Tài liệu Nghiên cứu kỹ thuật sửa sóng thích nghi cho đường truyền hướng xuống trong các hệ thống cdma

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Phạm Thị Dương Chi NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SỬA SÓNG THÍCH NGHI CHO ĐƯỜNG TRUYỀN HƯỚNG XUỐNG TRONG CÁC HỆ THỐNG CDMA Ngành : Công nghệ Điện Tử -Viễn Thông Chuyên ngành : Kỹ thuật Vô tuyến Điện tử và Thông tin Liên lạc Mã số : 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS.TSKH Huỳnh Hữu Tuệ Hà Nội - 2007 1 MỤC LỤC Danh mục các chữ viết tắt ………………………………………………….3 MỞ ĐẦU …………………………………………………………………….4 Chương 1 TỔNG QUAN .......................................................................... 6 1.1 Khái quát về CDMA ............................................................................. 6 1.1.1 Trải phổ dãy trực tiếp [28] ............................................................. 6 1.1.2 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) ...................................... 8 1.1.3 Ưu điểm của hệ CDMA ................................................................. 10 1.2. Bộ thu CDMA .................................................................................... 11 1.2.1.Bộ tách sóng đa người dùng ......................................................... 12 1.2.2 Tách sóng một người dùng ............................................................ 13 1.2.3 Bộ thu sử dụng bộ sửa sóng thích nghi.......................................... 13 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................. 16 2.1 Nhiễu xuyên ký hiệu và lý thuyết cơ bản về sửa sóng ......................... 16 2.2 Mô hình tín hiệu DS-CDMA cho đường truyền hướng xuống ............. 18 2.2.1 Tín hiệu CDMA ............................................................................. 18 2.2.2 Mô hình kênh truyền ..................................................................... 19 2.2.3 Tín hiệu thu ................................................................................... 19 2.3 Bộ thu RAKE ...................................................................................... 20 2.4 Bộ sửa sóng tuyến tính cấp độ chip dùng trong đường truyền xuống của hệ CDMA ................................................................................................. 22 2.5 Một số nghiên cứu về bộ thu sử dụng bộ sửa sóng trong hệ thống CDMA ...................................................................................................................... 24 Chương 3 BỘ SỬA SÓNG PHẢN HỒI QUYẾT ĐỊNH CẤP ĐỘ CHIP DÙNG TRONG HỆ THỐNG CDMA ................................................................ 33 3.1 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định (DFE) dùng cho hệ thống không trải phổ ............................................................................................................ 33 2 3.2 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chip dùng trong đường truyền xuống của hệ thống CDMA ...................................................................... 37 3.3 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chip mới ............................... 40 Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ............................................. 43 4.1 Các thông số mô phỏng ....................................................................... 43 4.2 So sánh chất lượng của bộ thu sử dụng bộ sửa sóng tuyến tính và bộ sửa sóng phản hồi quyết định .......................................................................... 45 4.3 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới ............................... 46 4.4 Ảnh hưởng của phương pháp lặp lại đến chất lượng của hệ thống ....... 48 4.5 Ảnh hưởng của số người dùng đến chất lượng của hệ thống ............... 50 KẾT LUẬN ………………………………………………………………...51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………...54 Phụ lục ……………………………………………………………………...60 3 Danh mục các chữ viết tắt CDMA – Code Division Multiple Access – Đa truy nhập phân chia theo mã FDMA – Frequency Division Multiple Access – Đa truy nhập phân chia theo tần số TDMA – Time Division Multiple Access – Đa truy nhập phân chia theo thời gian DS-SS – Direct Sequence Spread Spectrum - Trải phổ dãy trực tiếp LE – Linear Equalizer - Bộ sửa sóng tuyến tính DFE – Decision Feedback Equalizer - Bộ sửa sóng phản hồi quyết định FS-DFE – Fractionally spaced Decision Feedback Equalizer - Bộ sửa sóng phản hồi quyết định lấy nhiều mẫu FFF – FeedForward Filter - Bộ lọc hướng tới FBF – FeedBack Filter - Bộ lọc phản hồi MAI – Multiple Access Interference - Nhiễu đa truy nhập ISI – Inter Symbol Interference - Nhiễu xuyên ký hiệu MRC – Maximal Ratio Combining LMS – Least Mean Square - Tối thiểu trung bình bình phương MMSE – Minimize Mean Square Error - Cực tiểu hoá trị trung bình bình phương lỗi 4 MỞ ĐẦU Hệ thống thông tin không dây đã phát triển một cách nhanh chóng trong những năm gần đây. Nhu cầu cho các ứng dụng di động băng thông rộng đang thúc đẩy nhiều nghiên cứu nhằm phát triển tốt hơn nữa hệ thống điện thoại tế bào hiện có. Ở thế hệ thứ ba, tốc độ dữ liệu trong đường truyền hướng xuống (từ trạm cơ sở đến thuê bao di động) lớn hơn nhiều lần so với tốc độ của đường truyền hướng lên (từ thuê bao di động đến trạm cơ sở). Nói cách khác, các nhà thiết kế hệ thống hy vọng rằng người dùng sẽ sử dụng dữ liệu với tốc độ nhanh hơn so với tốc độ gửi dữ liệu. Các ứng dụng phù hợp với mô hình này như duyệt web, internet, tải dữ liệu với hình ảnh, âm thanh và xem video chất lượng cao. Do sự đa dạng của các ứng dụng, sự hạn chế của băng thông, yêu cầu chất lượng dịch vụ và điều kiện khắc nghiệt của kênh di động, phương pháp đa truy nhập trải phổ trực tiếp đã trở thành lựa chọn phù hợp cho lớp vật lý của hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ ba. Trong thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA ở thế hệ thứ ba, mỗi người dùng được gán một mã, và mỗi bit được ánh xạ tương ứng với mã đó. Mã được chọn từ không gian mã trực giao được định nghĩa bởi ma trận Hadamard để tất cả các mã tích cực là trực giao với nhau. Các luồng dữ liệu đã được trải của đường truyền xuống được cộng lại thành tín hiệu tốc độ chíp đa người dùng đồng bộ và được phát đi trên đường truyền. Tín hiệu đa người dùng tại trạm cơ sở truyền qua kênh chọn lọc thời gian và tần số để đến với thuê bao di động. Tính chất fading chọn lọc tần số sẽ tăng khi kênh có nhớ, do tiếng vọng, gây ra hiện tượng các chip trước gây nhiễu với các chip hiện tại. Tính chất chọn lọc tần số làm phá huỷ tính chất trực giao của các chuỗi mã của các thuê bao dẫn đến xuất hiện MAI trong các bit ước lượng được của bộ thu tương thích. Như vậy bộ thu tương thích, vốn là bộ thu tiêu chuẩn trong hệ thống CDMA, sẽ phải chịu hiện tượng nhiễu đa 5 người dùng (MAI) [2]. Tính chất chọn lọc tần số xuất hiện khi có những chuyển động tương đối giữa trạm cơ sở và thuê bao di động, hoặc là khi có các đối tượng ở vùng lân cận đang chuyển động. Tốc độ biến đổi của kênh tỉ lệ thuận với vận tốc tương đối và tần số sóng mang. Vì những lý do trên, bộ thu phải được thiết kế sao cho có thể đáp ứng kịp với sự thay đổi của kênh càng nhanh càng tốt. Đối với đường truyền hướng lên, nhiều lược đồ tách sóng đa người dùng được đề xuất nhằm giải quyết vấn đề về MAI. Tuy nhiên, các phương pháp này quá phức tạp để có thể áp dụng vào thiết bị thu phía người sử dụng trong đường truyền hướng xuống do những hạn chế về công suất sử dụng, về kích cỡ và một số hạn chế khác. Mục đích của luận án này là khảo sát một số cấu trúc sửa sóng thích nghi ở cấp độ chip sử dụng cho bộ thu nhằm khắc phục những trở ngại do kênh chọn lọc tần số và thời gian gây ra cho đường truyền hướng xuống. Với bộ thu sử dụng bộ sửa sóng thich nghi này tính chất trực giao của tín hiệu đa người dùng được khôi phục và MAI có thể được loại bỏ bằng cách trải phổ. Bộ thu sử dụng bộ sửa sóng phần nào cân bằng được những mâu thuẫn giữa chất lượng và yêu cầu về tiêu thụ ít công suất của thiết bị di động trong đường truyền hướng xuống. Ngoài ra, luận án cũng đề xuất bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới với mục tiêu làm giảm độ phức tạp của bộ sửa sóng phản hồi quyết định lấy nhiều mẫu mà vẫn đảm bảo được chất lượng của hệ thống. Luận án bao gồm các nội dung chính sau: Chương 1 Tổng quan Chương 2 Cơ sở lý thuyết Chương 3 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chip dùng trọng hệ thống CDMA Chương 4 Kết quả và thảo luận 6 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Khái quát về CDMA 1.1.1 Trải phổ dãy trực tiếp [28] Trải phổ dãy trực tiếp thu được bằng cách điều chế luồng ký hiệu mang thông tin bởi một chuỗi chip có tốc độ cao hơn tốc độ luồng ký hiệu. Hình 1.1 mô tả nguyên lý cơ bản của hệ thông tin trải phổ dãy trực tiếp bởi một chuỗi thông tin nhị phân. Như thấy trên hình vẽ, mỗi khoảng ký hiệu chiều dài Ts được trải bằng cách nhân với một chuỗi chip mà mỗi chip có chiều dài Tc < Ts Thừa số mở rộng băng L: L Ts Tc là đại lượng xác định lượng thông tin dư thừa được đưa vào trong quá trình điều chế. L thường được gọi là “thừa số trải phổ” hoặc độ lợi xử lý (processing gain). TS b(k) = 1 Ký hiệu b(k+1) = -1 Chip dùng 1 1 để trải phổ 1 1 1 1 (1 1 -1 1 -1) (1 -1-1 -1 1 )  Chuỗi chip đã được trải phổ -1 -1 Tc Hình 1. 1: Nguyên lý trải phổ trong hệ thông tin trải phổ 7 Trong thực tế, các chuỗi chip có dạng giả nhiễu hay giả ngẫu nhiên thường được sử dụng để tạo tín hiệu trải phổ nhằm mục đích phổ tín hiệu đã được trải càng ngẫu nhiên càng tốt. Chuỗi giả ngẫu nhiên (PN) có thể được tạo ra bằng cách kết hợp các đầu ra của các thanh ghi dịch có phản hồi. Loại chuỗi PN khá phổ biến là chuỗi có chiều dài cực đại hay chuỗi – m. Sau khi trải phổ, chuỗi chip thường được định dạng bởi bộ lọc định dạng xung, p(t), để hạn chế độ rộng băng tần của tín hiệu ra. Có thể biểu diễn toán học một tín hiệu được điều chế trải phổ như sau:   b( k ) s x(t )  k   k (t  kT ) (1.1) trong đó L s k (t )   ck (l ) p(t  lTC  TC ) (1.2) l 1 là “dạng sóng trải phổ” hoặc “dạng sóng chữ ký” (signature waveform) của ký hiệu thứ k. Trên thực tế, trải phổ có thể xem như quá trình điều chế làm mở rộng băng tần của một tín hiệu băng cơ sở bởi một số nguyên lần của Bc=1/Tc. Sự tăng độ rộng băng tần hay chính là tăng số chiều của tín hiệu đã làm nảy sinh nhu cầu chống lại nhiễu/ồn đối với hệ thống thông tin sử dụng trải phổ. Theo định lý Landau-Pollak, không gian của một sóng có băng tần hữu hạn B Hz và thời gian hữu hạn là T giây thì có số chiều xấp xỉ là BT [5]. Trong hệ thống trải phổ thì BCTS = L >>1. Việc mỗi dạng sóng wk(t) riêng biệt thuộc một trong số L chiều, với L lớn, làm cho tín hiệu trải phổ có khả năng kháng các loại nhiễu ngẫu nhiên. Tại đầu thu, bộ lọc tương thích thu tín hiệu mong muốn từ không gian con một chiều được định nghĩa bởi dạng sóng trải wk(t). Như vậy, công suất nhiễu đã được giảm đi L lần. Nói cách khác, độ lợi trải phổ L đo số bậc tự do của hệ thống và định lượng khả năng chống nhiễu của tín hiệu trải phổ. Mô hình cần thiết của một bộ điều chế DS-SS được trình bày như ở hình 1.2 8 bk Bộ điều chế trải phổ x(n) Bộ lọc định dạng xung x(t) ck,n Bộ tạo mã trải Hình 1. 2 Bộ điều chế trải phổ dãy trực tiếp 1.1.2 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Trong hầu hết các hệ thống không dây, một trạm cơ sở đồng thời phục vụ cho một số các thuê bao chia sẻ cùng một môi trường truyền. Sự phân bố nguồn tài nguyên giữa các người dùng thường được biết như là đa truy nhập. Tất cả các kỹ thuật đa truy nhập đều yêu cầu thông tin của các người dùng khác nhau phải được tách rời sao cho thông tin của người này không gây nhiễu cho thông tin của người khác. Các kỹ thuật đa truy nhập truyền thống thường được thực hiện dựa trên nguyên tắc làm cho các bản tin của các người dùng trực giao với nhau trong một miền nào đó mà việc xử lý tín hiệu số được thực hiện một cách dễ dàng. Cụ thể, phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian là phương pháp mà các tín hiệu khác nhau được truyền trong các khe thời gian khác nhau, trong khi đó phương pháp đa truy nhập phân chia theo tần số là phương pháp mà trạm cơ sở trao đổi thông tin với các người dùng khác nhau thông qua các kênh tần số khác nhau. Đối với hệ thống nhiều anten, việc “phân tập theo không gian” được sử dụng cho mục đích đa truy nhập và phương pháp đa truy nhập tương ứng với mô hình này là phương pháp đa truy nhập phân chia theo không gian. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA thường chia nguồn tài nguyên - thời gian và tần số- 9 theo các cách khác nhau. Về mặt lý thuyết, luôn tồn tại vô hạn cách chia khác nhau mặc dù phần nhiều trong số các cách chia đó không có cơ sở thực tế. Việc DS-SS có khả năng tồn tại đồng thời với nhiễu trong một không gian đa chiều đã mở ra một phương pháp đa truy nhập mới. Thật vậy, thay vì gán cho các người dùng khác nhau các khe thời gian khác nhau hoặc các khoảng tần số khác nhau, ta có thể điều chế các tín hiệu đa truy nhập khác nhau bằng các dạng sóng trải phổ khác nhau với mỗi sóng là một chiều trong tổng số chiều của nguồn tài nguyên về thời gian và tần số sẵn có. Với mỗi dạng sóng trải phổ xác định, chúng ta có thể tạo được các sóng gần trực giao cho phép nhiều thuê bao chia sẻ cùng một vùng phổ. Tại phía đầu thu, các tín hiệu đa truy nhập được phân biệt bằng dạng sóng chữ ký riêng của nó. Mặc dù trong mặt phẳng thời gian-tần số những dạng sóng trải phổ này có thể cộng chồng lên nhau nhưng thực chất chúng lại trực giao với nhau hay ít nhất là độc lập với nhau trong một không gian khác nhiều chiều hơn. Hình 1.3 mô tả một kênh truyền hướng lên (uplink) tiêu biểu (tức là đường truyền từ thuê bao đến trạm cơ sở) trong đó thông tin của mỗi người dùng được điều chế bằng cách sử dụng bộ điều chế DS-SS và được gán trước một chuỗi mã trải. Tín hiệu thu được là tín hiệu tổng cộng (chồng lên nhau) của tất cả các tín hiệu phát. Do đó, nếu hệ CDMA có P người dùng, tín hiệu thu tương ứng là: P P  y(t )   xi (t   i )    bi (k ) si ,k (t  kT   i ) i 1 (1.3) i 1 k   ở đây, chỉ số dưới i chỉ số người dùng và {τi} chỉ trễ tương đối của các tín hiệu truyền. 10 x1(t-) b1(k) Bộ điều chế DS-SS Bộ lọc tương thích Bộ lấy mẫu Bộ giải điều chế DS-SS xP(t-) bP(k) Bộ điều chế DS-SS Hình 1. 3: Mô hình đa truy nhập phân chia theo mã cho đường truyền hướng lên Kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường truyền hướng xuống (đường truyền từ trạm cơ sở đến thuê bao) trong đó trạm cở sở trộn và phát đi các tín hiệu đã được điều chế trải phổ cho các người dùng khác nhau. Trong trường hợp này, tất cả các tín hiệu được đồng bộ và trễ tương đối {τ i} bằng 0. Trong luận văn này chúng tôi chỉ xét đường truyền hướng xuống của hệ thống CDMA do đó có thể gọi là hệ thống CDMA đồng bộ. 1.1.3 Ưu điểm của hệ CDMA So với hệ thống TDMA và FDMA, CDMA có nhiều ưu điểm hơn. Một số ưu điểm có thể kể ra là: 1. Hệ CDMA cải thiện đáng kể dung năng truyền Do khả năng tái sử dụng tần số mà hệ có thể đáp ứng cho nhiều người dùng hơn so với hệ thống TDMA và FDMA. 2. Công nghệ CDMA cho phép các đường truyền dữ liệu có tốc độ cao hơn Đường truyền tốc độ cao có thể thực hiện được bằng cách trải thông tin băng hẹp thành tín hiệu băng thông rộng. 3. Công nghệ CDMA cung cấp khả năng chuyển vùng tốt hơn 11 Hệ thống CDMA bắt đầu thực hiện quá trình thông tin với một tế bào mới trước khi nó vượt qua biên và không cắt kênh liên lạc với tế bào hiện tại (tế bào cũ). 4. Hệ CDMA tối ưu hoá khả năng sử dụng nguồn tài nguyên kênh truyền Trong một cuộc đàm thoại, thời gian nói thực sự của người sử dụng chiếm ít hơn một nửa số thời gian của cuộc gọi. Trong hệ thống FDMA và TDMA, mỗi người dùng được phân bố một vùng tần số hay một khoảng thời gian nhất định do đó không tận dụng hết dung năng thật sự của hệ. Trong hệ CDMA, các người dùng hoạt động trên cùng một dải tần số và khoảng thời gian nên tận dụng được những mất mát kể trên. 5. Hệ CDMA có khả năng triệt nhiễu đa đường một cách hiệu quả Trong môi trường tán xạ, tín hiệu thu được đến từ nhiều đường khác nhau. Vì trong một hệ thống CDMA, mỗi người dùng được gán một vùng phổ lớn hơn so với trong hệ FDMA và TDMA nên các thành phần đa đường khác nhau được cách ly với nhau tốt hơn. Vì lý do này nhiễu đa đường có thể được loại bỏ tốt hơn. 1.2. Bộ thu CDMA Verdu là người đầu tiên đưa ra bộ tách chuỗi CDMA tối ưu sao cho xác suất có điều kiện của chuỗi tín hiệu đầu ra đạt giá trị cực đại. Bộ thu tối ưu bao gồm (1) một tập hợp các bộ lọc tương thích sao cho tương thích với P dạng sóng người dùng khác nhau, và (2) một bộ tách kết hợp nhằm cực đại hoá xác suất tiền nghiệm của các giá trị ký hiệu có thể có. Kết quả này mang nhiều ý nghĩa về mặt lý thuyết hơn là thực tế bởi vì bộ thu tối ưu có độ phức tạp tỷ lệ theo hàm mũ với số người sử dụng. Nhiều phương pháp tách sóng gần tối ưu nhưng đơn giản hơn đã được đề xuất chẳng hạn như tách sóng đa người dùng và tách sóng một người dùng hay phương pháp dùng bộ thu có sử dụng bộ sửa sóng thích nghi. 12 1.2.1.Bộ tách sóng đa người dùng Bộ thu tách sóng đa người dùng cũng dùng bộ lọc tương thích ở phía đầu vào như của bộ thu tối ưu. Thay vì thực hiện tách sóng kết hợp cực đại, bộ thu gần tối ưu xử lý vectơ đầu ra của bộ lọc tương thích P chiều để ước lượng P ký hiệu tương ứng cho mỗi khoảng thời gian cụ thể. Một trong những bộ tách sóng đa người dùng phổ biến là bộ thu giải tương quan tuyến tính thực hiện việc lấy trọng số và kết hợp đầu ra của các bộ lọc tương thích để ghép các tín hiệu chồng chập lên nhau lại dựa vào không gian tín hiệu được định nghĩa bởi dạng sóng chữ ký riêng của nó. Việc tách tín hiệu có thể được thực hiện một cách riêng lẻ đối với từng đầu ra của bộ giải tương quan như mô tả ở hình 1.4. Ts y(t) b̂1 Bộ thu đa người dùng b̂ p Ts Hình 1. 4 Cấu trúc bộ thu đa người dùng Trong số nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện việc tách sóng đa người dùng thì bộ lọc MMSE là bộ lọc thường được nhắc đến đầu tiên. Bộ 2 lọc này chọn lựa các hệ số kết hợp, {gil}, để cực tiểu hoá E  bˆi (k )  bi (k )  với   P bˆi (k )   g il* z (l ) (1.4) i 1 Một loại bộ lọc tuyến tính phổ biến khác có thể kể đến là bộ lọc ép về 0 (zero-forcing). Loại bộ lọc này có khả năng loại trừ nhiễu đa người dùng, tuy nhiên hạn chế của nó là làm tăng nhiễu. 13 1.2.2 Tách sóng một người dùng Trong nhiều ứng dụng, việc tách ký hiệu của người dùng thứ i chỉ dựa vào dạng chữ ký thứ i của người đó; các tín hiệu CDMA khác được xem như nhiễu. Loại bộ thu này được gọi là bộ tách sóng một người dùng. Hầu hết các bộ tách sóng một người dùng thường đơn giản hơn bộ tách sóng đa người dùng vì nó được xây dựng dựa trên ít giả thiết hơn. Cụ thể là, chúng giả thiết rằng mã trải và tín hiệu định thời của tín hiệu mong muốn là biết trước. Bộ tách sóng một người dùng được sử dụng rộng rãi là bộ thu RAKE (như hình vẽ 1.5). Bộ thu RAKE làm tăng chất lượng của tín hiệu thu được bằng cách kết hợp lại năng lượng của các tín hiệu đa đường. Hầu hết các bộ thu tách sóng một người dùng đều gặp phải hiện tượng gần – xa khi các tín hiệu nhiễu lớn hơn nhiều so với tín hiệu mong muốn. Chi tiết về bộ thu RAKE sử dụng trong hệ thống CDMA được trình bày ở chương 2 Tín hiệu thu Bộ giải trải Trễ Tc Bộ giải trải . . . Trễ Tc . . . Bộ kết hợp tuyến tính Bộ giải trải Hình 1. 5 Bộ thu RAKE 1.2.3 Bộ thu sử dụng bộ sửa sóng thích nghi Kênh truyền xuống của tín hiệu CDMA có hai đặc trưng đáng chú ý: thứ nhất là tất cả các tín hiệu truyền đều được đồng bộ với nhau; thứ hai là, các chuỗi mã trải có thể trực giao với nhau. Tận dụng các ưu điểm này bộ thu sử dụng bộ sửa sóng ở cấp độ chip được sử dụng để hồi phục tính chất trực 14 giao của tín hiệu mà không làm tăng tính phức tạp của hệ thống. Sau đó, bộ giải trải phổ được sử dụng để loại trừ nhiễu đa người dùng (MAI) từ các tín hiệu trực giao. Loại bộ thu này cũng có thể dễ dàng thực hiện nhờ sử dụng thuật toán thích nghi. Bộ sửa sóng tuyến tính (LE) ở mức độ chip khôi phục tính chất trực giao của chuỗi chip và cho chất lượng tốt hơn so với bộ thu RAKE. Tuy nhiên nếu quá trình sửa kênh không tốt thì chất lượng của bộ LE ở cấp độ chip bị suy giảm đáng kể bởi MAI. Hơn thế nữa, chất lượng của bộ LE cấp độ chip còn phụ thuộc vào đặc trưng phổ của kênh và do đó có thể sẽ không phù hợp cho một vài loại kênh nào đó [35]. Luận án này khảo sát một loại cấu trúc sửa sóng khác sử dụng cho bộ thu nhằm đạt hiệu quả cao hơn so với bộ thu sử dụng bộ sửa sóng tuyến tính ở mức độ chip đó là bộ sửa sóng phản hồi quyết định (DFE) cấp độ chip. Bộ DFE bao gồm một bộ lọc hướng tới (feedforward) và bộ lọc phản hồi (feedback) ở tốc độ chip.Vai trò của bộ lọc hướng tới giống như vai trò của bộ lọc tuyến tính được sử dụng để loại bỏ nhiễu xuyên ký hiệu vị trí tương lai (pre cursor) ở mức độ chíp. Các hệ số của bộ lọc hướng tới (feedforward) và bộ lọc phản hồi được xác định nhằm cực tiểu hoá trị trung bình bình phương lỗi ở mức độ chip. Bộ DFE kết hợp các chức năng của bộ thu RAKE để tận dụng tính chất phân tập thu được từ các thành phần đa đường và loại bỏ ồn (noise) và nhiễu xuyên ký hiệu. Bộ DFE tối thiểu hoá tác động của nhiễu cũng như nhiễu xuyên ký hiệu bằng cách buộc đáp ứng xung của nhiễu bằng 0 tại các thời điểm quyết định [1]. Ngoài ra chiều dài của bộ DFE thường ngắn hơn so với bộ LE. Vì vậy bộ DFE thể hiện nhiều đặc tính tốt hơn bộ LE. Luận án cũng đề xuất sử dụng một bộ sửa sóng phản hồi quyết định được xây dựng trên cơ sở của bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chip lấy nhiều mẫu. Luận án tạm đặt tên cho cấu trúc này là bộ sửa sóng phản hồi 15 quyết định cấp độ chíp mới. Mục tiêu đặt ra của luận án là tìm hiểu xem liệu cấu trúc của bộ sửa sóng mới này có khắc phục được sự phức tạp do phải lấy nhiều mẫu khi sử dụng bộ sửa sóng phản hồi quyết định lấy nhiều mẫu mà vẫn bảo đảm giữ nguyên chất lượng của hệ thống? 16 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nhiễu xuyên ký hiệu và lý thuyết cơ bản về sửa sóng Trong hầu hết các hệ thống truyền dữ liệu số, sự tồn tại của kênh truyền tuyến tính tán sắc thể hiện ở sự méo biên độ và pha. Các tính chất này của kênh truyền dẫn đến tín hiệu thu được thường bị méo tuyến tính do sự chồng chập của các ký hiệu thông tin đã truyền (các ký hiệu trong quá khứ) và các ký hiệu sẽ truyền (các ký hiệu tương lai) [12]. Hình 2.1 sử dụng mô hình giả thuyết của đáp ứng kênh để giải thích về nhiễu xuyên ký hiệu quá khứ (postcursor) và tương lai (pre-cursor). h2 h0 h4 h1 h3 Thời gian Vị trí quá khứ Vị trí tương lai Nút chính Hình 2. 1 Đáp ứng xung của kênh có các vị trí quá khứ, nút chính và các vị trí tương lai Đáp ứng xung của kênh được trình bày như trên hình 2.1 bao gồm 3 thành phần tách rời. Nút có biên độ cao nhất h2 được gọi là nút chính. Các nút xuất hiện trước nút chính h0 và h1 được gọi là các ví trí quá khứ (post-cursor) và các nút theo sau nút chính h3 và h4 được gọi là vị trí tương lai (pre-cursor). Năng lượng của tín hiệu mong muốn chủ yếu được đóng góp bởi năng lượng của nút chính. Ngoài ra, năng lượng của tín hiệu thu được còn được đóng góp 17 bởi năng lượng sinh ra do tích chập của các vị trí tương lai với các ký hiệu sẽ được truyền gọi là nhiễu xuyên ký hiệu vị trí tương lai và tích chập của các vị trí quá khứ với các ký hiệu đã được truyền gọi là nhiễu xuyên ký hiệu ví trí quá khứ. Như vậy, tín hiệu thu được bị méo là do sự chồng lên nhau của tín hiệu mong muốn với nhiễu xuyên ký hiệu vị trí tương lai và nhiễu xuyên ký hiệu vị trí quá khứ. Các bộ sửa sóng thường được sử dụng để khắc phục hiện tượng nhiễu xuyên ký hiệu gây ra bởi kênh truyền. Bộ sửa sóng thường được phân loại theo cấu trúc, theo tiêu chuẩn tối ưu hóa và theo thuật toán được sử dụng để thay đổi các hệ số của bộ lọc. Về mặt cấu trúc, bộ sửa sóng có thể được phân thành bộ sửa sóng tuyến tính và bộ sửa sóng phản hồi quyết định (không tuyến tính). Bộ sửa sóng cũng có thể được phân biệt dựa trên các tiêu chuẩn sử dụng để tối ưu hóa các hệ số của nó. Quá trình tối ưu hóa được kiểm soát bởi tiêu chuẩn chất lượng được sử dụng. Ví dụ, khi áp dụng tiêu chuẩn trung bình bình phương lỗi (MSE), bộ sửa sóng được tối ưu hóa sao cho trị trung bình bình phương lỗi giữa tín hiệu thu được bị méo với tín hiệu thật sự truyền đi là cực tiểu. Các thuật toán thích nghi khác nhau cũng được sử dụng nhằm cung cấp cho bộ sửa sóng các phương tiện để cập nhật các thông số của nó theo sự thay đổi theo thời gian của kênh tán sắc. Một số thuật toán thích nghi được trình bày chi tiết trong phần phụ lục. Luận án này sử dụng tiêu chuẩn cực tiểu hóa trị trung bình bình phương lỗi (MMSE) để tối ưu hóa các hệ số cho bộ sửa sóng và sử dụng thuật toán tối thiểu trung bình bình phương (LMS) để cập nhật cho các hệ số đó. 18 2.2 Mô hình tín hiệu DS-CDMA cho đường truyền hướng xuống 2.2.1 Tín hiệu CDMA Luận án này sử dụng các giả thiết sau tại đầu phát A.1) Các bit dữ liệu của người dùng là các bit độc lập, có trị trung bình bằng 0. n, m, i  0, Ebk (n)bl* n  m  Pk  m l k với Pi là công suất ký hiệu của người dùng thứ i. Các ký hiệu dữ liệu được điều chế BPSK và bỏ qua quá trình định dạng xung. Luận án cũng giả thiết là công suất của các người dùng khác nhau là giống nhau và quy ước Pi=1. A.2) Mã Walsh (Hadamard) được sử dụng làm mã trực giao cho phép dễ dàng tạo và thực hiện nhanh chóng việc trải phổ cũng như giải trải.  i, l, m  (0,…, L), L 1 c k 0 * k (k )cl (k  mL)   l i Mã Walsh chiều dài 2k có thể được tạo ra theo quy luật: 1 1  H1    1  1 H k 1  H H k   k 1  , k=2,3,…  H k 1  H k 1  Tổng số hàng hoặc số cột của ma trận Hadamard Hk cho ta một tập hợp 2k từ mã trực giao. Tính chất trực giao thể hiện ở chỗ mỗi cặp từ mã có số chữ số giống nhau bằng với số chữ số khác nhau. A.3) Chuỗi tín hiệu hoa tiêu (hằng số) tại vị trí “người dùng” có chỉ số i = 0 n, b0(n) = b0 A.4) Tín hiệu nhiễu Gauss trắng cộng tính có trị trung bình bằng 0 và phương sai là  2 . 19 2.2.2 Mô hình kênh truyền Mỗi tín hiệu người dùng được giả thiết là truyền qua một kênh fading chọn lọc tần số. Đối với đường truyền xuống, luận án này giả thiết các người dùng truyền qua các kênh giống nhau có số thành phần đa đường là LC bằng một số nguyên lần chu kỳ chip. Mô hình của tín hiệu truyền qua kênh đa đường trình bày như ở hình 2.2 b0(n) bi(n) bP(n) c0(n) . . . ci(n) . . . (n)  r(n) x(n) h(n)  y(n) cP(n) Hình 2. 2 Mô hình truyền tín hiệu (rời rạc) cho đường truyền xuống 2.2.3 Tín hiệu thu Luận án này giả thiết tín hiệu của các người dùng được đồng bộ chip tại phía đầu thu. Tín hiệu thu tại đầu thu là tín hiệu cộng (chồng lên nhau) của P người dùng cộng với nhiễu Gauss trắng. Có thể biểu diễn tín hiệu thu được như sau: y  r  (2.1) LC với r   hl xi  p p 0 P  P x    bi k ci l    t i i 0 k   i 0 trong đó i = 1,…,P với P là số người dùng tích cực. Quy ước vị trí thứ i = 0 dùng cho tín hiệu hoa tiêu.