộc tính không lý tưởng của môi trường truyền dẫn hoặc do quá trình ghép kênh đòi hỏi. Tách sóng nhiều người dùng (hay triệt nhiễu cùng kênh, giải điều chế đa người dùng, loại bỏ nhiễu...) khai thác đặc tính cấu trúc nhiễu nhiều người dùng để tăng hiệu quả việc sử dụng các tài nguyên vô tuyến. Trong các năm qua, nhiều phương pháp tách sóng nhiều người dùng được nghiên cứu và ứng dụng. Một số phương pháp tách sóng nhiều người dùng tiêu biểu là MLSE (Maximum Likelihood Sequence Estimation), MLSSE (Maximum Likelihood Symbol-by-Symbol Estimation), 6 PIC (Parallel Interference Cancellation), SIC (Succesive Interference Cancellation)... Gần đây, một kỹ thuật tách sóng nhiều người dùng đang được phát triển và ứng dụng là phương pháp tách sóng lặp (Iterative Detection). Phương pháp này đã được nghiên cứu áp dụng cho các hệ thống DS-CDMA, OFDM... mà thường được gọi là hệ thống thông tin di động thế hệ 4 (4G). Nghiên cứu, tìm hiểu cặn kẽ về phương pháp tách sóng lặp sẽ là tiền đề cho việc áp dụng phương pháp tách sóng này vào thực tế, đặc biệt trong các hệ thống nhiều người dùng. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu phương pháp tách sóng lặp - một phương pháp tách sóng nhiều người dùng - áp dụng vào hệ thống nhiều người dùng DSCDMA. Nội dung chính của đề tài bao gồm các chương sau: - Đặt vấn đề - Mã hóa và giải mã Turbo - Hệ thống nhiều người dùng DS-CDMA - Tách sóng nhiều người dùng - Tách sóng nhiều người dùng Turbo - Tách sóng lặp trong môi trường nhiều người dùng DS-CDMA Để hoàn thành được bản luận văn cao học này, tôi xin trân trọng cám ơn thầy giáo TS. Trịnh Anh Vũ đã dành nhiều thời gian hướng dẫn tôi từng bước thực hiện. Tôi cũng xin bày tỏ lòng cám ơn tới GS. Huỳnh Hữu Tuệ và các thầy giáo Khoa Điện tử - Viễn thông trong việc định hướng nghiên cứu, cung cấp tài liệu tham khảo và bổ sung cho tôi những kiến thức còn thiếu hụt trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin được gửi lời cám ơn đến gia đình, đồng nghiệp, bạn bè và đặc biệt là vợ tôi đã luôn bên cạnh hỗ trợ, động viên tôi thực hiện đề tài này. 7 Chương 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Năm 1948, Claude Shannon đã đưa ra một lý thuyết nổi tiếng về thông tin. Ông phát biểu rằng, dưới các điều kiện cho trước, có thể gửi dữ liệu trên một đường truyền với một độ tin cậy tùy ý bằng cách sử dụng mã hóa kênh. Tuy nhiên, giới hạn dung năng kênh phụ thuộc vào công suất tín hiệu và băng tần của dữ liệu phát và công suất tạp âm trên kênh. Shannon đề cập về dung năng kênh nhưng tuyệt nhiên không đề cập đến bằng cách nào để đạt được dung năng kênh đó. Trong vòng 50 năm qua, các nhà khoa học đã cố gắng tìm ra một loại mã để chứng minh lý thuyết của Shannon là đúng. Một vài mã tốt được tìm ra, nhưng chúng vẫn không đạt tới gần với giới hạn mà Shannon đưa ra. Đã có lúc mọi người nghĩ rằng việc tìm ra loại mã đó trở lên vô vọng, thể hiện qua câu nói nổi tiếng của J.Wolfowitz: "Tất cả các loại mã đều tốt, ngoại trừ những loại mã mà chúng ta đã tìm ra" (All codes are good, except the ones we can think of). Nhưng chỉ khi chúng ta bắt đầu tuyệt vọng về việc tìm ra một loại siêu mã (super-code) như vậy thì vào năm 1993, Berrou, Glavieux và Thitimajshima đã đề xuất một kỹ thuật mã hóa tiếp cận rất gần giới hạn Shannon [5]. Kỹ thuật mã hóa này có tên gọi là Turbo và loại mã tương ứng được gọi là mã Turbo (Turbo codes). Thay vì việc nghiên cứu các loại mã cổ điển thì việc khám phá ra mã Turbo được một số nhà nghiên cứu coi như là sự phục hưng của mã hóa kênh. Mã Turbo không thực sự ứng dụng nhiều cho mã hóa mà là ứng dụng cho giải mã. Sau được khi tìm ra, nguyên tắc Turbo cũng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của ngành xử lý tín hiệu, như sửa lỗi và tách sóng nhiều người dùng. Bản chất của mã hóa Turbo là mã hóa ghép nối và giải mã lặp [14]. 1.1 ĐỊNH LÝ SHANNON VỀ DUNG NĂNG KÊNH Để hiểu sự cần thiết phải sử dụng các lược đồ mã hóa, chúng ta sẽ thảo luận về định lý Shannon. 8 Định lý Shannon về dung năng của một kênh tạp âm Gauss trắng cộng (AWGN), phát biểu rằng, tốc độ truyền tin tin cậy lớn nhất được xác định bằng: ⎛ ⎛ E R⎞ C P ⎞ ⎟⎟ = log 2 ⎜⎜1 + b ⎟⎟ = log 2 ⎜⎜1 + W N W N W 0 0 ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (bit ) (1.1) Trong đó: - C: dung năng kênh (bit/s) - W: độ rộng băng tần truyền tin (Hz) - P = EbR: công suất tín hiệu (W) - N0: mật độ phổ công suất tạp âm đơn biên (W/Hz) - Eb: năng lượng bit của tín hiệu máy thu (J) - R: tốc độ dữ liệu (bit/s) Như vậy, dung năng C là tốc độ cực đại mà thông tin có thể được gửi đi trên một kênh với độ tin cậy cao tùy ý, nếu nguồn phù hợp với kênh. Ở điều kiện lý tưởng, tốc độ truyền R bằng với dung năng kênh C. Nếu đặt R=C ở biểu thức (1.1) thì đối với một hệ thống lý tưởng chúng ta có: ⎡ E ⎛ C ⎞⎤ C = log 2 ⎢1 + b ⎜ ⎟⎥ W ⎣ N 0 ⎝ W ⎠⎦ (1.2) Giải phương trình (1.2) đối với Eb/N0, chúng ta sẽ tìm được mối liên hệ giữa Eb/N0 và C/W=R/W. E b 2C / W − 1 = N0 C/W (1.3) Mối quan hệ này được thể hiện trên hình 1.1. Shannon chứng minh rằng, nếu tốc độ dữ liệu R mà nhỏ hơn dung năng kênh C thì có thể truyền tin không lỗi có sử dụng mã hóa. Chúng ta có: ⎛ E P ⎞ 2C / W − 1 ⎟⎟ và b ≥ R ≤ W log 2 ⎜⎜1 + N0 C/ W ⎝ N0W ⎠ 9 (1.4) 50 45 40 35 Eb/N0 (dB) 30 25 20 15 10 5 0 -5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102 C/W (bit/Hz) Hình 1.1 Sự cân đối công suất - băng tần đối với truyền tin không lỗi trên kênh có tạp âm và bị giới hạn băng tần Áp dụng các biểu thức này vào hình 1.1, chúng ta thấy rằng, tại các điểm phía dưới và bên phải của đường cong, không có sự mã hóa nào sẽ đạt hoàn toàn khả năng truyền tin tin cậy. Tại các điểm phía trên và bên trái của đường cong, truyền tin có thể không bị lỗi, nhưng có thể chi phí rất cao. Trong hình 1.1, vùng có R/W>1 được gọi là vùng bị giới hạn băng tần và vùng mà R/W<1 được gọi là vùng bị giới hạn công suất. Điều này có nghĩa rằng nếu bit/s/Hz lớn hơn 1 thì lược đồ hiệu quả về mặt sử dụng băng tần, trong khi bit/s/Hz nhỏ hơn 1 thì lược đồ hiệu quả về mặt sử dụng công suất. Trong thảo luận ở trên về dung năng kênh đều giả sử các khối bit có độ dài tùy ý. Tuy nhiên, trong thực tế lại sử dụng khối có độ dài hữu hạn. Đường cong Shannon không chỉ ra xác suất lỗi nhỏ nhất trong trường hợp này, mặc dù đối với mọi lược đồ độ dài khối hữu hạn phải tồn tại một xác suất lỗi nhỏ nhất nằm dưới ngưỡng mà lược đồ không mã hóa có thể thực hiện. Trong các trường hợp như vậy, 10 thường tăng Eb/N0 hoặc tăng độ dài khối để có được xác suất lỗi bit thấp hơn. Cũng phải nhớ rằng trong các vùng nằm dưới hoặc bên phải của đường cong Shannon, truyền tin vẫn có thể thực hiện, mặc dù có lỗi bit không thể khắc phục được. Điều này không phải là vấn đề tồi, vì rằng trong hầu hết các trường hợp thực tế đều tồn tại một lượng lỗi bit có thể chấp nhận được thay vì không có bất kỳ lỗi nào [14]. 1.2 DUNG NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY NHIỀU NGƯỜI DÙNG Hệ thống nhiều người dùng (multiuser system) là hệ thống mà tài nguyên được chia sẻ hay dùng chung cho nhiều người dùng. Tài nguyên ở đây chúng ta phải hiểu rằng đó là tần số, thời gian và không gian mã. Một hệ thống mà nhiều người chia sẻ đây đủ tài nguyên hệ thống đó là hệ thống CDMA. Khi nhiều người dùng cùng chia sẽ một kênh thì dung năng kênh không còn có tính chất như khi chỉ có một người dùng. Xét ở mức độ cao nhất, nếu chỉ một người dùng chiếm toàn bộ các chiều truyền tin trên kênh thì dung năng kênh giảm xuống tới dung năng người dùng đơn. Trong hệ thống truyền thông nhiều người dùng DS-CDMA, dung năng của hệ thống phụ thuộc vào mức độ hoạt động đồng thời của nhiều người dùng trong hệ thống. Khi máy thu của người dùng sử dụng tách sóng đơn người dùng (single-user detection) hay tách sóng thông thường (conventional detection), các tín hiệu của người dùng khác xuất hiện như là nhiễu tại máy thu của người dùng đó. Khi số lượng người dùng gây nhiễu tăng lên, sự tập trung của nhiễu đa truy nhập MAI trở thành một nhân tố làm giới hạn dung năng và hiệu năng của hệ thống. Mặt khác, nhiễu này làm tăng độ lợi xử lý khi số lượng người dùng lớn. Tuy nhiên, điều này cũng đòi hỏi tăng băng tần. Một nhân tố quan trọng khác gây ra sự tập trung nhiễu MAI là tác động của hiệu ứng gần-xa. Do hệ thống DS-CDMA thông thường bị giới hạn chủ yếu do nhiễu nên việc giảm nhẹ ảnh hưởng của nhiễu MAI có thể cải thiện đáng kể dung năng của hệ thống. Một số phương pháp cải thiện ảnh hưởng của nhiễu như sau [15]: 11 o Thiết kế dạng sóng mã o Điều khiển công suất o Mã hóa FEC o Ăng ten sector/thích nghi o Phân tập nhiều người dùng o Tách sóng nhiều người dùng 1.3 TÁCH SÓNG NHIỀU NGƯỜI DÙNG Chúng ta biết rằng, kỹ thuật tách sóng một người dùng thông thường được sử dụng trong môi trường không có nhiễu đa truy nhập. Như vậy, các máy thu này có hiệu năng rất thấp trong hệ thống nhiều người dùng. Tách sóng nhiều người dùng có thể khai thác cấu trúc tín hiệu nhiều người dùng và tách tất cả dữ liệu nhiều người dùng đồng thời. Tách sóng nhiều người dùng có hai đặc điểm nổi trội: - Giảm nhiễu đa truy nhập để cải thiện dung năng hệ thống - Giảm thiểu hiệu ứng gần-xa Tách sóng nhiều người dùng được phân loại thành một số loại khác nhau, chi tiết cụ thể sẽ được đề cập trong Chương 4. Bảng 1.1 so sánh một số loại lược đồ tách sóng nhiều người dùng. Bảng 1.1 Đặc điểm một số loại lược đồ tách sóng nhiều người dùng Lược đồ tách sóng Ưu điểm Nhược điểm Tách sóng thông thường - Đơn giản - Dung năng thấp Tách sóng tối ưu - Dung năng cao - Độ phức tạp tính toán tăng theo hàm mũ Tách sóng giải tương quan - Chống được hiệu ứng gần-xa - Độ phức tạp tính toán tăng theo tuyến tính - Độ lợi dung năng lớn đường thẳng - BER rất kém ở SNR thấp Tách sóng MMSE tuyến tính - BER tốt hơn tách sóng giải - Đòi hỏi tính toán biên độ tương quan tuyến tính ở SNR thấp - Đòi hỏi tính toán ma trận chuyển đổi 12 Loại bỏ nhiễu - Độ lợi dung năng cao khi được - Cần tính toán biên độ chính xác điều khiển công suất cân bằng Loại bỏ nhiễu liên tiếp - Chống được hiệu ứng gần xa - Trễ bit ở mỗi khâu loại bỏ nhiễu Từ bảng 1.1 chúng ta thấy rằng, lược đồ tách sóng nào tăng đáng kể dung năng kênh thì lại có nhược điểm là độ phức tạp tính toán lại lớn hoặc ngược lại. Như vậy, chúng ta cần phải tìm một lược đồ tách sóng nhiều người dùng mà cân bằng (trade off) được giữa việc tăng dung năng hệ thống và giảm độ phức tạp tính toán. Kỹ thuật tách sóng lặp nhiều người dùng là kỹ thuật đáp ứng được yêu cầu trên. 1.4 TÁCH SÓNG LẶP NHIỀU NGƯỜI DÙNG Trong các máy thu nhiều người dùng thông thường, MUD và mã hóa kênh là hai thành phần riêng rẽ như mô tả trong hình 1.2(a). Gần đây, sau sự phát triển mạnh mẽ của mã Turbo, nguyên tắc Turbo được mở rộng như là một kỹ thuật thu. Các nhà nghiên cứu tìm ra rằng sự tổ hợp của mã hóa kênh và các phần tử khác trong máy thu (tách sóng, ước lượng kênh, đồng bộ) mang lại một độ lợi hiệu năng lớn lao. Máy thu được cấu trúc theo nguyên tắc Turbo được gọi là máy thu lặp hay máy thu Turbo. Mục tiêu của luận văn này là tập trung vào sự tổ hợp của MUD và mã hóa kênh. Trước đây đã có một vài nghiên cứu trong lĩnh vực này: phát triển bộ tách sóng lặp cho các hệ thống CDMA mã hóa chập, nhưng điều này thực hiện rất phức tạp, phải thực hiện 2K lần phép tính cho một lần lặp (K là số người dùng). Một số dạng máy thu lặp khác cũng đã được phát triển để giảm thiểu độ phức tạp tính toán. Cho đến nay tách sóng nhiều người dùng Turbo mang lại sự hứa hẹn lớn dựa trên tách sóng loại bỏ nhiễu (IC), đặc biệt là PIC. Có hai loại mã hiệu chỉnh lỗi thuận (FEC) được dùng cho MUD Turbo là: mã chập và mã Turbo. Một số nhà nghiên cứu đã đề xuất cấu trúc các máy thu lặp sử dụng tách sóng nhiều người dùng và bộ giả mã chập. Như đề cập ở trên, sự thu lặp được đưa ra dựa trên nguyên tắc giải mã Turbo. Như vậy, một điều dễ hiểu là cách thức này thay thế cho một bộ giải mã một thành phần bằng bộ tách sóng nhiều người dùng (xem hình 1.2(b)). Trong cấu trúc máy thu lặp này, hiệu năng liên tục được cải thiện với số lần lặp tăng lên đến từ các kết quả tách sóng được sử dụng lại. Như vậy, nguồn tín hiệu càng tốt hơn cho bộ giải mã thì dữ liệu được tách sóng 13 càng chính xác. Hình 1.2(c) thể hiện cấu trúc máy thu lặp sử dụng bộ giải mã Turbo. Có hai kiểu lặp được thực hiện trong máy thu này. Khâu lặp ngoài sau trao đổi thông tin giữa bộ tách sóng nhiều người dùng và bộ giải mã Turbo; khâu lặp trong trao đổi thông tin ngoại lai giữa hai bộ giải mã thành phần [9]. TÝn hiÖu thu Bé t¸ch sãng nhiÒu ng−êi dïng KÕt qu¶ t¸ch sãng KÕt qu¶ gi¶i m· Bé gi¶i m· kªnh (a) TÝn hiÖu thu Bé t¸ch sãng nhiÒu ng−êi dïng KÕt qu¶ t¸ch sãng KÕt qu¶ gi¶i m· Bé gi¶i m· chËp (b) TÝn hiÖu thu Bé t¸ch sãng nhiÒu ng−êi dïng KÕt qu¶ t¸ch sãng Bé gi¶i m· thµnh phÇn 1 Th«ng tin ngo¹i lai Bé gi¶i m· thµnh phÇn 2 (c) KÕt qu¶ gi¶i m· Bé gi¶i m· Turbo Hình 1.2: (a) Máy thu nhiều người dùng thông thường; (b) MUD kết hợp và giải mã chập; (c) MUD kết hợp và giải mã Turbo 1.5 KẾT CẤU LUẬN VĂN Với những nội dung đề cập ở trên, chúng ta thấy rằng, một hệ thống nhiều người dùng điển hình nhất là hệ thống DS-CDMA; kỹ thuật tách sóng lặp nhiều người dùng cơ bản nhất là tách sóng lăp nhiều người dùng Turbo. Do đó, nội dung chính của luận văn sẽ tập trung nghiên cứu về tách sóng nhiều người dùng Turbo trong hệ thống nhiều người dùng DS-CDMA, một ứng dụng của tách sóng lặp trong môi trường không dây nhiều người dùng. Kết cấu luận văn được thể hiện trên hình 1.3. 14 Ph−¬ng ph¸p t¸ch sãng lÆp ¸p dông vμo m«i tr−êng truyÒn th«ng kh«ng d©y nhiÒung−êi dïng Ch−¬ng 1 §Æt vÊn ®Ò Ch−¬ng 2 M· hãa vμ gi¶i m· Turbo Ch−¬ng 3 Ch−¬ng 4 HÖ thèng nhiÒu ng−êi dïng DS-CDMA T¸ch sãng nhiÒu ng−êi dïng Ch−¬ng 5 T¸ch sãng nhiÒu ng−êi dïng Turbo Ch−¬ng 6 T¸ch sãng lÆp trong m«i tr−êng nhiÒu ng−êi dïng DS-CDMA Hình 1.3 Kết cấu luận văn 15 Chương 2 Mà HÓA VÀ GIẢI Mà TURBO 2.1 TỒNG QUAN VỀ Mà ĐIỀU KHIỂN LỖI Năng lượng, thời gian và dải thông của tín hiệu là các tài nguyên cơ bản trong truyền thông. Đối với một môi trường truyền thông xác định, ba tài nguyên này có sự xung khắc với nhau. Trong từng hoàn cảnh cụ thể cần có sự kết hợp hài hòa, cân bằng giữa các tài nguyên này. Tức là chúng ta phải làm sao đạt được việc truyền dữ liệu lớn nhất trong độ rộng dải thông bé nhất mà vẫn giữ được chất lượng cho phép. Chất lượng truyền dẫn trong truyền thông số có liên quan chặt chẽ đến xác suất lỗi bit, Pe, ở thiết bị thu. Định luật Shannon về dung năng kênh truyền giải thích hai vấn đề. Thứ nhất quan hệ giữa dải thông và công suất tín hiệu trong một hệ thống lý tưởng; thứ hai là giới hạn lý thuyết tốc độ truyền dữ liệu (không có lỗi) từ máy phát với công suất cho trước qua một kênh có dải thông xác định, hoạt động trong môi trường có tạp âm. Tuy nhiên giới hạn này chỉ xác định được nếu biết sơ đồ mã. ARQ Dõng vµ ®îi FEC ARQ liªn tôc N lÇn lÆp M· chËp M· khèi LÆp chän läc M· phi tuyÕn M· tuyÕn tÝnh M· kh«ng vßng M· vßng Golay BCH ReadSolomon BCH nhÞ ph©n Hamming (e = 1) e>1 Hình 2.1 Phân loại mã điều khiển lỗi Mã điều khiển lỗi (còn được gọi là mã kênh) được sử dụng để xác định và sửa lỗi các ký hiệu thu có lỗi. Việc phát hiện lỗi có thể được xem như là bước đầu tiên 16 của việc sửa lỗi. Mã điều khiển lỗi gồm 2 loại: mã ARQ (yêu cầu phát lại tự động) và FEC (sửa lỗi thuận). Phân loại chi tiết các mã này được thể hiện trên hình 2.1. 2.1.1 Khái niệm điều khiển tỷ số lỗi Đại lượng hay dùng liên quan đến lỗi là tỷ số lỗi bit (BER) và xác suất lỗi bit (Pb). Pb là xác suất của số nhị phân bất kỳ được phát đi bị lỗi. Tỷ số lỗi bit là tỷ số trung bình các lỗi xuất hiện và được tính bằng Pb.Rb, trong đó Rb là tốc độ truyền dẫn. Các giải pháp giảm tỷ số lỗi bit như sau: - Tăng công suất phát; - Phân tập, đặc biệt hiệu quả với các lỗi cụm (burst) do sự suy giảm tín hiệu; - Truyền dẫn song công hoàn toàn đối với BER lớn, sử dụng 2 băng tần truyền dẫn đơn hướng; - Sử dụng mã ARQ; - Sử dụng mã FEC. FEC đã tận dụng được sự khác nhau giữa tốc độ bit thông tin Rb (hoặc tốc độ truyền dẫn) và dung năng lớn nhất của kênh Rmax xác định trong định lý Shannon. Pb có thể giảm đi, và phải trả giá về độ trễ khi truyền, bằng việc sử dụng FEC cho khối có độ dài đủ lớn hoặc độ dài ràng buộc lớn. Độ trễ tăng là do phải tập hợp các khối dữ liệu lại để truyền đi và thời gian chi phí khảo sát các khối dữ liệu nhận được để sửa lỗi. Tuy nhiên ưu điểm của việc điều khiển lỗi vẫn nhiều hơn so với nhược điểm của nó. 2.1.2 Hiện tượng ngưỡng Hình 2.2 minh họa tỷ số lỗi của hệ thống không mã hóa và mã hóa FEC. Xác suất lỗi Pb được biểu diễn theo tỷ số năng lượng bit trên mật độ phổ công suất tạp âm, (Eb/N0). Với FEC, đại lượng Pb vẽ theo Eb/N0 cong hơn. Nếu như đại lượng SNR đạt giá trị tương ứng với Eb/N0 khoảng 6 dB thì tỷ số lỗi bit hầu như bằng 0. Nhìn vào hình 2.2 ta thấy được trong trường hợp mã hóa Pb giảm nhanh hơn trong trường hợp không mã hóa. Điều này tương tự như hiện tượng ngưỡng khi điều 17