Tài liệu Nghiên cứu giải thuật tách sóng kết hợp với phân tập thu cho các hệ thống cdma

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------------------- NGUYỄN THỊ THU HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT TÁCH SÓNG KẾT HỢP VỚI PHÂN TẬP THU CHO CÁC HỆ THỐNG CDMA Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2009 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. HỒ VĂN KHƯƠNG Ký tên: Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. PHAN HỒNG PHƯƠNG Ký tên: Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN Ký tên: Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 30 tháng 12 năm 2009 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. PSG.TS.LÊ TIẾN THƯỜNG 2. TS.PHAN HỒNG PHƯƠNG 3. TS.ĐỖ HỒNG TUẤN 4. TS.LƯU THANH TRÀ 5. TS.NGUYỄN MINH HOÀNG 6. ThS.HỒ TRUNG MỸ Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp. HCM, ngày tháng năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: NGUYỄN THỊ THU HÀ Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 04/03/1981 Nơi sinh: Bình Thuận Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử MSHV: 01407336 Khóa: 2007 I- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT TÁCH SÓNG KẾT HỢP VỚI PHÂN TẬP THU CHO CÁC HỆ THỐNG CDMA II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG - Giới thiệu sự cần thiết phải tách sóng liên kết trong hệ thống CDMA. - Giới thiệu các lý thuyết liên quan để phục vụ nghiên cứu các phương pháp tách sóng. - Nghiên cứu các giải thuật tách sóng kết hợp với phân tập anten thu cho các hệ thống CDMA. - Viết chương trình mô phỏng các phương pháp tách sóng bằng Mathlab và so sánh các phương pháp. III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 22/06/2009 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/11/2009 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. HỒ VĂN KHƯƠNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CN BỘ MÔN (Họ tên và chữ ký) QL CHUYÊN NGHÀNH LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin gửi đến TS. Hồ Văn Khương lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc nhất. Trong những ngày đầu thầy đã giới thiệu, định hướng giúp tôi nắm bắt được ý tưởng của đề tài một cách dễ dàng, cũng như trong quá trình thực hiện luận văn thầy sẵn sàng giải đáp những thắc mắc một cách nhanh chóng, giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở trường Đại học Bách Khoa đã truyền đạt kiến thức trong những năm học vừa qua. Tôi xin cảm ơn các anh chị và các bạn cùng khóa Cao học 2007 đã cùng đồng hành với tôi trong thời gian học tại trường. Cuối cùng, tôi cũng xin cảm ơn đến gia đình đã giúp đỡ tối rất nhiều để tôi hoàn thành mục tiêu đề ra. TP HCM, ngày tháng Nguyễn Thị Thu Hà năm 2009 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Toàn bộ luận văn được chia làm 5 phần: Phần 1: Giới thiệu sự cần thiết phải tách sóng liên kết trong hệ thống CDMA, nêu tình hình nghiên cứu hiện tại và đồng thời cũng đưa ra các phương pháp tách sóng mà ta sẽ nghiên cứu trong phạm vi luận văn này. Phần 2: Trình bày các lý thuyết liên quan khi nghiên cứu việc tách sóng liên kết trong hệ thống CDMA, bao gồm lý thuyết về môi trường truyền dẫn vô tuyến (các kênh fading), xem xét lý thuyết về phân tập thu và ưu điểm của phân tập thu, giới thiệu về công nghệ CDMA, các chuỗi trải phổ sử dụng trong công nghệ CDMA, giới thiệu trải phổ trực tiếp và ứng dụng đa truy xuất. Đồng thời trong phần này cũng nêu ra phương pháp tách sóng sử dụng trong bộ thu truyền thống. Phần 3: Trình bày các giải thuật tách sóng mà phạm vi luận văn này nghiên cứu, trong đó cũng đưa ra mô hình hệ thống sử dụng chung ở các giải thuật tách sóng và đi cụ thể 6 phương pháp tách sóng bao gồm DMF, DMF-BDFE, ZF-BLE, ZFBDFE, MMSE-BLE, MMSE-BDFE. Phần 4: Kết quả mô phỏng, phần này ta sẽ mô phỏng xác suất lỗi bit theo tỉ số SNR cho trước của các phương pháp tách sóng đã giới thiệu. Bằng cách tạo ra các chuỗi bit truyền, dùng các giải thuật tách sóng để xác định bit thu, so sách bit phát và bit thu để xác định lỗi bit. Phần 5: Từ kết quả mô phỏng ta đưa ra kết luận, đồng thời cũng nêu một số hạn chế của đề tài và hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo của đề tài. MỤC LỤC Danh sách các hình Thuật ngữ - viết tắt Ký hiệu Abstract PHẦN 1. GIỚI THIỆU .......................................................................................................... 1 1.1 SỰ CẦN THIẾT KỸ THUẬT TÁCH SÓNG LIÊN KẾT TRONG HỆ THỐNG CDMA ............................................................................................................................... 1 1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN TẠI............................................................... 2 PHẦN 2. CÁC LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ......................................................................... 8 2.1 KÊNH FADING .................................................................................................... 8 2.1.1 CÁC KÊNH FADING ................................................................................... 8 2.1.2 FADING DIỆN HẸP VÀ ĐA ĐƯỜNG (SMALL SCALE FADING AND MULTIPATH):.............................................................................................................. 9 2.1.3 MÔ HÌNH ĐÁP ỨNG XUNG CỦA KÊNH FADING............................... 14 2.1.4 CÁC LOẠI FADING DIỆN HẸP ............................................................... 17 2.1.5 FADING PHẲNG (FLAT FADING).......................................................... 18 2.1.6 FADING LỰA CHỌN TẦN SỐ (FREQUENCY SELECTIVE FADING)18 2.2 PHÂN TẬP THU................................................................................................. 19 2.2.1 TRƯỜNG HỢP 1 ANTEN THU................................................................. 20 2.2.2 TRƯỜNG HỢP 2 ANTEN THU................................................................. 22 2.2.3 TRƯỜNG HỢP N ANTEN THU................................................................ 24 2.3 GIỚI THIỆU VỀ CDMA..................................................................................... 25 2.3.1 KỸ THUẬT TRẢI PHỔ.............................................................................. 25 2.3.2 CHUỖI PN................................................................................................... 26 2.3.3 CHUỖI GOLD............................................................................................. 27 2.3.4 CHUỖI KASAMI ........................................................................................ 28 2.3.5 CÁC HÀM TRỰC GIAO ............................................................................ 29 2.3.6 CÁC LOẠI TRẢI PHỔ VÀ TRẢI PHỔ TRỰC TIẾP................................ 30 2.3.7 KỸ THUẬT ĐA TRUY XUẤT PHÂN CHIA THEO MÃ (CDMA):........ 35 2.3.8 BỘ THU TRUYỀN THỐNG ...................................................................... 38 PHẦN 3. CÁC GIẢI THUẬT TÁCH SÓNG VỚI PHÂN TẬP ANTEN THU KẾT HỢP TRONG HỆ THỐNG CDMA ............................................................................................. 43 3.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ................................ 43 3.1.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG............................................................................... 43 3.1.2 KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA THUẬT TOÁN TÁCH SÓNG .................... 49 3.2 BỘ LỌC THÍCH ỨNG GIẢI TƯƠNG QUAN (DMF) ...................................... 51 3.3 BỘ LỌC THÍCH ỨNG GIẢI TƯƠNG QUAN KẾT HỢP VỚI HỒI TIẾP QUYẾT ĐỊNH (DMF-BDFE) ......................................................................................... 54 3.4 BỘ CÂN BẰNG TUYẾN TÍNH KHỐI CƯỠNG BỨC ZERO (ZF-BLE) ........ 58 3.5 BỘ CÂN BẰNG CƯỠNG BỨC ZERO KẾT HỢP VỚI HỒI TIẾP QUYẾT ĐỊNH (ZF-BDFE)............................................................................................................ 61 3.6 BỘ CÂN BẰNG TUYẾN TÍNH TRUNG BÌNH BÌNH PHƯƠNG LỖI TỐI THIỂU (MMSE-BLE) ..................................................................................................... 63 3.7 BỘ CÂN BẰNG TRUNG BÌNH BÌNH PHƯƠNG LỖI TỐI THIỂU KẾT HỢP VỚI HỒI TIẾP QUYẾT ĐỊNH (MMSE-BDFE) ............................................................ 66 PHẦN 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG...................................................................................... 68 PHẦN 5. KẾT LUẬN, TỒI TẠI VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ................... 78 5.1 KẾT LUẬN.......................................................................................................... 78 5.2 TỒN TẠI.............................................................................................................. 78 5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............................................................... 78 PHỤ LỤC ............................................................................................................................ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................... 81 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1: Các phương pháp tách sóng đa user............................................................5 Hình 1.2: Các phương pháp tách sóng sử dụng trong bộ thu CDMA.........................5 Hình 2.1: Các loại fading trong môi trường truyền dẫn vô tuyến...............................8 Hình 2.2: Ví dụ minh họa về fading đa đường ...........................................................9 Hình 2.3: Phân bố Rayleigh ......................................................................................10 Hình 2.4: Phân bố Ricean..........................................................................................11 Hình 2.5: Mô hình kênh BU......................................................................................13 Hình 2.6: Ví dụ về dịch Doppler...............................................................................14 Hình 2.7: Mô hình đáp ứng xung rời rạc thời gian ...................................................15 Hình 2.8: Các loại fading diện hẹp............................................................................17 Hình 2.9: Kênh fading phẳng ....................................................................................18 Hình 2.10: Kênh fading lựa chọn tần số ...................................................................19 Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống thông tin CDMA sử dụng phân tập thu .........................20 Hình 2.12: Sơ đồ thu phát 1Tx, 1Rx .........................................................................20 Hình 2.13: Sơ đồ phân tập thu 1Tx, 2Rx ..................................................................22 Hình 2.14: Phân tập thu với 1Tx, NRx .....................................................................24 Hình 2.15: Mạch thanh ghi dịch................................................................................27 Hình 2.16: Bộ tạo chuỗi Gold cho cặp mong muốn g1(x) = x3 + x2 +1 và g2(x) = x3 +x +1 .........................................................................................................................28 Hình 2.17: Sơ đồ khối máy phát DS-SS BPSK ........................................................31 Hình 2.18: Tín hiệu phát s(t) .....................................................................................32 Hình 2.19: Sơ đồ khối máy thu DS-SS BPSK ..........................................................33 Hình 2.20: Các phương pháp đa truy xuất TDMA, FDMA và CDMA ....................35 Hình 2.21: Mô hình kênh CDMA đồng bộ ...............................................................36 Hình 2.22: Dãy bộ lọc thích ứng từng user...............................................................39 Hình 3.1: Cấu trúc đường uplink của hệ thống thông tin di động vô tuyến JDCDMA với phân tập anten thu kết hợp. ....................................................................43 Hình 3.2: Mô hình rời rạc theo thời gian của đường uplink của hệ thống thông tin di động vô tuyến JD-CDMA với CRAD.......................................................................47 Hình 3.3: Sơ đồ khối của bộ lọc thích ứng giải tương quan .....................................52 Hình 3.4: Bộ tách sóng sử dụng DMF ......................................................................54 Hình 3.5: Sơ đồ khối của DMF-BDFE .....................................................................56 Hình 3.6: Sơ đồ tách sóng dùng DMF-BDFE...........................................................58 Hình 3.7: Sơ đồ khối của ZF-BLE ............................................................................60 Hình 3.8: Sơ đồ khối ZF-BDFE ................................................................................63 Hình 3.9: Sơ đồ khối MMSE-BLE ...........................................................................65 Hình 3.10: Sơ đồ khối của MMSE-BDFE ................................................................67 Hình 4.1: Sơ đồ giải thuật mô phỏng ……………………………………………...69 Hình 4.2: Giao diện chính của chương trình:...........................................................72 Hình 4.3: Mô phỏng bộ tách sóng MF ......................................................................73 Hình 4.4: Mô phỏng bộ tách sóng DMF ...................................................................74 Hình 4.5: Mô phỏng các phương pháp tách sóng số user K=6, Ka=1,2 ...................75 Hình 4.6: Mô phỏng các phương pháp tách sóng với số user K=11, Ka=1,2...........76 Hình 4.7: Mô phỏng các phương pháp tách sóng số user K=16, Ka=1,2 .................77 CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AWGN Additive White Gaussian Noise BU Bad Urban CDMA Code Division Multiple Access CRAD Coherent Receiver Antenna Diversity DMF Decorrelating Matched Filter DMF-BDFE Decorrelating Matched Filter Block Decision Feedback Equalizer DS-SS Direct Sequence Spread Spectrum DWMF Decorrelating Whitening Matched Filter FDMA Frequency Division Multiple Access FH-SS Frequency Hopping Spread Spectrum IC Interference Cancellation ISI Intersymbol Interference JD Joint Detection MAI Multiple Access Interference MF Matched Filter ML Maximum- Likelihood MLSE Maximum-Likehood Sequence Estimation MMSE-BDFE Minimum Mean Square Error Block Decision Feedback Equalizer MMSE-BLE Minimum Mean Square Error Block Linear Equalizer OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PIC Parallel Interference Cancellation PN Pseudo Noise SIC Successive Interference Cancellation SUMF Single User Matched Filter TDMA Time Division Multiple Access TD-SCDMA Time division-synchronous CDMA TH-SS Time Hopping Spread Spectrum TU Typical Urban ZF-BDFE Zero Forcing Block Decision Feedback Equalizer ZF-BLE Zero Forcing Block Linear Equalizer KÝ HIỆU ⊕ Cộng modulo A* Liên hợp phức của ma trận A AT Chuyển vị của ma trận A Ai,j Phần tử hàng thứ i và cột thứ j của ma trận A Tri Ma trận tam giác trên E với các phần tử đường chéo bằng 0 Re(A) Phần thực A Diag Ma trận đường chéo A với các phần tử trên đường chéo là Ai,j ABSTRACT In code division multiple access (CDMA) mobile radio systems, both intersymbol interference (ISI) and multiple access interference (MAI) affect strongly the quality of service. When the number of users increase, the quality of service will decrease. Additionally, time variation of radio channels leads to receiver performance degradation. Traditional receivers consider unexpected users as noise, and that is why their performance is bad. Currently there are joint detection (JD) techniques under investigation. These techniques remove a part of MAI by considering its structure, leading to an improvement in the receiver performance. This thesis studies 6 famous JD techniques with receive spatial diversity for CDMA systems, used widely in third generation ones. Phần 1: Giới thiệu 1 ================================================================ PHẦN 1. GIỚI THIỆU 1.1 SỰ CẦN THIẾT KỸ THUẬT TÁCH SÓNG LIÊN KẾT TRONG HỆ THỐNG CDMA Trước đây, các hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng đa truy xuất phân chia theo thời gian và tần số ra đời đáp ứng nhu cầu thông tin trên toàn thế giới. Tuy nhiên, tài nguyên tần số là tài nguyên có giới hạn, chính vì vậy nó hạn chế trong việc tăng dung lượng hệ thống. Khi công nghệ CDMA ra đời, nó đã giải quyết được vấn đề hạn chế tài nguyên tần số vì công nghệ CDMA sử dụng đa truy cập phân chia theo mã, ta có thể tạo ra rất nhiều mã nếu ta muốn. Nhưng hiện nay dung lượng hệ thống CDMA vẫn bị giới hạn, câu hỏi đặt ra là nguyên nhân của nó và ta cần tìm cách khắc phục nó để đi đến một hệ thống có dung lượng cao nhất. Hai vấn đề chính phải được giải quyết trong hệ thống thông tin di động vô tuyến số là vấn đề đa truy cập (phát sinh từ việc truyền nhiều tín hiệu đồng thời với nhiều user tích cực được chia sẻ cùng môi trường truyền dẫn), và vấn đề cân bằng (phát sinh từ sự thay đổi thời gian và việc lựa chọn tần số các kênh di động vô tuyến). Như đã đề cập ở trên giải pháp hấp dẫn để giải quyết vấn đề đa truy cập là đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access – CDMA). Trong hệ thống thông tin di động vô tuyến CDMA, nhiễu đa truy cập (MAI) giữa các symbol dữ liệu của các user khác nhau xảy ra có thể được khắc phục bằng cách sử dụng công nghệ tách sóng hoặc loại bỏ nhiễu. Vì vậy, yêu cầu chủ yếu cho việc tách sóng trong hệ thống thông tin di động vô tuyến CDMA là cuộc chiến với cả MAI cũng như ISI. Các bộ thu CDMA hiện nay dựa trên nguyên tắc của bộ thu RAKE, bộ thu này xem các tín hiệu của các user khác như là nhiễu. Tuy nhiên, trong một bộ thu tối ưu thì tất cả các tín hiệu phải được tách ra và nhiễu từ tín hiệu của user khác phải được loại bỏ bằng việc tìm ra chúng từ tín hiệu mong muốn. Dung lượng của hệ thống CDMA trải phổ trực tiếp sử dụng bộ thu RAKE sẽ bị giới hạn bởi nhiễu, vì ================================================================ Thực hiện: Nguyễn Thị Thu Hà Phần 1: Giới thiệu 2 ================================================================ trong thực tế khi có một user mới hoặc nhiễu xuất hiện thì chất lượng dịch vụ của các user khác sẽ bị giảm và có thể đến mức không thể chấp nhận được. Trong bộ thu truyền thống như trên thì xuyên nhiễu giữa các user được xem như là nhiễu Gaussian trắng cộng. Trong thực tế, xuyên nhiễu giữa các user có cấu trúc được mô tả bằng ma trận tương quan chéo của chuỗi ký hiệu (chuỗi trải phổ). Vì bộ tách sóng có tính đến cấu trúc của xuyên nhiễu có thể cung cấp chất lượng tốt hơn bộ tách sóng bỏ qua và coi nó là nhiễu. Chính điều này đã thúc đẩy kỹ thuật tách sóng đa user (việc sử dụng thông tin chứa trong xuyên nhiễu cung cấp sự tách sóng tối ưu). Việc sử dụng tách sóng đa user mang lại những lợi ích sau: 1.2 - Cải tiến dung lượng. - Sử dụng phổ hiệu quả hơn. - Giảm yêu cầu điều khiển công suất nghiêm ngặt. - Sử dụng công suất hiệu quả hơn. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN TẠI Thuật toán tách sóng dùng để xử lý tất cả các user song song. Các thuật toán tách sóng thường phức tạp và tính toán lớn khi số lượng user tăng vì hầu hết các phép toán dựa trên ma trận và vector. Khi số lượng user tăng thì kích thước của các ma trận và các vector cũng tăng. Nhiễu đa truy cập (MAI) làm giới hạn dung lượng và chỉ tiêu hoạt động của hệ thống CDMA. Bộ tách sóng đa user tối ưu cải thiện chất lượng đáng kể so với bộ thu truyền thống, nhưng vướng phải độ phức tạp theo hàm mũ với số user nên không thể thực hiện được trong thực tế. Các bộ thu cận tối ưu thực hiện đơn giản hơn mà có thể đem lại chất lượng như bộ thu tối ưu bao gồm: Bộ tách tuyến tính, bộ triệt nhiễu,... ================================================================ Thực hiện: Nguyễn Thị Thu Hà Phần 1: Giới thiệu 3 ================================================================ Verdu là người đi tiên phong trong việc đưa ra bộ tách sóng tối ưu cho hệ thống CDMA vào năm 1986 [1], với mục đích giảm bớt ảnh hưởng của nhiễu đa truy cập (MAI) và bộ tách tuyến tính đa user cho kênh CDMA đồng bộ vào năm 1989 [2]. Ông chỉ ra rằng một cấu trúc tối ưu cho bộ tách sóng đa user có thể đạt được cùng mức chất lượng như bộ thu truyền thống với chỉ một user. Cấu trúc bộ thu này dựa trên tiêu chuẩn gần tối ưu nhất (Maximum-Likelihood – ML). Tiêu chuẩn ML dựa trên việc chọn bit vào làm tối thiểu khoảng cách Euclide giữa symbol phát và symbol thu. Tuy nhiên bộ tách sóng này quá phức tạp đối với các hệ thống CDMA thực tế. Do đó trong những năm gần đây hầu hết các nghiên cứu tập trung vào việc phân tích các bộ tách cận tối ưu có tính khả thi hơn mà chất lượng có thể đạt tới bộ thu tối ưu. Năm 1993 Klein và Paul đã giới thiệu thuật toán ước lượng tuyến tính và họ cũng chỉ ra rằng thuật toán ước lượng tuyến tính loại được nhiễu ISI và xuyên nhiễu, tuy nhiên cái giá phải trả là tỉ số SNR thấp [4]. Năm 1995, Peter và Josef đã tổng hợp đưa ra 6 phương pháp tách sóng mà ngày nay nó được sử dụng trong hệ thống CDMA băng rộng (WCDMA) [6], đó là các phương pháp DMF (Decorrelating Matched Filter), DMF-BDFE (Decorrelating Matched Filter Block Decision Feedback Equalizer), ZF-BLE (Zero Forcing Block Linear Equalizer ), ZF-BDFE (Zero Forcing Block Decision Feedback Equalizer), MMSE-BLE (Minimum Mean Square Error Block Linear Equalizer) và MMSEBDFE (Minimum Mean Square Error Block Decision Feedback Equalizer). Họ cũng đã chỉ ra rằng bộ cân bằng MMSE cho chỉ tiêu hoạt động tốt hơn các bộ cân bằng ZF, và các phiên bản hồi tiếp quyết định cũng thực hiện tốt hơn các phiên bản tuyến tính. Năm 1996 Klein and Paul tiếp tục giới thiệu tách sóng đa user bằng bộ cân bằng ZF BLE, ZF BDFE và MMSE BLE, MMSE BDFE trong hệ thống CDMA [7]. Trong đó họ đã giới thiệu bộ cân bằng khối tuyến tính ZF và MMSE, có hồi tiếp và không có hồi tiếp. Họ cũng cho thấy 4 bộ cân bằng này cho chỉ tiêu hoạt động tốt ================================================================ Thực hiện: Nguyễn Thị Thu Hà Phần 1: Giới thiệu 4 ================================================================ hơn bộ thu truyền thống và bộ lọc thích ứng trắng. Mức độ phức tạp của 4 phương pháp này tương đương nhau, và chỉ tiêu hoạt động của các bộ cân bằng MMSE thì tốt hơn các bộ cân bằng ZF. Năm 2001 Nicholas và Goran đã giới thiệu bộ tách sóng đa user mù trong hệ thống WCDMA có độ trải trễ lớn [8]. Năm 2002, Ee-Lin, Soon Xin và Lajos đã giới thiệu bộ tách và bộ triệt nhiễu dựa trên cơ chế CDMA thích ứng đột biến [9]. Trong đó họ đã giới thiệu các kỹ thuật tách sóng bao gồm bộ tách sóng dựa trên việc thích ứng đa truy xuất phân chia theo mã (JD-based adaptive CDMA), và bộ triệt nhiễu (Interference Cancellation – IC) gồm 2 loại đó là triệt nhiễu liên tiếp (Successive Interference Cancellation – SIC) và triệt nhiễu song song (Parallel Interference Cancellation – PIC) trong đó cả 2 phương pháp này ở tầng đầu tiên sử dụng dãy bộ lọc thích ứng hoặc các bộ thu RAKE và sau tầng đầu tiên các symbol dữ liệu sẽ được khôi phục lại và trừ ra trong tầng tiếp theo. Họ cũng chỉ ra rằng các thuật toán triệt nhiễu (IC) có độ phức tạp thấp hơn các thuật toán tách sóng khác và nó tăng tuyến tính với số lượng thuê bao. Năm 2004 Shengke Sheng đã giới thiệu ứng dụng thuật toán tách sóng ZFBLE trong bộ thu TD-SCDMA (Time division-synchronous CDMA)[12]. Trong TD-SCDMA nó giải quyết vấn đề bằng việc giới hạn số lượng thuê bao trong slot cho sẵn và tối đa là 16. Như vậy có rất nhiều phương pháp tách sóng đa user đã được các nhà nghiên cứu giới thiệu, ta có thể tổng hợp theo hình 1.1, các phương pháp tách sóng ở đây chia làm 2 loại chính là tối ưu (Optimal) và cận tối ưu (Suboptimal). Trong đó phương pháp tách sóng tối ưu bao gồm: ước lượng chuỗi có khả năng nhất (Maximum-Likehood Sequence Estimation – MLSE), thuật toán Viterbi (Viterbi Algorithm), chương trình động (Dynamic Programming) và giải mã Trellis (Trellis Decoding). Phương pháp tách sóng cận tối ưu được chia làm 2 loại, tuyến tính (Linear) bao gồm bộ tách sóng giải tương quan (Decorrelating) và bộ tách trung bình bình phương lỗi tối thiểu (MMSE), không tuyến tính (Non-Linear) bao gồm bộ ================================================================ Thực hiện: Nguyễn Thị Thu Hà Phần 1: Giới thiệu 5 ================================================================ tách đa tầng (Multistage), hồi tiếp quyết định (Decision-feedback) và triệt nhiễu nối tiếp (SIC). Multiuser Receivers Optimal - MLSE - Viterbi algorithm - Dynamic programming Linear - Trellis decoding Suboptimal Non-Linear Decorrelator MMSE Multistage Decisionfeedback Succesive interference cancellation Hình 1.1: Các phương pháp tách sóng đa user Các bộ thu CDMA hiện nay sử dụng các phương pháp tách sóng được tổng hợp theo hình 1.2: CDMA Receiver Multiuser Adaptive Single user Non-Adaptive JD Decorrelator LMMSE LMS ZF-BLE RLS ZF-BDFE EKF MMSE-BLE MMSE-BDFE IC SIC PIC Hybrid IC Tree-search M-algorithm T-algorithm conventional Blind Matched filter RAKE Hình 1.1: Các phương pháp tách sóng sử dụng trong bộ thu CDMA Những công nghệ tách sóng đã có các phiên bản thay đổi một cách thích hợp được biết rộng rãi như là bộ cân bằng thích ứng. ================================================================ Thực hiện: Nguyễn Thị Thu Hà Phần 1: Giới thiệu 6 ================================================================ Nhiều hệ thống thông tin di động vô tuyến thành công như là hệ thống GSM (pan-European Global System for Mobile Communication), hệ thống số tế bào (DCS) 1800, hệ thống thông tin di động số Nhật Bản (JDC) và hệ thống thông tin di động số Mỹ (ADC), còn được biết với cái tên là IS-54, ứng dụng không liên tục,... . Các hệ thống này sử dụng đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) kết hợp với đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Sự phát triển của truyền dẫn là ưu điểm đối với việc thực hiện phần cứng bộ thu. Vì thế, để phát triển các hệ thống thông tin di động vô tuyến mới, người ta đã giới thiệu CDMA dựa trên hệ thống thông tin di động vô tuyến F/TDMA đã kể ở trên để đạt được sự cải thiện dung lượng dựa trên F/TDMA. Hệ thống thông tin di động vô tuyến CDMA như vậy sử dụng FDMA và TDMA và việc ứng dụng công nghệ tách sóng (JD), nó được phát triển từ GSM. Hệ thống này được biết với tên JD-CDMA. Việc làm giảm chi phí phần cứng của bộ thu của hệ thống JD-CDMA, việc đồng bộ giữa các user (các mobile và trạm gốc chẳng hạn) thì thuận lợi và có thể dễ dàng đạt được dựa trên các linh kiện TDMA. Trong hệ thống thông tin di động vô tuyến JD-CDMA đồng bộ, việc xử lý tín hiệu hướng downlink và uplink khác nhau đáng kể. Đối với hướng downlink, các tín hiệu kết hợp với K user active đồng thời phát ra từ cùng vị trí, còn gọi là trạm gốc. Vì vậy, tất cả các tín hiệu của K user được nhận tại mobile qua cùng kênh vô tuyến. Trong trường hợp đường uplink, việc tiếp nhận tín hiệu K user được phát ra từ K mobile riêng rẽ liên quan đến K kênh vô tuyến riêng rẽ. Vì vậy, việc tách biệt các tín hiệu K user ở đường uplink quan trọng hơn ở đường downlink. Vì thế ta chỉ xem xét đường uplink. Thông thường, bộ lọc thích ứng (Matched Filtering), đặc biệt là áp dụng các bộ lọc thích ứng giải tương quan với nhau (Decorrelating Matched Filter – DMF’s) hay sự tương quan bao gồm khái niệm RAKE được áp dụng trong các hệ thống thông tin di động vô tuyến CDMA để hoàn tất việc tách dữ liệu tối ưu. Bộ lọc thích ứng thường không hiệu quả bởi vì nó đòi hỏi điều khiển công suất một cách chặt chẽ và MAI được xem như nhiễu. Tuy nhiên việc tách dữ liệu với bộ lọc thích ứng giải tương quan (DMF’s) có thể được xem như công nghệ tách sóng (JD). Bắt đầu ================================================================ Thực hiện: Nguyễn Thị Thu Hà Phần 1: Giới thiệu 7 ================================================================ với DMF, các bộ cân bằng hồi tiếp quyết định (Decision Feedback Equalizer) tương tự như các kĩ thuật triệt nhiễu, có thể được thực hiện. Các bộ cân bằng như thế được gọi là bộ lọc thích ứng giải tương quan kết hợp với hồi tiếp quyết định (Decorrelating Matched Filter Block Decision Feedback Equalizer DMF-BDFE). Các kỹ thuật tách sóng cận tối ưu nổi tiếng khác cho các máy thu một anten là bộ cân bằng tuyến tính khối cưỡng bức zero (Zero Forcing Block Linear Equalizer ZFBLE) dựa trên việc ước lượng Gauss-Markov và bộ cân bằng tuyến tính khối dựa trên việc tối thiểu trung bình bình phương lỗi (Minimum Mean Square Error Block Linear Equalizer MMSE-BLE). Trong ZF-BLE, MMSE-BLE các bộ cân bằng hồi tiếp quyết định khối được nói đến như là bộ cân bằng cưỡng bức zero kết hợp với hồi tiếp quyết định (ZF-BDFE) và bộ cân bằng trung bình bình phương lỗi tối thiểu kết hợp với hồi tiếp quyết định (MMSE-BDFE) tương ứng vốn được sử dụng trong các máy thu anten đơn. Sự biến đổi trong miền thời gian của các kênh vô tuyến dẫn đến sự thay đổi đáng kể tỉ số SNR ở ngõ vào bộ tách sóng. Với mong muốn tỉ số SNR không đổi (xác suất lỗi sẽ tăng lên khi sự biến đổi của tỉ số SNR tăng), việc giảm sự thay đổi của tỉ số SNR bằng các kĩ thuật phân tập là một mong muốn. Việc ứng dụng phân tập anten thu được quan tâm đặc biệt vì chỉ thay đổi việc xử lí tín hiệu ở phía thu trong khi không làm ảnh hưởng đến sơ đồ báo hiệu của hệ thống vô tuyến di động JD-CDMA đồng bộ. Trong phạm vi luận văn này, ta sẽ trình bày của các kỹ thuật tách sóng : DMF, DMF-BDFE, ZF-BLE, ZF-BDFE, MMSE-BLE và MMSE-BDFE cho phân tập anten thu kết hợp (CRAD). Thêm nữa, cũng cho thấy rằng tất cả 6 kỹ thuật tách sóng là những trường hợp đặc biệt của một khái niệm cơ bản JD. Một vấn đề quan tâm chính của luận văn là việc xác định SNR của 6 kỹ thuật này cho phân tập anten thu kết hợp. ================================================================ Thực hiện: Nguyễn Thị Thu Hà