chuyên đề vô tuyến truyền thông

Chun đề Vơ tuyến truyền thơng Nhóm: 03 ĐỀ TÀI Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Giáo viên hướng dẫn : Ths Nguyễn Viết Đảm Sinh viên thực : Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm i Chuyên đề Vơ tuyến truyền thơng Nhóm: 03 LỜI NĨI ĐẦU Thời đại vô tuyến cách 100 năm với phát minh máy điện báo radio Gudlielmo Marconi công nghệ không dây thiết lập với phát triển nhanh chóng đưa vào kỷ kỷ nguyên Sự tiến nhanh chóng kỹ thuật vơ tuyến tạo nhiều dịch vụ cải tiến với giá thấp hơn, dẫn đến gia tăng việc sử dụng khoảng không gian thời gian số lượng thuê bao Các xu hướng tiếp tục tăng năm tới Mục tiêu hệ thống thông tin hệ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ thông tin cho người vào lúc, nơi Các dịch vụ cung cấp cho thuê bao điện thoại di động hệ truyền liệu tốc độ cao, video multimeadia dịch vụ thoại Công nghệ thoả mãn yêu cầu làm cho dịch vụ sử dụng rộng rãi gọi hệ thống di động hệ thứ (3G) Hệ thống hệ thứ đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt tiêu chuẩn hệ có, loại hình ứng dụng dung lượng Hệ thống di động số thiết kế tối ưu cho thông tin thoại, hệ thống 3G trọng đến khả truyền thông đa phương tiện Hệ thống 3G điển hình cdma2000 WCDMA WCDMA phương thức đa truy cập phân chia theo mã băng rộng Trong hệ thống WCDMA, hệ số tái sử dụng tần số 1, nên số thuê bao tăng lên đồng nghĩa với nhiễu giao thoa đồng kênh tăng lên làm ảnh hưởng đến dung lượng hệ thống Vì mạng WCDMA phải có nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu nhằm làm giảm ảnh hưởng nhiễu Các kỹ thuật gọi kỹ thuật phân tập tín hiệu Trong chun đề này, nhóm tơi tìm hiểu kỹ thuật phân tập Khơng gian - Thời gian hệ thống mạng WCDMA với mục đích phân tập làm giảm ảnh hưởng nhiễu giao thoa nhiễu fading lên tín hiệu thơng qua việc làm tăng tỷ số tín hiệu nhiễu đầu mảng anten dãy cách điều khiển hướng búp sóng anten dãy hướng đến tín hiệu thu hướng Null hướng đến tín hiệu nhiễu giao thoa Nội dung chuyên đề gồm chương : - Chương 1: Trình bày ưu nhược điểm hệ thống WCDMA hướng giải cho nhược điểm - Chương 2: Trình bày khái niệm phân tập không gian - thời gian Phân tập anten thu Beamformer-Rake - Chương 3: Trình bày kỹ thuật xử lý phân tập không gian thu Beamformer Các kỹ thuật xử lý bao gồm MSNR, MSINR MMSE - Chương : Trình bày thuật tốn tính tốn cho kỹ thuật Beamformer Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm ii Chuyên đề Vô tuyến truyền thơng Nhóm: 03 MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii CHƯƠNG 1: .1 HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA .1 Giới thiệu chung 1.1 Hệ thống thông tin di động hệ 1.2 Hệ thống thông tin di động hệ 1.3 Hệ thống thông tin di động hệ 3: .3 1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động hệ (GSM) lên WCDMA Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA 1.5 Tổng quan mạng WCDMA Uplink Hình 1.3 Phân bố tần số FDD TDD 1.5.1 Các thơng số W-CDMA 1.5.2 Những đặc điểm then chốt WCDMA .7 1.5.3 Ảnh hưởng nhiễu lên hệ thống WCDMA .8 Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa .8 1.5.4 Tính đa dạng phân tập WCDMA Các kỹ thuật phân tập: 10 Kết luận chương .10 CHƯƠNG 2: .11 PHÂN TẬP KHÔNG GIAN - THỜI GIAN 11 2.1 Giới thiệu .11 2.2 Anten Mảng 11 2.2.1 Mảng anten dãy 12 Hình 2.1 Mảng anten ULA .12 2.3 Kỹ thuật Beamformer 14 Hình 2.2a Mơ hình Beamformer Hình 2.2b Búp sóng anten dãy 15 2.3.1 Ví dụ đơn giản Beamformer với mảng ULA 15 Hình 2.3 Đồ thị xạ anten dãy góc đến tín hiệu 0o 17 nhiễu giao thoa 45o 17 2.4 Nguyên tắc lấy mẫu tín hiệu xử lý khơng gian 17 2.5 Lợi ích phân tập khơng gian 18 2.6 Phân tập thời gian: Bộ thu Rake CDMA 18 Hình 2.4 Mơ hình thu Rake 19 2.7 Bộ thu Beamformer_Rake 20 Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm iii Chuyên đề Vô tuyến truyền thơng Nhóm: 03 Hình 2.5 Bộ thu Beamformer-Rake 20 Kết luận chương: .20 CHƯƠNG 3: .21 CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING .21 3.1 Giới Thiệu 21 3.2 Kỹ thuật MSNR Beamforming 21 3.2.1 Cực đaị tỉ số tín hiệu nhiễu (MSNR) 21 3.2.2 Phương thức cải tiến SE cho Beamforming 23 3.2.3 Pha tín hiệu Eigen-Beamforming .24 3.3 Kỹ thuật MSINR Beamforming 25 3.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu nhiễu (SINR) .26 3.3.2 Xác định giá trị cực đại tỉ số tín hiệu nhiễu (MSINR) 27 3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming 28 3.5 So sánh MSINR MMSE Beamforming trường hợp đơn giản 30 Hình 3.1 Biểu đồ thể đồ thị xạ anten ULA .30 theo kỹ thuật MSINR MMSE .30 Hình 3.2 Giản đồ BER theo kỹ thuật MSINR MMSE 31 Kết luận chương 31 CHƯƠNG 4: .32 CÁC THUẬT TOÁN BEAMFORMING .32 Giới thiệu chương 32 4.1 Định nghĩa ma trận đánh giá độ phức tạp tính tốn 32 4.2 Thuật toán cho kỹ thuật MSNR 32 4.2.1 Phương pháp power .33 4.2.2 Phương pháp bội số Lagrange .34 Hình 4.1 Lưu đồ thuật tốn phương pháp bội số lagrange .35 Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán phương pháp bội số lagrange đơn giản 37 4.2.3 Phương pháp liên hợp Gradient 37 Hình 4.3 Lưu đồ thuật tốn phương pháp liên hợp gradient 40 Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán phương pháp liên hợp Gradient đơn giản 41 4.2.4 Đánh giá chung phương pháp .42 4.2.5 Mơ hình thu MMSE Beamformer-Rake WCDMA 42 Hình 4.5 Mơ hình thu MMSE Beamformer-Rake WCDMA 42 Kết luận chương: .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm iv Chuyên đề Vô tuyến truyền thơng Nhóm: 03 DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NĨI ĐẦU ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vii CHƯƠNG 1: .1 HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA .1 Giới thiệu chung 1.1 Hệ thống thông tin di động hệ 1.2 Hệ thống thông tin di động hệ 1.3 Hệ thống thông tin di động hệ 3: .3 1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động hệ (GSM) lên WCDMA Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA 1.5 Tổng quan mạng WCDMA Uplink Hình 1.3 Phân bố tần số FDD TDD 1.5.1 Các thơng số W-CDMA 1.5.2 Những đặc điểm then chốt WCDMA .7 1.5.3 Ảnh hưởng nhiễu lên hệ thống WCDMA .8 Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa .8 1.5.4 Tính đa dạng phân tập WCDMA Các kỹ thuật phân tập: 10 Kết luận chương .10 CHƯƠNG 2: .11 PHÂN TẬP KHÔNG GIAN - THỜI GIAN 11 2.1 Giới thiệu .11 2.2 Anten Mảng 11 2.2.1 Mảng anten dãy 12 Hình 2.1 Mảng anten ULA .12 2.3 Kỹ thuật Beamformer 14 Hình 2.2a Mơ hình Beamformer Hình 2.2b Búp sóng anten dãy 15 2.3.1 Ví dụ đơn giản Beamformer với mảng ULA 15 Hình 2.3 Đồ thị xạ anten dãy góc đến tín hiệu 0o 17 nhiễu giao thoa 45o 17 2.4 Nguyên tắc lấy mẫu tín hiệu xử lý khơng gian 17 2.5 Lợi ích phân tập khơng gian 18 2.6 Phân tập thời gian: Bộ thu Rake CDMA 18 Hình 2.4 Mơ hình thu Rake 19 2.7 Bộ thu Beamformer_Rake 20 Hình 2.5 Bộ thu Beamformer-Rake 20 Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm v Chun đề Vơ tuyến truyền thơng Nhóm: 03 Kết luận chương: .20 CHƯƠNG 3: .21 CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING .21 3.1 Giới Thiệu 21 3.2 Kỹ thuật MSNR Beamforming 21 3.2.1 Cực đaị tỉ số tín hiệu nhiễu (MSNR) 21 3.2.2 Phương thức cải tiến SE cho Beamforming 23 3.2.3 Pha tín hiệu Eigen-Beamforming .24 3.3 Kỹ thuật MSINR Beamforming 25 3.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu nhiễu (SINR) .26 3.3.2 Xác định giá trị cực đại tỉ số tín hiệu nhiễu (MSINR) 27 3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming 28 3.5 So sánh MSINR MMSE Beamforming trường hợp đơn giản 30 Hình 3.1 Biểu đồ thể đồ thị xạ anten ULA .30 theo kỹ thuật MSINR MMSE .30 Hình 3.2 Giản đồ BER theo kỹ thuật MSINR MMSE 31 Kết luận chương 31 CHƯƠNG 4: .32 CÁC THUẬT TOÁN BEAMFORMING .32 Giới thiệu chương 32 4.1 Định nghĩa ma trận đánh giá độ phức tạp tính tốn 32 4.2 Thuật toán cho kỹ thuật MSNR 32 4.2.1 Phương pháp power .33 4.2.2 Phương pháp bội số Lagrange .34 Hình 4.1 Lưu đồ thuật tốn phương pháp bội số lagrange .35 Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán phương pháp bội số lagrange đơn giản 37 4.2.3 Phương pháp liên hợp Gradient 37 Hình 4.3 Lưu đồ thuật tốn phương pháp liên hợp gradient 40 Hình 4.4 Lưu đồ thuật toán phương pháp liên hợp Gradient đơn giản 41 4.2.4 Đánh giá chung phương pháp .42 4.2.5 Mơ hình thu MMSE Beamformer-Rake WCDMA 42 Hình 4.5 Mơ hình thu MMSE Beamformer-Rake WCDMA 42 Kết luận chương: .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm vi Chuyên đề Vô tuyến truyền thơng Nhóm: 03 THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AOA AWGN Angle of Arrival Additive White Gaussian Noise Góc đến tín hiệu Cộng nhiễu trắng BER BPSK CDMA Bit Error Rate Binary Phase Shift Keying Code Division Multiplex Access CG dB Coding Gain Tỷ lệ lỗi bít Điều chế pha PSK mức Đa truy cập phân chia theo mã Mã hoá cổng DMI DPCCH DPDCH EGC ISI GE ML MLSE MMSE MRC OFDM PAM PSK QAM QPSK RF SC SE SER SINR Decibel Diercted Matric Invesion Dedicated Physical Control Channel Dedicated Physical Data Channel Equal Gain Combine Inter Symbol Interfere Generalized Eigenvalue Maximum Likelihood Maximum Likelihood Sequence Estimation Minimum Mean Square Error Ma trận đảo trực tiếp Kênh điều khiển vật lý Kênh điều khiển liệu Tổ hợp độ lợi Nhiễu xuyên ký tự Nhóm giá trị riêng Cực đại tối ưu Đánh giá chuổi cực đại tối ưu Tối thiểu bình phương sai lệnh Bộ tổ hợp tỷ số tối đa Division Điều chế tần số trực giao Maximum Ratio Combine Orthogonal Frequency Multiplexing Pulse Amplitude Modulation Phase Shift Keying Quadrature Amplitude Modulation Quadrature Phase Shift Keying Radio Frequence Selected Combine Simple Eigen Symbol Error Rate Signal to Interference plus-Noise Ratio Single Input Single Output Signal to Noise Ratio Trellis Code Modulation Time Division Multiple Access Điều chế biên độ xung Điều chế pha Điều chế QAM Điều chế Sóng radio Bộ tổ hợp chọn lọc Giá trị riêng đơn giản Tỷ lệ lỗi ký tự Tỷ số tín hiệu/ nhiễu giao thoa nhiễu nhiệt SISO Vào đơn đơn SNR Tỷ số tín hiệu nhiễu TCM Mã hoá lưới TCM TDMA Đa truy cập phân chia theo thời gian WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây WCDMA Wideband Code Division Multiplex Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng Access Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm vii Chuyên đề Vơ tuyến truyền thơng Nhóm: 03 CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA Giới thiệu chung Trong năm gần đây, công nghệ không dây chủ đề nhiều chuyên gia quan tâm lĩnh vực máy tính truyền thông Trong thời gian công nghệ nhiều người sử dụng trải qua nhiều thay đổi Quá trình thay đổi thể qua hệ:  Thế hệ không dây thứ hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA)  Thế hệ thứ sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) phân chia theo mã (CDMA)  Thế hệ thứ đời đánh giá nhãy vọt nhanh chóng dung lượng ứng dụng so với hệ trước đó, có khả cung cấp dịch vụ đa phơng tiện gói 1.1 Hệ thống thông tin di động hệ Hệ thống thông tin di động hệ hổ trợ dịch vụ thoại tương tự sử dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang liệu thoại người, sử dụng phương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Với FDMA, khách hàng cấp phát kênh tập hợp có trật tự kênh lĩnh vực tần số Sơ đồ báo hiệu hệ thống FDMA phức tạp, MS bật nguồn để hoạt động dị sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho Nhờ kênh này, MS nhận liệu báo hiệu gồm lệnh kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người dùng Trong trường hợp số thuê bao nhiều số lượng kênh tần số có thể, số người bị chặn lại khơng truy cập Phổ tần số quy định cho liên lạc di động chia thành 2N dải tần số kế tiếp, cách dải tần số phòng vệ Mỗi dải tần số gán cho kênh liên lạc N dải dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau dải tần phân cách N dải dành riêng cho liên lạc hướng xuống Đặc điểm : - Mỗi MS cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến - Nhiễu giao thoa kênh lân cận đáng kể - BTS phải có thu phát riêng làm việc với MS Hệ thống FDMA điển hình hệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile Phone System) Hệ thống di động sử dụng phương pháp đa truy cập Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm Chuyên đề Vô tuyến truyền thơng Nhóm: 03 đơn giản Tuy nhiên, hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày tăng người dùng dung lượng tốc độ Vì thế, hệ thống di động thứ đời cải thiện dung lượng tốc độ 1.2 Hệ thống thông tin di động hệ Với phát triển nhanh chóng thuê bao, hệ thống thông tin di động hệ đưa để đáp ứng kịp thời số lượng lớn thuê bao di động dựa công nghệ số Tất hệ thống thông tin di động hệ sử dụng phương pháp điều chế số sử dụng phương pháp đa truy cập : - Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA - Đa truy cập phân chia theo mã CDMA Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA: Phổ quy định cho liên lạc di động chia thành dải tần liên lạc, dải tần liên lạc dùng cho N kênh liên lạc, kênh liên lạc khe thời gian chu kì khung Các thuê bao khác dùng chung kênh nhờ cài xen khe thời gian, thuê bao cấp phát cho khe thời gian cấu trúc khung Đặc điểm: - Tín hiệu thuê bao truyền dẫn số - Liên lạc song công hướng thuộc dải tần liên lạc khác nhau, băng tần sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến máy di động băng tần sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc Việc phân chia tần số cho phép máy thu máy phát hoạt động lúc mà khơng có can nhiễu lẩn - Giảm số máy thu BTS - Giảm nhiểu giao thoa Hệ thống TDMA điển hình hệ thống di động toàn cầu GSM Máy di động kỹ thuật số TDMA phức tạp FDMA Hệ thống xử lý số tín hiệu MS tương tự có khả xử lý khơng q 10 lệnh giây, MS số TDMA phải có khả xử lý 50.106 lệnh giây Đa truy cập phân chia theo mã CDMA: Trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nhiều người sử dụng chiếm kênh vô tuyến đồng thời tiến hành gọi mà không sợ gây nhiễu lẫn Những người sử dụng nói phân biệt với nhờ mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, cấp phát khác cho người sử dụng Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm Chuyên đề Vô tuyến truyền thơng Nhóm: 03 Đặc điểm - Dải tần tín hiệu rộng - Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vơ tuyến sử dụng có cường độ trường nhỏ chống fading hiệu TDMA FDMA Việc thuê bao cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền dẫn đơn giản việc thay đổi , chuyển giao, điều khiển dung lượng cell thực linh hoạt 1.3 Hệ thống thông tin di động hệ 3: Để đáp ứng kịp thời dịch vụ ngày phong phú đa dạng người sử dụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa hệ thống thông tin di động tổ ong hệ thứ Hệ thống thông tin di động hệ với tên gọi ITM-2000 đưa muc tiêu sau: - Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo dịch vụ băng rộng truy cập Internet nhanh dịch vụ đa phương tiện - Linh hoạt để đảm bảo dịch vụ đánh số cá nhân điện thoại vệ tinh Các tính cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng hệ thống thơng tin di động - Tương thích với hệ thống thơng tin di động có để đảm bảo phát triển liên tục thông tin di động 3G hứa hẹn tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh , 384 Kbps cho người dùng di chuyển chậm 128 Kbps cho người dùng moto Cơng nghệ 3G dùng sóng mang 5MHz khơng phải sóng mang 200KHz CDMA nên 3G nhanh nhiều so với công nghệ 2G 2,5G Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động hệ ITM-2000 đề xuất, hệ thống WCDMA cdma-2000 ITU chấp thuận áp dụng năm gần Các hệ thống sử dụng công nghệ CDMA, điều cho phép thực tiêu chuẩn tồn giới cho giao diện thơng tin vơ tuyến Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm Chuyên đề Vơ tuyến truyền thơng Nhóm: 03 Giải pháp MRSINR dùng phương pháp vector riêng để tìm vector trọng lượng tối ưu chuổi giá trị riêng đơn giản (GE: Generalized Eigenvalue): R xx w MRSINR = λ R uu w MRSINR (3.32) Phương trình (3.32) phương trình đầy đủ cho trường hợp nhiễu tác động vào tín hiệu nhiễu màu (noise colored) Trong trường hợp việc xác định MSNR dựa vào việc phân chia ma trận hiệp phương sai tín hiệu thu thành khơng gian trực giao tìm giá trị vector riêng cho trực giao với thành phần nhiễu đáp ứng với thành phần tính hiệu cần thu Hai không gian trường hợp MRSINR beamforming chúng trực giao với khơng gian ma trận hiệp phương sai tín hiệu với nhiễu Điều cho phép dễ dàng điều chỉnh vector trọng số cho phù hợp với cấu trúc khơng gian tín hiệu khơng mong muốn 3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming Kỹ thuật MMSE (Minimum Mean Squared Error) dùng để tìm giá trị vector trọng lượng w MMSE mà làm cực tiểu sai lêch tín hiệu mẫu ban đầu với tín hiệu tổ hợp Sự sai định nghĩa phương trình sau : H e(k ) = d ( k ) − w x(k ), (3.33) Với d mẫu tín hiệu anten đầu tiên, w vector trọng lượng mảng, x vector tín hiệu thu mảng anten , k biểu thị cho mẩu tín hiệu xét Vì MMSE cho sau [ J = E e(k ) ] (3.34) Từ 3.33 ta viết lại sau : H J = E  d (k ) − w x(k )      [{ }{ H }] H = E d (k ) − w x(k ) d (k ) − w x( k ) [ = E [ d (k ) ] − r H * H H H = E d (k ) − d ( k ) x (k ) − d * (k ) w x(k ) + w x(k ) x (k ) w [ H xd H ] (3.35) H w − w r xd + w R xx w ] H Với R xx = E x(k ) x (k ) ma trận hiệp phương sai tín hiệu , r xd = E [ x(k )d * (k )] Là vector tương quan chéo vector tín hiệu thu x tín hiệu mẫu d MSE J nhỏ ∇( J ) = Với gradient vector định nghĩa sau : Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm 28 Chuyên đề Vô tuyến truyền thông ∂ ∇( J ) = Với ∂ ∂w * Nhóm: 03 ∂w (3.36) * dẫn xuất liên hợp vector w Vì ta viết ∇( J ) |w MMSE = (3.37) − 2r xd + R wMMSE = xx ⇒ R w MMSE = r xd (3.38) xx Từ 3.38 ta viết lại sau : −1 wMMSE = R r xd (3.39) xx Nếu tín hiệu thu bao gồm nhiễu giao thoa tiếng ồn R =R +R xx ss (3.40) uu Nếu tín hiệu nhiễu đến với góc tới θ d ,ta có ( )a(θ )a = E ( d )a (θ ) R =E d ss r xd H d (θ d ) (3.41) d Bằng cách áp dụng Woodbury’s Identity [2], ta   −1 R xx =  1 + E d  ( )   −1  R uu H −1 a (θ d ) R uu a(θ d )   (3.42) Như thế, trọng số MMSE tính sau −1 wMMSE = χ R a (θ ), uu ( )   E d   với χ =   H −1 1 + E d a (θ d ) R uu a (θ d )    ( ) (3.43) (3.44) So sánh biểu thức (3.43) với biểu thức (3.29), ta thấy vector trọng số MMSE khác MSINR số thực vô hướng Khi SINR ngõ beamformer không phụ thuộc vào số thực vô hướng này, vector trọng số MMSE làm cực đại SINR Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm 29 Chuyên đề Vô tuyến truyền thơng Nhóm: 03 3.5 So sánh MSINR MMSE Beamforming trường hợp đơn giản Phần tiến hành so sánh việc thực phương pháp MSINR MMSE trường hợp đơn giản Tín hiệu truyền bị ảnh hưởng nhiễu giao thoa nhiêu nhiệt, với thu tín hiệu dùng anten ULA phần tử, khoảng cách anten bước sóng sóng mang Với góc đến tín hiệu 30o , hai nhiễu truyền đến với góc đến 60o -60o Sau biểu đồ minh hoạ cho phương pháp: Hình 3.1 Biểu đồ thể đồ thị xạ anten ULA theo kỹ thuật MSINR MMSE Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm 30 Chuyên đề Vô tuyến truyền thơng Nhóm: 03 Hình 3.2 Giản đồ BER theo kỹ thuật MSINR MMSE Kết luận chương Trong chương nghiên cứu kỹ thuật khác Beamfermer Các kỹ thuật MSNR, MSINR MMSE Trong hai kỹ thuật MSNR MSINR dùng phương pháp giải tốn tìm giá trị riêng ma trận, kỹ thuật MMSE dựa vào tính tương quan tín hiệu thu tín hiệu mẫu Mục đích kỹ thuật làm giảm tỷ số tín hiệu/nhiễu đầu thu Beamformer Mỗi kỹ thuật có lợi điểm khác cấp độ tính tốn Trong chương tiếp nghiên cứu thuật toán khác cho kỹ thuật Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm 31 Chun đề Vơ tuyến truyền thơng Nhóm: 03 CHƯƠNG 4: CÁC THUẬT TOÁN BEAMFORMING Giới thiệu chương Chương sâu tìm hiểu thuật tốn khác để giải tốn tìm vector trọng lượng w mảng anten theo kỹ thuật khác kỹ thuật MSNR ,MSINR MMSE Đối với kỹ thuật MSNR MSINR việc giải tốn tìm w thực cách tìm vector riêng ma trận (bài toán SE kỹ thuật MSNR toán GE kỹ thuật MSINR), cịn kỹ thuật MMSE thực theo nguyên lý tìm w cho trung bình bình phương sai lệch tín hiệu thu tín hiệu mẫu nhỏ Có nhiều phương pháp để thực kỹ thuật Sau ta nghiên cứu phương pháp 4.1 Định nghĩa ma trận đánh giá độ phức tạp tính tốn Trước nghiên cứu thuật toán để giải vấn đề giá trị riêng đơn giản, cần định nghĩa chuẩn hay gọi đơn vị để đánh giá độ phức tạp tính tốn thuật tốn Xét vector x y có dạng sau: [ ] T [ ] T N N x = x + jximag x real + jximag real N N y = y + jy imag y real + jy imag real Lúc tích scalar vector có dạng sau: N {( ) ( i i i i i i i i x y = ∑ xreal yreal + ximag yimag + j ximag yreal − xreal yimag H i =1 )} (4.1) Ta nhận thấy thực tính tích scalar vector có kích thước N × phức tạp tính tốn tích vector có kích thước (N-1) × Ta định nghĩa O(ηN ) đại lượng để đánh giá độ phức tạp tính tốn phép tính scalar, với η số lần thực tích tích scalar, N kích thước vector Trong tài liệu sử dụng O(ηN ) làm đơn vị để so sánh độ phức tạp tính tốn thuật tốn 4.2 Thuật tốn cho kỹ thuật MSNR Trong kỹ thuật MSNR có phương pháp để giải tốn giá trị riêng đơn giản :  Phương pháp sức mạnh (power)  Phương pháp bội số nhân Lagrange  Phương pháp Liên hợp Gradien Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm 32 Chuyên đề Vô tuyến truyền thông Nhóm: 03 4.2.1 Phương pháp power Đây phương pháp hiệu để giải toán SE, phương pháp định nghĩa biểu thức cập nhật sau : w(i + 1) = R (k ) w(i ) λ (i ) ss (4.2) với giá trị riêng tính lặp lại sau H λ (i ) = w (i ) R (k ) w(i ) (4.3) ss H w (i ) w(i )  i tham số lặp theo mẫu tín hiệu k Khi i → ∞ , ta tìm giá trị riêng vector riêng phù hợp Khi tín hiệu đến thay đổi, ma trận hiệp phương sai tín hiệu thay đổi theo, lúc phương trình cập nhật ma trận hiệp phương sai tính sau : H R (k ) = f R (k − 1) + s (k ) s ( k ) ss ss (4.4)  f gọi hệ số bỏ quên, với f chọn cho 0< f λ1 ≥ λ2 , , λN −1 Nếu điều kiện ban đầu a0 ≠ , phương pháp power Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm 33 Chun đề Vơ tuyến truyền thơng Nhóm: 03 hội tụ (tìm vector riêng giá trị riêng thích hợp), q trình nhanh chóng hội tụ giá trị dự đốn ban đầu q0 phải phù hợp, trường hợp hệ số a0 phải khác nhiều so với hệ số khác Tín hiệu ngõ tương quan CDMA đáp ứng diều có điều s (0) khiển độ lợi Như vậy, chọn w(0) = s (0) giá trị bắt đầu tốt cho thuật toán lặp để giải toán SE Với s (0) mẫu vector tín hiệu ngỏ giải trải phổ (despreader) Trong chuyên đề dùng điều kiện ban đầu tất thuật toán dùng để giải toán SE GE dựa vào Eigen-Beamforming Nếu dùng giá trị tức thời ma trận hiệp phương sai H R (k ) = s(k ) s (k ) (đã có sẵn đầu thu), phương pháp power ss cho biểu thức sau : H y (k ) = w (k ) s (k ) q (k + 1) = y * (k ) s( k ) w(k + 1) = (4.7) q(k + 1) q(k + 1) Điều làm giảm bớt độ phức tạp tính tốn phương pháp power xuống O(3N) Tuy nhiên, để làm đơn giản độ phức tạp tính tốn gặp nhiều khó khăn việc mơ kết qua tính tốn khơng dùng phương pháp 4.2.2 Phương pháp bội số Lagrange Phương pháp dùng để tính tốn vector trọng số tối ưu việc xử lý đơn giản giá trị riêng Với mục đích tìm vector trọng số w làm cực đại giá trị H w R w với ràng buộc ss H w w = Như ta có hàm sau : J ( w) = w R ss w + γ (1 − w w), H H (4.8) Với γ bội số nhân lagrange cho ràng buộc w H w = Như thế, phương pháp tìm giá trị cực đại hàm J ( w) với ràng buộc H w w = Nếu có sử dụng phương pháp lặp để tìm vector trọng số w cho làm cho cực đại J ( w) , viết sau : w( k + 1) = w( k ) + µ ∇( k ) Giảng viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Viết Đảm (4.9) 34 Chun đề Vơ tuyến truyền thơng Nhóm: 03 Ở µ số thực dương chọn cho hội tụ thủ tục , ∇ gradient vector hàm J ( w) với tham số đáp ứng w H Vì phương trình cập nhật cho vector trọng số có sau : [ ] w( k + 1) = w( k ) + µ R ss ( k ) − γ ( k ) I w( k ) (4.10) Với I ma trận đơn vị N × N Ta nhận thấy phương trình (4.10) có dạng cấp số nhân, để đảm bảo cho hội tụ giá trị vector trọng số w phải thoả mãn điều kiện sau : 0