Tách sóng nhiều người sử dụng dùng kỹ thuật feed forward trong hệ thống cdma,luận án thạc sỹ khoa học kỹ thuật chuyên ngành kỹ thuật điện tử

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Trường Đại Học Giao Thơng Vận Tải  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TÁCH SÓNG NHIỀU NGƯỜI SỬ DỤNG DÙNG KỸ THUẬT FEED FORWARD TRONG HỆ THỐNG CDMA Mã số : 60.52.70 DƯƠNG THỊ CẨM TÚ TPHCM 2007 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Trường Đại Học Giao Thơng Vận Tải  LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TÁCH SÓNG NHIỀU NGƯỜI SỬ DỤNG DÙNG KỸ THUẬT FEED FORWARD TRONG HỆ THỐNG CDMA Mã số : 60.52.70 Người hướng dẫn : TS Võ Xuân Tựu Học viên thực : Dương Thị Cẩm Tú Lớp : Cao học K12 TPHCM 2007 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AWGN BER BPSK BS BTS CDMA : Additive White Gaussian Noise : Bit Error Rate : Binary Phase Shift Keying : Base Station : Base Transceiver Station (GSM) : Code Divison Multiple Access Tạp âm trắng Gauss Tỷ lệ lỗi bit Khóa dịch pha nhị phân Trạm gốc Trạm thu phát gốc Đa truy nhập phân chia theo mã DS-CDMA : Direct Sequence – CDMA FDMA : Frequency Divison Multiple Access CDMA chuỗi trực tiếp Đa truy nhập phân chia theo tần số FER FH FF : Frame Error Rate : Frequency hopping : Feed Forward Tỷ lệ lỗi khung Nhảy tần Mạng truyền thẳng FLPC : Forward Link Power Control Điều khiển công suất đường lên ISI : Intersymbol interference Nhiễu liên ký tự MF MMSE : Matched Filter : Minimum Mean – Square Error Mạch lọc phối hợp Bình phương cực tiểu phương sai MS MSK MUD : Mobile Station : Minium Shift Keying : Multi – User Detection PN QPSK : Pseudo Noise sequence : Quadrature Phase Shift Keying RIPC : Reverse Link Power Control SIR SNR : Signal – to – Interfernce Ratio : Signal – to – Noise Ratio SS TDMA : Spread Spectrum : Time Divison Multiple Access TH – CDMA : Time hopping CDMA Y/c : Máy di động Khóa dịch cực tiểu Tách sóng nhiều người sử dụng Chuỗi giả ngẫu nhiên Khóa dịch pha cầu phương Điều khiển cơng suất đường xuống Tỷ lệ tín hiệu nhiễu Tỷ số tín hiệu nhiễu Trải phổ Đa truy nhập phân chia theo thời gian CDMA nhảy thời gian Yêu cầu DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Bảng 3.1 So sánh DS – SS FH – SS So sánh thuật toán huấn luyện Backpropagation Trang 20 Trang 107 DANH MỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG CDMA Hình 1.1 Hiện tượng đa đường Trang Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ thống thơng tin trải phổ Trang Hình 1.3 Trải phổ trực tiếp BPSK Trang Hình 1.4 Bộ thu trải phổ chuỗi trực tiếp BPSK Trang Hình 1.5 Bộ phát trải phổ chuỗi trực tiếp dùng QPSK Trang 10 Hình 1.6 Bộ thu trải phổ chuỗi trực tiếp dùng QPSK Trang 10 Hình 1.7 Bộ thu trải phổ chuỗi trực tiếp dùng MSK Trang 11 Hình 1.8 Khái niệm nhảy tần FH – SS Trang 12 Hình 1.9 Bộ phát trải phổ nhảy tần chậm Trang 14 Hình 1.10 Bộ thu trải phổ nhảy tần chậm Trang 14 Hình 1.11 Minh họa trải phổ nhảy tần nhanh dùng MFSK Trang 15 Hình 1.12 Phổ tần tín hiệu DS – FH Trang 17 Hình 1.13 Bộ điều chế FH/DS Trang 18 Hình 1.14 Khả chống tín hiệu gây nhiễu Trang 20 Hình 1.15 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Trang 21 Hình 1.16 Mạch ghi dịch Trang 23 Hình 1.17 Phân bố nhiễu từ BS lân cận Trang 32 Hình 1.18 Điều khiển cơng suất phát cho phù hợp với vị trí thuê bao, phadinh, suy hao đường truyền Trang 39 Hình 1.19 Kênh truyền tổng quát Trang 46 Trang 48 Hình 1.20 Quan hệ n i n r tọa độ cực Hình 1.21 Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh với δ = Trang 48 Hình 1.22 Hiệu ứng Doppler Trang 51 Hình 1.23 Phổ Doppler cho kênh truyền vơ tuyến Trang 52 Hình 1.24 Mơ hình kênh với tập trì hỗn Trang 53 CHƯƠNG II: KỸ THUẬT TÁCH SĨNG TRONG CDMA Hình 2.1 Mơ hình kênh DS – CDMA đồng Trang 56 Hình 2.2 Các ngõ K lọc phối hợp Trang 60 Hình 2.3 Bộ tách sóng dùng mạch lọc phối hợp Trang 64 Hình 2.4 Ngõ lọc phối hợp với K = Trang 68 Hình 2.5 Bộ tách sóng giải tương quan cho hệ thống DS – CDMA Trang 70 Hình 2.6 Bộ lọc phối hợp biến đổi tách sóng giải tương quan Trang 72 Hình 2.7 Bộ thu giải tương quan cho kênh đồng người dùng Hình 2.8 Hình 2.9 Trang 73 Bộ tách sóng MMSE cho hệ thống DS – CDMA Trang 76 Máy thu MMSE cho mô hình kênh DS – CDMA đồng hai người dùng Trang 77 CHƯƠNG III: MẠNG NEURON Hình 3.1 Nơron sinh học Trang 82 Hình 3.2 Mơ hình neuron MCCulloch Pitts Trang 84 Hình 3.3 Mơ hình mạng nơron tổng qt Trang 85 Hình 3.4 Mơ hình nơron có ngõ vào vơ hướng có bias khơng có bias Trang 86 Hình 3.5 Mơ hình nơron lớp gồm nhiều nút Trang 87 Hình 3.6 Cấu trúc mạng nơron lớp Trang 87 Hình 3.7 Cấu trúc mạng nơron lớp mạng vẽ gọn lại Trang 88 Hình 3.8 Cấu trúc mạng nơron nhiều lớp Trang 88 Hình 3.9 Mơ hình hàm truyền – Log – Sigmoid Trang 91 Hình 3.10 Mơ hình hàm truyền – hàm truyền tansig purlin Trang 92 Hình 3.11 Mơ hình mạng lớp feedforward gồm nơron Logsig có hai ngõ vào Trang 92 Hình 3.12 Mơ hình mạng feedforward gồm nhiều lớp ẩn Trang 93 CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT FEED FORWARD DÙNG MẠNG NEURON Hình 4.1 Mơ hình hệ thống DS – CDMA đồng K người dùng Trang 109 Hình 4.2 Máy thu dùng mạng nơron khơng có mạch lọc phối hợp Trang 112 Hình 4.3 Máy thu dùng mạng nơron có mạch lọc phối hợp Trang 112 Hình 4.4 Mơ hình mạng nơron Trang 112 Hình 4.5 Mơ hình mạng nơron nhiều lớp Trang 112 Hình 4.6 Mơ hình rời rạc hệ thống CDMA hướng xuống đồng Trang 114 Hình 4.7 Mơ hình mạng truyền thẳng vào tách sóng CDMA Trang 123 Hình 4.8 Mơ hình mơ tả giải thuật thuật tốn dùng mạng truyền thẳng cho user Trang 124 Hình 4.9 Mơ hình mơ tả giải thuật thuật tốn dùng mạng truyền thẳng cho k user Trang 125 Hình 4.10 Đồ thị BER cho máy thu dùng mạch lọc phối hợp Trang 128 MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN HỆ THỐNG CDMA 1.1 Tổng quan kỹ thuật trải phổ CDMA 1.1.1 Tổng quát 1.1.2 Kỹ thuật trải phổ DS – CDMA 1.2 Dung lượng mạng CDMA 1.2.1 Tái sử dụng tần số chia vùng phủ sóng 1.2.2 Khả dung lượng mềm dẻo mạng CDMA 1.3 Điều khiển công suất CDMA 1.3.1 Đường lên (Forward), đường xuống (backforward) 1.3.2 Khống chế nhiễu qua chế điều khiển công suất 1.4 Đặc điểm kênh truyền vô tuyến 1.4.1 Các kiểu kênh truyền khác 1.4.2 Phân bố Rayleigh 1.4.3 Phân bố Rician 1.4.4 Kênh Fading chọn thời gian 1.4.5 Kênh Fading chọn tần 1.4.6 Suy hao đường truyền vô tuyến 1.4.7 Hiện tượng Doppler 1.4.8 Mơ hình kênh nhiều đường 1.5 Tổng kết chương Trang Trang Trang Trang Trang 29 Trang 31 Trang 33 Trang 35 Trang 35 Trang 36 Trang 45 Trang 46 Trang 47 Trang 49 Trang 49 Trang 50 Trang 50 Trang 51 Trang 52 Trang 53 CHƯƠNG II: KỸ THUẬT TÁCH SÓNG TRONG CDMA 2.1 Mơ hình hệ thống DS-CDMA 2.2 Mơ hình hệ thống DS – CDMA đồng rời rạc theo thời gian 2.2.1 Hình chiếu trực chuẩn 2.2.2 Ngõ lọc phối hợp 2.3 Kỹ thuật tách sóng CDMA 2.3.1 Kỹ thuật tách sóng thơng thường 2.3.2 Kỹ thuật tách sóng giải tương quan 2.2.3 Kỹ thuật tách sóng MMSE 2.4 Tổng kết chương Trang 55 Trang 55 Trang 57 Trang 57 Trang 59 Trang 62 Trang 63 Trang 68 Trang 75 Trang 80 CHƯƠNG III: MẠNG NEURON 3.1 Mạng Neuron nhân tạo sinh học 3.2 Cấu trúc mạng Neuron 3.2.1 Mơ hình nơron 3.2.2 Cấu trúc mạng Trang 81 Trang 81 Trang 84 Trang 84 Trang 87 3.2.3 Cấu trúc liệu 3.2.4 Kiểu huấn luyện 3.5 Backpropagation (truyền ngược) 3.5.1 Tổng quát 3.5.2 Huấn luyện mạng 3.5.3 Huấn luyện nhanh 3.6 So sánh nhớ tốc độ 3.10 Tổng kết chương Trang 89 Trang 89 Trang 90 Trang 90 Trang 94 Trang 97 Trang 104 Trang 104 CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT FEED FORWARD DÙNG MẠNG NEURON Trang 108 4.1 Các phương pháp tách sóng dùng mạng Neuron Trang 108 4.1.1 Tổng quan hệ thống DS – CDMA đồng Trang 108 4.1.2 Phương pháp tách sóng dùng mạng nơron Trang 110 4.2 Ứng dụng kỹ thuật tách sóng Feed forward dùng mạng noron hệ thống CDMA Trang 113 4.2.1 Bộ tách sóng CDMA sử dụng mạng truyền thẳng Trang 113 4.2.2 Tổng quan thuật toán huấn luyện mạng Trang 117 4.2.3 Ứng dụng để huấn luyện mạng Trang 122 4.3 Tổng kết chương Trang 129 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO CỦA ĐỀ TÀI Trang 130 LỜI MỞ ĐẦU Trong hệ thống thông tin vô tuyến, hệ thống phải hoạt động chung môi trường truyền nên dễ bị tác động nhiễu lẫn Do đó, kỹ thuật đa truy nhập đóng vai trò quan trọng việc giảm can nhiễu hệ thống So với kỹ thuật đa truy cập khác đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA đa truy cập phân chia theo tần số kỹ thuật đa truy cập phân chia theo mã CDMA có nhiều ưu điểm CDMA có khả chống lại tượng đa đường can nhiễu Tách sóng đa user tiến hành thực giải điều chế tín hiệu có ảnh hưởng tín hiệu user khác lên tín hiệu cần thu, can nhiễu nhiễu đa truy cập hệ thống CDMA Ngoài nhiễu đa truy cập có loại nhiễu khác tác động vào hệt thống nhiễu Gauss, nhiễu gai, Hệ thống thông tin di động DS – CDMA tồn nhiều vấn đề để giải nhằm nâng cao chất lượng hệ thống Mục đích đề tài nhằm nghiên cứu hệ thống thông tin di động CDMA thực tách sóng đa truy cập dùng mạng Noron truyền thẳng (Feed Forward) để hạn chế nhiễu tác động lên hệ thống Trong trình thực luận văn tốt nghiệp, nhận giúp đỡ bảo tận tình Tiến só Võ Xuân Tựu, người trực tiếp hướng dẫn suốt trình thực đề tài Tuy nhiên công nghệ phức tạp, thời gian nghiên cứu có hạn khả thân nên luận văn tránh khỏi sai sót Vì mong đóng góp phê bình thầy giáo, cô giáo độc giả quan tâm Tôi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ tận tình Tiến só Võ Xuân Tựu, thầy giáo, cô giáo, gia đình bạn bè giúp đỡ, động viên hoàn thành luận văn tốt nghiệp Người thực Dương Thị Cẩm Tú Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA Chương TỔNG QUAN HỆ THỐNG CDMA 1.1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT TRẢI PHỔ TRONG CDMA 1.1.1 Tổng quát: Sự phát triển nhanh chóng mạng điện thoại tổ ong toàn giới thập kỷ qua cho thấy hệ thống viễn thông có ý nghóa lớn việc truyền thông tin xã hội ngày Kỹ thuật truy cập phân chia theo theo tần số FDMA phân chia theo thời gian TDMA đời tạo nên bước phát triển lớn ngành công nghệ viễn thông Tuy nhiên việc phát triển thành hệ thống thông tin di động toàn giới cần phải có công nghệ hơn, cao đưa chuẩn để tăng khả tương thích hệ thống toàn giới Cùng với nó, tốc độ truyền tin cho dịch vụ đa phương tiện, liệu, xem phim, ảnh, nghe nhạc với chất lượng tốc độ tốt Kỹ thuật truy nhập phân chia theo mã kỹ thuật vượt trội giải yêu cầu mà hệ thống thông tin di động 3G đưa Trong phần tìm hiểu nguyên lý trải phổ phương pháp đa truy cập phân chia theo mã CDMA 1.1.1.1 Định nghóa: Có nhiều kỹ thuật trải phổ (SS – Spread Spectrum) khác Nhưng tất có đặc điểm chung sử dụng mã khác kênh thông tin Cách chèn mã phải thật xác vấn đề kỹ thuật trải phổ Có nhiều định nghóa khác nhau: GVHD: TS Võ Xuân Tựu Trang Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA Đối với máy thu đa người dùng tuyến tính bit thứ i người dùng thứ k ước lượng sau: bk ( i ) = sgn ( yL ( i ) ) (4.16) wT r ( i ) vớ= i yL ( i ) f= L ( r (i )) (4.17) w = [ w1 wK ] (4.18) T W vectơ trọng số cho người dùng thứ k Giá trị trọng số dùng cho tách sóng MMSE có biểu thức sau: w= MMSE (σ n I + P.PT ) pk −1 (4.19) với p k cột thứ k P 0  :   Ta có P.PT (= = N h0 ) I1( KxK ) ; pk N h0 1  Từ ta tính trọng số   : 0  người dùng thứ k theo phương pháp MMSE: wk ( MMSE ) = N h0 σ n + ( N h0 ) 2 0  :   1    : 0  (4.20) Từ biểu thức (4.16), (4.17) (4.20), ta nhận thấy làø quan hệ thành phần mạng neuron Với ngõ vào tín hiệu thu rk (i) ( tín hiệu thu bit thứ i người dùng thứ k) Hệ thống có K người dùng có K ngõ vào cho nút lớp ngõ vào với trọng số w k tương ứng Để thực tách sóng dùng mạng truyền thẳng hay nhiều lớp 4.2.2 Tổng quan thuật toán huấn luyện mạng: GVHD: TS Võ Xuân Tựu Trang 118 Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA Vấn đề cần quan tâm chọn giải thuật huấn luyện mạng đáp ứng nhanh Ngoài ra, việc tách sóng phương pháp phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm độ phức tạp mạng, số liệu đưa vào huấn luyện, trọng số, ngưỡng thông số sai số goal (thông số đích) mạng Giải thuật huấn luyện mạng sử dụng Levenberge Marquardt (trainlm) đánh giá phức tạp so với giải thuật khác thuật toán truyền lùi Nó sử dụng phương pháp Newton nhanh có độ xác cao để đạt giá trị sai số nhỏ 4.2.2.1 Thuật toán tìm gradient descent: Để tìm hàm suy giảm J(w) giá trị nhỏ nhất, với w vector trọng số Với w(n) ước lượng trọng số mẫu thứ n có từ vòng lặp Vector trọng số cho sau: w(n+1) = w(n) +g(n) Trong g(n) vector trực tuyến Thông số goal (thông số đích sau cùng) tính vector trực tuyến để giá trị hàm đạt thông số vòng lặp, J(w(n) + g(n)) đạt giá trị cực tiểu Để đạt điều ta viết phương trình Taylor J(w(n+1)), vi phân với g mong muốn, cho zero Chuỗi Taylor khai triển là: ∂ J ( w) ∂J ( w) + + ∑∑ g i g j J ( w + g ) = J ( w) + ∑ g i ∂wi ∂w j i j ∂wi i (4.21) Khai trieån Taylor: J ( w + g ) = J ( w) + g ∂J ( w) ∂J ( w) ∂ J ( w) + g1 + [ g0 ∂w0 ∂w1 ∂w0∂w0 ∂ J ( w) ∂ J ( w) ∂ J ( w) + g g1 + g g1 + g12 ] ∂w0∂w0 ∂w1∂w0 ∂w1∂w0 (4.22) Vi phân hàm với hai thông số mong muốn g g : GVHD: TS Võ Xuân Tựu Trang 119 Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA ∂J ( w + g ) ∂J ( w) ∂ J ( w) ∂ J ( w) = + g0 + g1 ∂g ∂w0 ∂w0∂w0 ∂w0∂w1 (4.23) ∂ J ( w) ∂ J ( w) ∂J ( w + g ) ∂J ( w) + g1 + g0 = ∂w1∂w1 ∂w0∂w1 ∂w1 ∂g1 (4.24) Ta định nghóa:  ∂J ( w + g )    ∂J ( w + g )  ∂g  =  ∂J ( w + g )  ∂g   ∂g   (4.25) Gradient cuûa vector J:  ∂J ( w)   ∂w   ∇J =   ∂J ( w)   ∂w    (4.26) Từ (4.23) (4.24) biến đổi thành ma trận vector sau:  ∂ J ( w)  ∂w0∂w0 ∂J ( w + g ) = ∇J +   ∂ J ( w) ∂g   ∂w0∂w1 ∂ J ( w)   ∂w0∂w1   g    ∂ J ( w)   g1   ∂w1∂w1  (4.27) Ma trận (4.27) gọi ma trận Hessian (H) Thông thường ma trận vuông N x N Để đạt giá trị g để J(w+g) nhỏ ta cho phương trình (4.27) không Kết là: g = − H −1∇J (4.28) Từ (4.21) (4.28) suy ra: w(n + 1) = w(n) − H −1∇J GVHD: TS Võ Xuân Tựu (4.29) Trang 120 Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA (4.29) gọi thuật toán Newton.Thuật toán Newton hội tụ bước biết H ∇ J Từ ta rút khái niệm ma trận Jacobian ma trận tất đạo hàm riêng hàm vector Nó phương pháp xấp xỉ tuyến tính cho hàm vi phân gần điểm cho trước Cho hàm F: Rn →Rm Lúc ma trận Jacobian F viết lại laø:  ∂y1  ∂x   ∂y m   ∂x1 ∂y1  ∂x n   ∂y m   ∂x n  Ma traän viết lại sau: J F (x , … ,x n ) ∂ ( y1 , , ym ) ∂ ( x1 , , xn ) Khi m = n ma trận Jacobian trở thành ma trận vuông 4.2.2.2 Trình bày giải thuật Levenberg Marquardt(LMA) : Thuật toán Levenberg-Marquard (LMA) cho phép tìm giá trị nhỏ hàm, thông thường không tuyến tính, dựa thông số hàm Giá trị nhỏ tìm đặc biệt chương trình tìm đường cong bình phương tối thiểu phi tuyến Cũng giải thuật khác tìm giá trị nhỏ nhất, giải thuật tìm giá trị nhỏ phương pháp lặp vòng Để khởi tạo giá trị ta phải cung cấp giá trị dự đoán ban đầu cho vector tham số p Trong trường hợp thông số dự đoán chuẩn pT = (1, 1, 1, … , 1) Các trường hợp khác, thuật toán hội tụ thông số dự đoán bắt đầu gần giá trị cuối GVHD: TS Võ Xuân Tựu Trang 121 Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA LMA nội suy thuật toán Newton phương pháp gradient descent Trong bước lặp tham số p thay ước lượng p+q Để xác định q, hàm f i (p+q) tính xấp xỉ: f(p+q) ~f(p) + Jq Trong đó: J ma trận Jacobian f p Tại tổng bình phương S, gradient S đạt yêu cầu q = S = JTJ: ma trận có đường chéo từ trái sang phải tổng phương giá trị thông số vector JT J Gọi y = f(p+q) Thì: y = f(p) +Jq Suy ra: (JTJ)q = JT[y – f(p)] (4.1) Đặc trưng giải thuật LMA thay phương trình phiên “damped” : (JTJ + λI)q = JT [y – f (p)] I: ma trận đơn vị Kết làm tăng q từ giá trị tham số ước lượng p q = (JTJ + λI)-1 JT[y – f (p)] Thông số λ damping (không tuyến tính) hệ số thay đổi bước lặp Nếu S giảm nhanh với giá trị nhỏ thuật toán thành thuật toán Newton, ngược lại tạo vòng lặp để hiệu chỉnh lại nhằm tăng thông số λ trở thành thuật toán gradient descent Nếu p điểm Rn F vi phân p, đạo hàm J F (p), hàm vector vô hướng (linear map) biểu diễn phép toán xấp xỉ tuyến tính tốt F gần ñieåm p: F(x) ~ F(p) + J F (p),(x-p) GVHD: TS Võ Xuân Tựu Trang 122 Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA Nếu chiều dài bước tính toán q hay giảm tổng bình phương từ vector tham số p+q (từ ma trận S) sau đạt giá trị giới hạn vòng lặp dừng vector tham số sau p chấp nhận Vậy để tổng quát đặt q = x k - x k+1 hay q = w i – w i+1 q trở thành vector sai số thời điểm, ngưỡng kế cận e = y – f(p) e trở thành sai số vector mạng Suy ra: x k+1 = x k –[JTJ + λI]-1JTe hay w i+1 = w i –[JTJ + λI]-1JTe Trong đó: e :vector sai số mạng; k : tốc độ học; x k : vector trọng số ngưỡng λ : vector vô hướng Sai số tín hiệu q e khác nhau, hay hiểu sai số lớp ẩn khác sai số lớp Và khác làm nên thủ tục để cập nhật trọng số liên kết Khi λ = 0, trở thành phương pháp Newton Khi λ lớn, phương pháp trở thành gradient descent với kích thước nấc nhỏ λ giảm sau bước thành công Bằng cách hàm biểu diễn giảm bước lặp thuật toán Các trọng số ngưỡng cập nhật trực tiếp cho hàm hiệu suất đạt giảm nhanh nhất-gradient có giá trị âm Kết đạt hội tụ hàm (giá trị nhỏ hàm tìm được) Điều chứng tỏ thuật toán cho kết ngõ với sai số nhỏ mạng 4.2.3 Ứng dụng để huấn luyện mạng: Trong máy thu CDMA dùng mạng lan truyền ngược, số nút ngõ số nút ngõ vào số user, số noron lớp ẩn chọn 10 Mạng sử GVHD: TS Võ Xuân Tựu Trang 123 Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA dụng với lớp ẩn ngõ ra : hàm tansig cho lớp ẩn hàm purelin cho lớp ngõ Thuật toán huấn luyện Levenberg – Marquardt Ngõ lọc matched dùng liệu huấn luyện, ngõ user gọi tập đích Khi đưa liệu thay đổi vào huấn luyện làm thay đổi trọng số mạng Dùng mạng truyền thẳng Feedforward lớp (ngõ vào, ngõ ẩn, lớp ngõ ra) kết nối hình để lấy ngõ tách sóng hàm sgn Lớp ngõ vào (input layer) WH, W0,1 Lớp ẩn (hiden layer) W0,L W1,1 b WH,L W1,L W0 L W1 b V0 V1 Lớp ngõ (output layer) WH H bH VH bout sgn(.) bˆo Hình 4.7 Mô hình mạng truyền thẳng vào tách sóng CDMA GVHD: TS Võ Xuân Tựu Trang 124 Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA Các lớp ngõ vào lớp ẩn có nơron L 2H + Lớp ẩn có trọng số w i,j kết hợp noron ngõ vào thứ j noron lớp ẩn thứ i j= 1, 2, , L ; i = 0, 1, , H b i : trọng số kết hợp với lớp ẩn thứ i; b out trọng số noron ngõ vi : trọng số kết hợp kết nối noron lớp ẩn thứ i noron ngõ Để đơn giản ta kết hợp tất trọng số noron ngõ vào ngõ ẩn thành trọng số w i = [w i,1 w i,2 w i, ]T ∆ Đặt z = [ w0T , w1T , , wHT , b0 , b1 , , bH , v0 , v1 , vH , bout ]T vector tất tham số mạng Gọi hàm y(n) = y n (r,z) ngõ mạng trước hàm sgn tách sóng Với r ngõ vào có tham số z Ứng dụng thuật thuật toán Levenberg Marquardt (LMA) w k+1 = w k –[JTJ + λI]-1JT e Với J ma trận Jacobian đạo hàm bậc sai số mạng điểm trọng số ngưỡng  ∂J ( w)   ∂w   Gradient cuûa vector J: ∇J =   ∂J ( w)     ∂w1  Xét ngõ (1 user) ta có mô hình mô tả giải thuật thuật toán dùng mạng truyền thẳng sau : GVHD: TS Võ Xuân Tựu Trang 125 Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA + d(n) e(n) r(n) Lớp mạng truyền thẳng (FF) Trọng số wo, w1, wN-1 y(n) = wTx(n) Ngưỡng b Hình 4.8 Mô hình mô tả giải thuật thuật toán dùng mạng truyền thẳng cho user d(n) tín hiệu mong muốn (tập đích) y(n) = w o r(n) + w r(n-1) + + w N-1 r(n-N+1) = wTr(n) wT = [w o w w N-1 ] r(n) = [r(n) r(n-1) r(n-N+1)]T Từ mô hình mô tả giải thuật thuật toán dùng mạng truyền thẳng ta thấy sai số vector mạng ngõ e(n) = d(n) – y(n) Mục đích cuối giải toán để e(n) đạt giá trị cực tiểu e(n) nhỏ thông số goal (thông số đích mong muốn mạng) Nếu e(n) < goal vòng lặp dừng giá trị y (n) giá trị ngõ mong muốn (tập mẫu trở thành tập đích) Ngược lại e(n) > goal giá trị ngõ y(n) = wTr(n) hiệu chỉnh vòng lặp để thay đổi trọng số Vòng lặp thể thuật toán LMA trình bày Với w i+1 = w i –[JTJ + λI]-1JTe Vậy user mô hình mô tả giải thuật thuật toán dùng mạng truyền thẳng sau : + dk(n) GVHD: TS Võ Xuân Tựu rk(n) ek(n) Lớp mạng truyền thẳng (FF) Trọng số wo, w1, wN-1 yk(n) = wkTr(n) Trang 126 Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA Hình 4.9 Mô hình mô tả giải thuật thuật toán dùng mạng truyền thẳng cho k user Với: d k (n) = [d (n) d (n) d (n) d (n)] r k (n) = [x (n) x (n) x (n) x (n)]T trình bày (4.15) w k T(n) = [w (n) w (n) w (n) w (n)] e k (n) = [e (n) e (n) e (n) e (n)] y k (n) = [y (n) y (n) y (n) y (n)] Cũng tương tự nguyên lý trình bày tìm ngõ user, ngõ user tính sai số mạng đạt giá trị thông số đích (goal) tập mẫu xem tập đích, ngõ y k (n) = w T r(n) Nếu chưa đạt thông số yêu cầu goal vòng lặp thuật toán LMA quay thay đổi thông số lớp trọng số lớp mạng truyền thẳng đạt yêu cầu Kết ta thu ngõ y k (n) tương ứng với user tập mẫu sau huấn luyện Sau lấy ngõ tách sóng bˆ = sgn( y k (n)) tín hiệu cần thu ngõ máy thu tách sóng dùng mạng noron truyền thẳng (feedforward) GVHD: TS Võ Xuân Tựu Trang 127 Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA Một số liệu dùng mô phỏng: Phía phát: •• Dữ liệu: chuỗi liệu nhị phân ngẫu nhiên đơn cực có chu kỳ bit Tb tùy chọn, tốc độ bit Rb=1/Tb (bit/s), chọn (T b =1/1200), số người sử dụng tối đa •• Chuỗi ngẫu nhiên giả PN: chuỗi giả ngẫu nhiên có chiều dài độ lợi xử lý 15, PN có tốc độ chip gấp 15 lần tốc độ bit, tốc độ chip Rc=1/Tc (bit/s) • Tín hiệu người dùng trải phổ, cộng đưa đến kênh truyền Ta xem mô hình đồng sử dụng trải phổ chuỗi trực tiếp •• Ghép kênh: đơn giản dùng cộng, không xét đến trình mã hóa nguồn, mã hóa kênh Kênh truyền: Tín hiệu truyền kênh đa đường có nhiễu trắng Gauss nhiễu gai Phía thu: •• Giải trải phổ: cách đồng chuỗi PN đơn giản lấy trực tiếp từ phía phát, không xem xét đến việc bám đồng mã PN •• Mạng nơron sử dụng mạng Feedforward với giải thuật lan truyền ngược, số nút ngõ số nút ngõ vào số user, mạng sử dụng với hai lớp ẩn ngõ sau: hàm tansig dùng cho lớp ẩn hàm purlin dùng cho lớp ngõ Thuật toán huấn luyện Levenberg-Marquardt GVHD: TS Võ Xuân Tựu Trang 128 Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA ĐỒ THỊ BER CHO MÁY THU DÙNG MẠCH LỌC PHỐI HP Xac xuat loi dung mach loc phoi hop 10 PP: Mean PP: MMSE PP: Feedforward -1 BER 10 -2 10 -3 10 -4 10 -8 -6 -4 -2 SNR (dB) Hình 4.10: Đồ thị BER cho máy thu dùng mạch lọc phối hợp Nhận xét: Khi tỉ số SNR ta nhận thấy BER thu dùng mạng truyền thẳng (feedforward) tốt so với thu trung bình (mean) thu MMSE GVHD: TS Võ Xuân Tựu Trang 129 Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA 4.3 TỔNG KẾT CHƯƠNG Trong chương tác giả trình bày phương pháp tách sóng dùng mạng Noron ứng dụng kỹ thuật Feed Forward dùng tách sóng CDMA  Ưu điểm phương pháp dùng mạng truyền thẳng ứng dụng tách sóng đa user này: - Với thuật toán LMA ta tìm trị số cực tiểu vector sai số mạng để tạo ngõ có sai số nhỏ bước tính lặp vòng giảm bước Còn phương pháp tách sóng tuyến tính khác tìm cực tiểu dẫn đến sai số lớn chúng tính giá trị cực tiểu điểm cực trị địa phương - Do tín hiệu ngõ vào CDMA tín hiệu biến thiên theo thời gian nên bao gồm tín hiệu gốc tín hiệu nhiễu nên việc dùng thu phi tuyến dùng mạng noron truyền thẳng (Feed forward) tối ưu thu tuyến tính khác GVHD: TS Võ Xuân Tựu Trang 130 Luận Văn Cao Học Tách Sóng Nhiều Người Sử Dụng Dùng Kỹ Thuật Feed Forward Trong Hệ Thống CDMA Kết luận hướng phát triển đề tài Sau thời gian thực hiện, đề tài đạt mục tiêu xây dựng mô hình hệ thống DS – CDMA với kỹ thuật tách sóng dùng kỹ thuật truyền thẳng (Feed Forward) Với hướng nghiên cứu tách sóng đa user (nhiều người sử dụng) không dừng lại cho việc cải thiện chất lượng hệ thống thông tin di động mà mở rộng cho hệ thống khác có dùng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA hệ thống thông tin vi ba, thông tin vệ tinh, Trong trình thực hiện, luận văn dừng lại hệ thống đồng đơn đường có tác động nhiễu AWGN nhiễu gai, Tuy nhiên, thực tế cần xét đến vấn đề không đồng bộ, tín hiệu nhiều đường Do hướng phát triển đề tài xét đến tất điều GVHD: TS Võ Xuân Tựu Trang 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO TS Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình Lý thuyết trải phổ đa truy nhập vô tuyến”, NXB Học viện bưu viễn thông Hà Nội 2004 TS Nguyễn Đình Thúc, “Mạng Nơron – Phương pháp ứng dụng”, NXB Giáo dục, 2000 TS Đặng Đình Lâm, TS Chu Ngọc Anh, Th.S Nguyễn Phi Hùng, Th.S Hoàng Anh, “Hệ thống thông tin di động 3G xu hướng phát triển”, NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hallen Alexandra Duel, H Jack, Z Zoran, “Multiuser Detection for CDMA Systems”, IEEE Personal Communication, Volume 2, Issue: 2, April 1995 John G Proakis, “Digital Communications”, Third Edition, 1995 Simon Haykin, “Neural Networks A comprehensive Foundation”, Prentice – Hall PTR, 1994 Dr Kamilo Feher, “Wireless Digital Communications Modulation and Spread Spectrum Applications”, Prentice – Hall PRT, 1995 Teong Chee Chuah, Bayan S Sharif , “Robust Adaptive Spread – Spectrum receiver with Neural – Net Processing in Non – Gaussian Noise”, IEEE Transactions on Neural Networks, Vol 12, No.3, May 2001