Các mục tiêu của IMT-2000
Các dịch vụ yêu cầu QOS khác nhau
IV KỸ THUẬT DS-CDMA
Chúng ta sẽ bắt đầu từ nguyê n lý của hệ thống CDMA
Giả sử có N nguồn phát chia sẻ một giao diện không gian chung Khi nguồn thứ i muốn gửi dữ liệu, tín hiệu băng hẹp S ni sẽ được truyền đi Xử lý trải phổ i () sẽ chuyển đổi tín hiệu băng hẹp tại điểm a thành tín hiệu băng rộng tại điểm b, nơi mà anten phát phát ra Trong kênh truyền, tín hiệu băng rộng Swi sẽ bị trộn lẫn với N-1 tín hiệu băng rộng khác và nhiễu.
Xử lý thu hẹp phổ tại bộ thu biến đổi thông tin băng rộng S wi thành tín hiệu băng hẹp S ni, đồng thời giữ lại các tín hiệu băng rộng khác trong vùng băng rộng Tỷ lệ phổ của các tín hiệu băng rộng và nhiễu trong băng thông sẽ cộng lại, tạo thành nhiễu cho S ni.
Trên kênh, tất cả các tín hiệu băng rộng tạo ra tín hiệu băng rộng tổng cộng ∑S wk
∑S wk = ∑ k (S nk ), k : Thuê bao thứ k trong cùng băng tần k k k : Xử lý trải phổ của thuê bao thứ k
Tại bộ thu, xử lý thu hẹp phổ đƣợc thực hiện:
Hình 2 : Mô hình hệ thống truyền thông trải phổ CDMA a b c d
Kỹ thuật DS-CDMA
Mô hình hệ thống
Chúng ta sẽ bắt đầu từ nguyê n lý của hệ thống CDMA
Giả sử có N nguồn phát chia sẻ một giao diện không gian chung, bất kỳ nguồn nào, ví dụ nguồn thứ i, muốn gửi dữ liệu Trong hình 2, S ni mô tả tín hiệu băng hẹp cần gửi đi Một xử lý trải phổ i () biến đổi tín hiệu băng hẹp tại điểm a thành tín hiệu băng rộng tại điểm b, với b là đầu ra của anten phát Trong kênh truyền, tín hiệu băng rộng Swi được trộn lẫn với N-1 tín hiệu băng rộng khác và nhiễu.
Xử lý thu hẹp phổ i () tại bộ thu biến đổi thông tin băng rộng S wi thành tín hiệu băng hẹp S ni, đồng thời giữ các tín hiệu băng rộng khác trong vùng băng rộng Tỷ lệ phổ của tín hiệu băng rộng và nhiễu trong độ rộng băng thông tin sẽ cộng lại như nhiễu cho S ni.
Trên kênh, tất cả các tín hiệu băng rộng tạo ra tín hiệu băng rộng tổng cộng ∑S wk
∑S wk = ∑ k (S nk ), k : Thuê bao thứ k trong cùng băng tần k k k : Xử lý trải phổ của thuê bao thứ k
Tại bộ thu, xử lý thu hẹp phổ đƣợc thực hiện:
Hình 2 : Mô hình hệ thống truyền thông trải phổ CDMA a b c d
Trang 5 k k,k≠i Hàm lọc thông dải F biến đổi phương trình này thành
Với kết quả này tín hiệu gốc S ni đƣợc tạo lại Tuy nhiên cũng có thành phần nhiễu cộng mức thấp ∑ S rik k,k≠i
Cấu trúc bộ phát
Bộ phát được cấu thành từ bộ trải phổ và bộ điều chế, như thể hiện trong sơ đồ khối ở hình 3 Nguồn dữ liệu S n (t) là tín hiệu lưỡng cực với giá trị ±.
Trong một chu kỳ bit Tb, tín hiệu được nhân với tín hiệu trải phổ tần số cao hơn C(t), một tín hiệu lưỡng cực với giá trị ± 1 Tín hiệu C(t) có chu kỳ Tc, được gọi là chu kỳ chip, thường nhỏ hơn nhiều so với Tb.
Một ví dụ trải phổ đƣợc chỉ ra trong hình 4 Tín hiệu ra là S c (t) Tb là bội số của Tc
Hệ số nhân thực tế là độ dài mã Trong ví dụ này độ dài mã là 12
S c (t) là tín hiệu băng rộng, trong khi S n (t) là tín hiệu băng hẹp Độ rộng băng của S c (t) được xác định bởi C(t), không phải S n (t) Tăng hệ số nhân Tb/Tc sẽ làm tăng độ rộng băng của S c (t), và tín hiệu này sẽ được cung cấp cho bộ điều chế Các kiểu bộ điều chế như BPSK, QPSK, và MSK chuyển tín hiệu băng gốc sang băng tần cao.
Cấu trúc bộ thu
Bộ thu thực hiện chức năng ngược lại so với bộ phát, hẹp phổ và giải điều chế tín hiệu thu được Để hoạt động hiệu quả, bộ thu cần có một khối thực hiện đồng bộ, như được thể hiện trong sơ đồ khối ở hình 5.
Tại đầu ra của bộ thu sẽ thu được tổng các tín hiệu gốc, các tín hiệu nhiễu tương quan thấp và nhiễu
Hình 3: Sơ đồ khối hệ thống phát trong thông tin trải phổ
Hình 4 : Xử lý trải phổ tại bộ phát
Mô hình kênh và bộ thu RAKE
Mã CDMA có khả năng loại bỏ các thành phần đa đường tại bộ thu nhờ hệ số độ lợi xử lý Gp Tuy nhiên, hiệu quả thu nhận có thể được cải thiện hơn nữa khi sử dụng bộ thu Rake để kết hợp các thành phần đa đường Hình 6 minh họa mô hình kênh đa đường cùng với cấu trúc bộ thu Rake tương ứng.
Điều khiển Công suất
Trong tuyến lên từ máy di động tới trạm gốc, tín hiệu từ thuê bao gần thường mạnh hơn tín hiệu từ thuê bao xa, gây ra hiện tượng nhiễu cao cho tín hiệu xa, được gọi là hiệu ứng xa-gần Để khắc phục vấn đề này, cần áp dụng điều khiển công suất nhằm đảm bảo công suất thu từ tất cả thuê bao được đồng đều.
Hình 5: Sơ đồ khối hệ thống thu trong thông tin tr ải phổ
Hình 6 a : Mô hình kênh đa đường
Kênh di động là một kênh truyền dẫn đa đường, trong đó các bản tin có thể bị suy hao và trễ Trễ của thành phần đa đường thứ i được biểu thị bằng ∑i, trong khi ai thể hiện mức suy hao của nó trong kênh Có một số thành phần đa đường hữu hạn với công suất đáng kể, trong ví dụ này có ba thành phần.
Hình 6 b : Sơ đồ khối của bộ thu Rake
Bộ thu Rake giành một nhánh cho mỗi thành phần đa đường Trong mỗi nhánh, tín hiệu thu được là tương quan với mã trải được đồng bộ
Các đầu ra được xử lý theo trọng số với các hệ số suy hao và kết hợp lại với nhau Do đặc tính tự nhiên của kênh di động thay đổi theo thời gian, trễ và suy hao cũng biến động; vì vậy, các hệ số của bộ thu Rake cần được điều chỉnh theo hướng thích nghi.
Trên đường xuống, tất cả tín hiệu được thu bởi trạm di động với công suất ngang nhau, do đó việc điều khiển công suất để loại bỏ hiệu ứng xa gần là không cần thiết Tuy nhiên, điều này có thể được áp dụng để tránh nhiễu giữa các tế bào lân cận và bù đắp cho mức mất mát tín hiệu, chuyển kênh fading thành kênh nhiễu trắng theo luật Gauss (AWGN) Hơn nữa, điều khiển công suất giúp giảm ảnh hưởng của các hiệu ứng màn chắn từ vật cản trên đường truyền và đảm bảo năng lượng phát thu tại thuê bao đạt mức tối thiểu, kéo dài tuổi thọ của pin trong các thiết bị cầm tay.
Có hai kiểu điều khiển công suất: a Điều khiển công suất mạch hở(Open-loop Power Control, hay điều khiển độ lợi tự động)
Trước khi trao đổi thông tin, trạm di động giám sát công suất tổng cộng nhận từ trạm gốc, cung cấp thông báo về khả năng dừng trao đổi của từng trạm di động Trạm di động điều chỉnh công suất phát tỷ lệ nghịch với công suất tín hiệu tổng cộng thu được, có thể cần điều khiển công suất cho dải động lên đến 80 dB Phương pháp điều khiển công suất vòng kín (Closed Loop Power Control) là một cách hiệu quả hơn để kiểm soát công suất dài hạn Trạm gốc liên tục cung cấp phản hồi cho mỗi trạm di động, cho phép chúng điều chỉnh công suất phát tương ứng Trạm gốc đánh giá công suất tín hiệu của thuê bao trên đường xuống, so sánh với ngưỡng danh định mong muốn, và phát lệnh một bit “1” để giảm hoặc tăng công suất phát Điều này được gọi là vòng điều khiển bang-bang, và để điều chỉnh công suất theo fading đa đường nhanh, tốc độ điều khiển công suất cần cao hơn khoảng mười lần so với tốc độ fading cực đại.
Trong một hệ thống thực, thường người ta kết hợp hai phương thức này
Các thuộc tính của dãy trực tiếp CDMA
Khả năng đa truy cập
Khi có nhiều thuê bao trong kênh, sẽ xuất hiện nhiều tín hiệu dãy trực tiếp DS chồng chất theo thời gian và tần số Nếu giả định rằng các tương quan chéo giữa mã của thuê bao mong đợi và các thuê bao khác là nhỏ, công suất nhiễu tại đầu ra của bộ thu sẽ thấp hơn nhiều so với công suất tín hiệu mong muốn.
Một ví dụ về khả năng đa truy cập kiểu kỹ thuật dãy trực tiếp DS-CDMA đƣợc chỉ ra trong hình 7
Hình 7 : Ví dụ khả năng đa truy cập trình bày trong miền tần số
Tín hiệu phát Sni(t) là tín hiệu băng hẹp Mật độ phổ công suất PSD của Sni(t) chiế m độ rộng băng Bi f
Tín hiệu chiế m độ rộng băng cao hơn nhiều lần sau khi nó đƣợc trải ra Mật độ phổ công suấtcủa nó lại nhỏ hơn sàn nhiễu f
Co phổ khôi phục tín hiệu băng hẹp mong muốn Các tín h iệu băng rộng khác bị loại bỏ, nhiễu chỉ còn trong băng thông tin Bi f f Bi Sww(f)
Tín hiệu băng rộng Swi(t) bị trộn với các tín h iệu băng rộng của các thuê bao khác trong kênh
Khả năng chống nhiễu trong trường hợp nhiễu băng hẹp
Khi có nhiễu chủ động băng hẹp trên kênh, khối co phổ hẹp tại bộ thu sẽ loại bỏ nhiễu này Khối co hẹp phổ chuyển đổi dữ liệu thuê bao băng rộng thành dạng băng hẹp Tuy nhiên, quá trình xử lý co hẹp, tương tự như xử lý trải phổ, dẫn đến việc tín hiệu nhiễu băng hẹp bị trải ra, từ đó giảm thiểu ảnh hưởng của dữ liệu nhiễu Khả năng chống nhiễu của CDMA được thể hiện rõ trong hình 8.
Trên kênh truyền, dữ liệu thuê bao băng rộng và dữ liệu nhiễu chủ động băng hẹp cùng tồn tại Như hình minh họa, nhiễu bị bóp méo chỉ chiếm một phần nhỏ trong phổ của người dùng.
Co hẹp : -1 (Sw+In) = -1 (Sw) + (In)
Sau khi co hẹp, tín hiệu thuê bao mong muốn thành băng hẹp và tín hiệu nhiễu thành băng rộng
Sau khi lọc thông dải:
Lọc : F(Sn+Iw) = Sn + Iwr
Chỉ một phần nhỏ công suất tín hiệu nhiễu có thể truyền qua bộ lọc Tỷ lệ công suất nhiễu tổng thể và ảnh hưởng của nhiễu được xác định theo tỷ lệ Gp=Bw/Bn, trong đó Bw là băng thông và Bn là băng thông nhiễu Đại lượng này được gọi là độ lợi xử lý, phản ánh hiệu quả của quá trình lọc tín hiệu.
BnHình 8 : Khả năng chống nhiễu trong trường hợp băng hẹp
Trang 12 Độ lợi xử lý Gp cho phép đánh giá có bao nhiêu tín hiệu nhiễu bị triệt Nếu mức nhiễu là quá cao, lược đồ được chỉ ra trong hình 8 có thể không đủ để khử ảnh hưởng của tín hiệu nhiễu Trong trường hợp này, xử lý lọc băng chặn dưới nên được áp dụng trước khi co hẹp phổ Điều này có thể, nếu băng tần hẹp của tín hiệu nhiễu được biết bởi đâu thu Đáng tiếc, khi bộ lọc này đƣợc áp dụng, tín hiệu của thuê bao mong muốn cũng bị mất mát Điều này có thể phải gánh chịu nếu tỷ lệ băng tần này với băng tần của thuê bao băng rộng tổng cộng là nhỏ hơn 1/5
Xử lý tiền lọc, trước đây chủ yếu được áp dụng trong lĩnh vực quân sự, hiện nay đã được sử dụng trong các mạng kiểu CDMA Trong các mạng này, tín hiệu CDMA tồn tại đồng thời với các tín hiệu băng hẹp, và các tín hiệu băng hẹp mức cao sẽ bị khử tại bộ thu thông qua quy trình xử lý tiền lọc và trải phổ.
Loại bỏ nhiễu đa đường
Một cách lý tưởng, dãy mã tốt cần có các thuộc tính sau:
Hệ thống CDMA không có tương quan chéo giữa các mã, điều này là chìa khóa trong việc thảo luận về khả năng đa truy cập và loại bỏ nhiễu băng hẹp.
Thuộc tính tự tương quan tốt yêu cầu rằng dãy mã không được có tự tương quan vượt ra ngoài khoảng [-Tc,Tc], trong đó Tc đại diện cho khoảng chip.
Nếu thuộc tính thứ hai được đáp ứng, bộ thu sẽ xử lý các tín hiệu vào qua các đường khác với độ trễ lớn hơn 2Tc, giúp loại bỏ các tín hiệu nhiễu không mong muốn.
Xác suất chặn thấp
Hệ thống DS-CDMA hoạt động trên phổ rộng với mật độ phổ công suất thấp, điều này khiến việc dò tìm dãy DS trở nên khó khăn trong các mức sàn nhiễu.
Tính bảo mật
Mã chỉ được biết bởi bộ thu để bảo đảm tính riêng tư và có thể cần thay đổi thường xuyên để nâng cao bảo mật Kế hoạch trong tương lai là phát triển mã hóa số nhằm cung cấp mức độ bảo mật và riêng tư cao hơn.
6 Các ưu điểm cài đặt
- Tín hiệu đƣợc mã hoá đƣợc tạo dễ dàng vì nó chỉ cần một phép nhân
- Tạo sóng mang là đơn giản, chỉ cần một tần số sóng mang
- Không đồng bộ là cần thiết cho nhiều thuê bao
7 Tách tín hiệu đa thuê bao
Các bộ thu CDMA sử dụng bộ thu RAKE coi tín hiệu từ các thuê bao khác như nhiễu, dẫn đến việc chất lượng dịch vụ suy giảm khi có nhiều thuê bao tham gia Tuy nhiên, với các bộ thu tối ưu, tất cả các tín hiệu được tách riêng và nhiễu được loại bỏ Điều này dựa trên các thuộc tính tương quan đã biết, cho thấy khả năng kiểm soát nhiễu hiệu quả.
Tách tín hiệu đa thuê bao giúp giảm ảnh hưởng của nhiễu MAI (multiple access interference) và dung lượng, đồng thời giải quyết vấn đề gần-xa bằng cách tách tín hiệu có công suất cao gần trạm gốc và loại bỏ nhiễu từ tín hiệu vào Tuy nhiên, việc này rất phức tạp và khó thực hiện trong thực tế Do đó, một số bộ thu với điều kiện tối ưu (suboptimum) được sử dụng, trong đó bộ thu khử nhiễu là một giải pháp hiệu quả, giúp đánh giá và loại bỏ MAI khỏi tín hiệu thu được.
Trong hệ thống tế bào sử dụng công nghệ FDMA, các tế bào lân cận được phân bổ các tập tần số khác nhau Khi tín hiệu thu từ một trạm gốc lân cận vượt quá ngưỡng tín hiệu của trạm gốc hiện tại, đơn vị di động sẽ ngừng kết nối với trạm gốc hiện tại và chuyển sang kết nối với trạm lân cận Quá trình này được gọi là chuyển giao cứng (hard handover).
Trong hệ thống CDMA, việc các tế bào lân cận sử dụng cùng băng tần có thể gây ra nhiễu dư thừa và giảm hiệu suất nếu áp dụng chuyển giao cứng Thay vào đó, chuyển giao mềm là một phương pháp hiệu quả hơn, cho phép đơn vị di động chuyển sang trạng thái này khi tín hiệu từ tế bào lân cận vượt ngưỡng nhất định nhưng vẫn thấp hơn tín hiệu của trạm hiện tại Trong trạng thái chuyển giao mềm, trạm di động có thể kết nối với cả hai trạm, và công suất phát được điều chỉnh bởi trạm có tín hiệu mạnh hơn Hình 9 minh họa rõ ràng về chuyển giao mềm.
CDMA rất thích hợp cho việc chuyển giao mềm, cho phép nhiều trạm gốc nhận tín hiệu từ một trạm di động trong tuyến lên Trong tuyến xuống, thiết bị di động có khả năng thu thập và kết hợp tín hiệu từ nhiều thuê bao khác nhau nhờ vào bộ thu RAKE, tạo nên tính thu phân tập quy mô lớn.
CDMA đề xuất chuyển giao mềm hơn (softer handoffs), cho phép một thuê bao giao tiếp đồng thời với nhiều dải quạt (sector) trong cùng một tế bào.
Các ưu điểm của chuyển giao như dưới đây:
- Chuyển giao mềm loại bỏ sự ngắt quãng rất ngắn trong lúc chuyển giao của âm thoại xảy ra với các công nghệ khác CDMA
Một số hệ thống tế bào gặp phải hiện tượng nhảy qua lại (pingpong), khiến cuộc gọi có thể chuyển giao giữa hai tế bào khi người dùng ở gần biên giới Điều này có thể dẫn đến việc rớt cuộc gọi hoặc gây ra tiếng ồn trong quá trình chuyển giao Tuy nhiên, các chuyển giao CDMA hoàn toàn tránh được hiện tượng này Cuộc gọi CDMA có khả năng duy trì điều kiện chuyển giao mềm với ba tế bào cùng lúc, giảm thiểu nguy cơ mất kết nối một cách đáng kể.
Hình 9 : Chuyển giao mềm với hai trạm gốc
Trên đường lên, tín hiệu từ trạm di động được hai trạm gốc thu nhận và chuyển đến bộ điều khiển trạm gốc để đánh giá Ngược lại, trên đường xuống, thông tin được phát từ cả hai trạm gốc đến đơn vị di động, nơi mà nó được xử lý như các tín hiệu đa đường và kết hợp lại.
9 Lập kế hoạch hệ thống đơn giản
- Không cần lập kế hoạch chi tiết
Không cần điều chỉnh tần số để mở rộng hệ thống Tuy nhiên, khi bổ sung vào một hệ thống tương tự hiện có, kế hoạch tần số sẽ cần thiết để loại bỏ phổ cho các sóng mang CDMA.
10 Chất lượng cuộc gọi được cải thiện
Các hệ thống tế bào cơ sở CDMA mang lại chất lượng thoại vượt trội và giảm thiểu tình trạng rớt cuộc gọi so với các hệ thống khác Điều này xuất phát từ khả năng xử lý tín hiệu hiệu quả và tối ưu hóa băng thông, giúp cải thiện trải nghiệm người dùng.
- Khả năng phát hiện lỗi và sửa lỗi cao
- Các vocoders cung cấp mã tốc độ cao và giảm nhiễu nền
- Sử dụng nhiều kiểu phân tập để tăng chất lƣợng thoại
Phân tập tần số giúp giảm khả năng chọn lọc tần số, trong khi phân tập không gian sử dụng hai anten thu để cải thiện tín hiệu Phân tập tuyến, thông qua bộ thu Rake, nâng cao khả năng thu tín hiệu bị nhiễu đa đường, từ đó cải thiện chất lượng âm thanh Cuối cùng, phân tập thời gian bao gồm việc chèn và mã hóa để tối ưu hóa truyền tải dữ liệu.
- Chuyển giao mềm góp phần nâng cao chất lƣợng thoại
Điều khiển công suất chính xác là yếu tố quan trọng giúp các trạm di động hoạt động gần với mức năng lượng tối ưu, từ đó đảm bảo chất lượng thoại cao nhất có thể.
11 Cải thiện vùng phủ sóng
Khi hệ thống mới được triển khai, số lượng thuê bao rất ít, dẫn đến nhu cầu xử lý lưu lượng cũng hạn chế Tuy nhiên, việc này vẫn cần thiết để đảm bảo có một phạm vi phủ sóng ban đầu rộng rãi.
Tế bào CDMA có khả năng phủ sóng rộng hơn so với các tế bào số hoặc tương tự, do đó, số lượng tế bào CDMA cần thiết để phủ sóng một diện tích nhất định là rất ít.
12 Độ rông băng theo yêu cầu
Tách tín hiệu đa thuê bao
Các bộ thu CDMA sử dụng bộ thu RAKE coi tín hiệu từ các thuê bao khác là nhiễu, dẫn đến suy giảm chất lượng dịch vụ khi có nhiều thuê bao tham gia Tuy nhiên, trong các bộ thu tối ưu, tất cả tín hiệu được tách biệt và nhiễu được loại bỏ, nhờ vào các thuộc tính tương quan đã biết, cho thấy khả năng kiểm soát nhiễu hiệu quả.
Tách tín hiệu đa thuê bao giúp giảm ảnh hưởng của nhiễu MAI (multiple access interference) và giảm dung lượng, đồng thời giải quyết vấn đề gần-xa bằng cách tách tín hiệu công suất cao gần trạm gốc và loại bỏ nhiễu Tuy nhiên, quá trình này phức tạp và khó thực hiện trong thực tế, do đó, một số bộ thu với điều kiện tối ưu (suboptimum) được áp dụng Một trong số đó là bộ thu khử nhiễu, có khả năng đánh giá và trừ bỏ MAI khỏi tín hiệu thu được.
Chuyển giao mềm
Trong hệ thống tế bào sử dụng công nghệ FDMA, các tế bào lân cận hoạt động trên các tập tần số khác nhau Khi công suất tín hiệu thu từ một trạm gốc lân cận vượt quá ngưỡng tín hiệu của trạm gốc hiện tại, đơn vị di động sẽ ngừng kết nối với trạm gốc hiện tại và chuyển sang trạm lân cận Quá trình này được gọi là chuyển giao cứng (hard handover).
Trong hệ thống CDMA, việc sử dụng cùng một băng tần cho các tế bào lân cận có thể dẫn đến nhiễu dư thừa và giảm hiệu suất khi chuyển giao cứng được áp dụng Để khắc phục vấn đề này, phương pháp chuyển giao mềm được sử dụng, cho phép đơn vị di động chuyển sang trạng thái chuyển giao mềm khi tín hiệu từ tế bào lân cận vượt quá ngưỡng nhất định nhưng vẫn thấp hơn tín hiệu của trạm hiện tại Trong trạng thái này, trạm di động có thể kết nối với cả hai trạm, với công suất phát được điều khiển bởi trạm có tín hiệu mạnh hơn, như minh họa trong Hình 9.
CDMA rất lý tưởng cho việc chuyển giao mềm, cho phép nhiều trạm gốc nhận tín hiệu từ một trạm di động trong tuyến lên Trong tuyến xuống, thiết bị di động có khả năng thu thập và kết hợp tín hiệu từ các thuê bao khác nhờ vào bộ thu RAKE, được gọi là tính thu phân tập quy mô lớn.
CDMA đã đề xuất phương pháp chuyển giao mềm hơn (softer handoffs), cho phép một thuê bao giao tiếp đồng thời với nhiều dải quạt (sector) trong cùng một tế bào.
Các ưu điểm của chuyển giao như dưới đây:
- Chuyển giao mềm loại bỏ sự ngắt quãng rất ngắn trong lúc chuyển giao của âm thoại xảy ra với các công nghệ khác CDMA
Một số hệ thống tế bào gặp phải hiện tượng nhảy qua lại (pingpong), khiến cuộc gọi có thể chuyển đổi giữa hai tế bào khi người dùng ở gần biên giới giữa chúng Tình huống tồi tệ nhất có thể dẫn đến việc rớt cuộc gọi hoặc gây ra sự chuyển giao không ổn định Tuy nhiên, các chuyển giao CDMA hoàn toàn tránh được hiện tượng này Cuộc gọi sử dụng công nghệ CDMA có thể duy trì trong điều kiện chuyển giao mềm với ba tế bào cùng lúc, do đó giảm thiểu đáng kể khả năng mất kết nối.
Hình 9 : Chuyển giao mềm với hai trạm gốc
Trên đường lên, tín hiệu từ trạm di động được hai trạm gốc thu nhận và chuyển tới bộ điều khiển trạm gốc để đánh giá Ngược lại, trên đường xuống, thông tin này được phát đồng thời từ hai trạm gốc tới đơn vị di động, nơi tín hiệu được xử lý như các tín hiệu đa đường và kết hợp lại.
Lập kế hoạch hệ thống đơn giản
- Không cần lập kế hoạch chi tiết
Không cần điều chỉnh tần số để mở rộng hệ thống Tuy nhiên, khi bổ sung như một biện pháp chống chất trong hệ thống tương tự hiện có, kế hoạch tần số sẽ cần thiết để xoá phổ cho các sóng mang CDMA.
10 Chất lượng cuộc gọi được cải thiện
Các hệ thống tế bào cơ sở CDMA cung cấp chất lượng thoại vượt trội và giảm thiểu tình trạng rớt cuộc gọi so với các hệ thống khác Điều này là nhờ vào công nghệ tiên tiến và khả năng quản lý tần số hiệu quả của CDMA.
- Khả năng phát hiện lỗi và sửa lỗi cao
- Các vocoders cung cấp mã tốc độ cao và giảm nhiễu nền
- Sử dụng nhiều kiểu phân tập để tăng chất lƣợng thoại
Phân tập tần số giúp giảm khả năng chọn lọc tần số, bao gồm các phương pháp như phân tập không gian sử dụng hai anten thu, phân tập tuyến với bộ thu Rake cải tiến để thu tín hiệu qua nhiễu đa đường và nâng cao chất lượng âm thanh, cũng như phân tập thời gian thông qua chèn và mã hoá.
- Chuyển giao mềm góp phần nâng cao chất lƣợng thoại
Điều khiển công suất chính xác giúp các trạm di động hoạt động gần với mức năng lượng tối ưu, từ đó nâng cao chất lượng thoại đến mức tốt nhất có thể.
11 Cải thiện vùng phủ sóng
Khi hệ thống mới hoạt động, số lượng thuê bao còn hạn chế, dẫn đến ít tế bào cần xử lý lưu lượng Tuy nhiên, việc này vẫn quan trọng để đảm bảo phạm vi phủ sóng ban đầu rộng rãi.
Tế bào CDMA có khả năng phủ sóng rộng hơn so với các tế bào số hoặc tương tự, do đó, số lượng tế bào CDMA cần thiết để phủ sóng một khu vực nhất định là rất ít.
12 Độ rông băng theo yêu cầu
Kênh CDMA băng rộng chia sẻ tài nguyên chung giữa tất cả các trạm di động trong hệ thống, phục vụ cho nhu cầu đa dạng như truyền thoại, dữ liệu, fax và các ứng dụng khác Tại mỗi thời điểm, tỷ lệ băng thông không sử dụng bởi một máy di động cụ thể sẽ được dự trữ sẵn.
Trang 16 sàng cho máy di động bất kỳ khác Điều này cung cấp mềm dẻo một dung lƣợng tài nguyên rất lớn
13 Tăng thời gian sống(talk time)
Việc điều khiển công suất chính xác và các đặc trưng hệ thống khác giúp các đơn vị thuê bao phát một phần nhỏ công suất so với điện thoại tương tự và TDMA, từ đó tiết kiệm năng lượng pin và kéo dài thời gian đàm thoại.
Trong hệ thống CDMA, không có giới hạn về số lượng thuê bao như trong TDMA và FDMA Tuy nhiên, hiệu suất hệ thống sẽ giảm khi số thuê bao hoạt động gia tăng, và khi số lượng vượt quá ngưỡng nhất định, nhiễu có thể làm âm thoại khó nghe, dẫn đến sự mất ổn định của hệ thống Đặc biệt, CDMA cho phép điều kiện "soft blocking", khác với "hard blocking" trong FDMA và TDMA, nơi tất cả các kênh đều bị chiếm giữ.
Trong các hệ thống tế bào, có thể đạt đƣợc độ lợi dung lƣợng cao theo hai cách dưới đây:
- Tăng thêm số lƣợng kênh theo Mhz phổ
CDMA áp dụng phương pháp sử dụng lại tần số trên mỗi dải quạt của mỗi tế bào, với hệ số sử dụng lại là 1, giúp tăng cường dung lượng toàn hệ thống Dung lượng được đo bằng số lượng thuê bao tối đa hoạt động trong mạng nhiều tế bào so với số lượng thuê bao tối đa trên một băng tần hoặc trong một tế bào riêng lẻ Tuy nhiên, dung lượng thực tế có thể thay đổi giữa các tế bào và dải quạt khác nhau, phụ thuộc vào địa hình, mức độ nhiễu, đặc điểm lan truyền và các yếu tố khác.
CDMA vượt trội hơn các kỹ thuật đa truy cập khác về mặt dung lượng nhờ vào khả năng trải phổ, giúp làm vô hiệu hóa nhiễu.
Trong các hệ thống băng hẹp, việc duy trì dung lượng bổ sung là cần thiết để giảm thiểu nhiễu đồng kênh Thời gian và băng tần sử dụng có thể chiếm tới 20% tổng dung lượng của hệ thống mạng.
CDMA đƣợc thiết kế để chịu đựng một mức nhiễu nào đó, và nhƣ vậy có một lợi thế về dung lƣợng d Giám sát hoạt động thoại
Trong cuộc trò chuyện giữa hai người, mỗi người chỉ chiếm khoảng 35% thời gian Trong hệ thống CDMA, khi không có cuộc gọi diễn ra, tất cả các thuê bao đang hoạt động khác chỉ chịu nhiễu thấp, điều này giúp tăng dung lượng hệ thống lên 2.5 lần.
Một trạm gốc không được phép điều chỉnh công suất của các thuê bao trong các tế bào lân cận, vì điều này có thể tạo ra nhiễu bổ sung Nhiễu này làm giảm dung lượng của đường xuống, từ đó ảnh hưởng đến hệ số tái sử dụng thực của hệ thống CDMA.
16 Dung lượng đường xuống trong hệ thống tế bào CDMA
Trong hệ thống CDMA, có hai loại nhiễu: nhiễu nội bộ tế bào và nhiễu giữa các tế bào Đối với K thuê bao trong một tế bào, nhiễu nội bộ tế bào không nhỏ hơn (K-1), nhưng trong truyền thoại, nhiễu này được giảm bớt nhờ hệ số hoạt động thoại Do đó, nhiễu nội bộ không ảnh hưởng nhiều như nhiễu giữa các tế bào, và đây là yếu tố quyết định dung lượng hệ thống Hình 10 minh họa tác động của tải tế bào lân cận đối với dung lượng.
Hình 10:Dung lượng của hệ thống CDMA trên một dải quạt dưới các điều kiện tải của các tế bào lân cận khác nhau
Cải thiện vùng phủ sóng
Khi hệ thống mới được triển khai, số lượng thuê bao còn hạn chế, dẫn đến việc yêu cầu xử lý lưu lượng rất ít Tuy nhiên, việc này vẫn cần thiết để đảm bảo phạm vi phủ sóng ban đầu rộng rãi.
Tế bào CDMA có khả năng phủ sóng rộng hơn so với các tế bào số hoặc tương tự, điều này dẫn đến việc chỉ cần ít tế bào CDMA để bao phủ cùng một diện tích.
Độ rông băng theo yêu cầu
Một kênh CDMA băng rộng chia sẻ tài nguyên chung giữa tất cả các trạm di động trong hệ thống, tùy thuộc vào nhu cầu cụ thể như truyền thoại, dữ liệu, fax hoặc các ứng dụng khác Tại mỗi thời điểm, tỷ lệ băng thông không được sử dụng bởi một máy di động xác định trước sẽ luôn có sẵn.
Trang 16 sàng cho máy di động bất kỳ khác Điều này cung cấp mềm dẻo một dung lƣợng tài nguyên rất lớn.
Tăng thời gian sống(talk time)
Việc điều khiển công suất chính xác và các đặc trưng hệ thống khác cho phép các đơn vị thuê bao phát một phần nhỏ công suất so với điện thoại tương tự và TDMA, từ đó tiết kiệm năng lượng của bộ PIN và kéo dài thời gian đàm thoại.
Giải quyết nghẽn mềm
Trong hệ thống CDMA, không bị giới hạn số lượng thuê bao như trong TDMA và FDMA, nhưng hiệu suất sẽ giảm khi số thuê bao hoạt động tăng lên Khi số lượng thuê bao vượt quá một ngưỡng nhất định, hiện tượng nhiễu có thể làm cho âm thoại trở nên khó nghe và gây mất ổn định cho hệ thống Tuy nhiên, CDMA cho phép điều kiện này được nới lỏng thông qua khái niệm "soft blocking", khác với "hard blocking" trong FDMA và TDMA, nơi tất cả các kênh đều bị chiếm giữ.
Độ lợi dung lƣợng
Trong các hệ thống tế bào, có thể đạt đƣợc độ lợi dung lƣợng cao theo hai cách dưới đây:
- Tăng thêm số lƣợng kênh theo Mhz phổ
CDMA sử dụng phương pháp tăng số lượng kênh tái sử dụng trên một đơn vị diện tích địa lý bằng cách áp dụng cùng tần số trong mỗi dải quạt của mỗi tế bào, với hệ số sử dụng lại là 1 Điều này giúp cải thiện dung lượng toàn bộ hệ thống, được đo bằng số lượng tối đa các thuê bao hoạt động trong mạng nhiều tế bào so với số thuê bao tối đa trên băng thông hoặc trong một tế bào riêng lẻ Tuy nhiên, dung lượng thực tế có thể thay đổi giữa các tế bào và dải quạt khác nhau, phụ thuộc vào địa hình, mức độ nhiễu, đặc điểm lan truyền và một số yếu tố khác.
CDMA vượt trội hơn các kỹ thuật đa truy cập khác về khả năng dung lượng nhờ vào các đặc điểm nổi bật của hệ thống, trong đó trải phổ giúp làm giảm thiểu nhiễu hiệu quả.
Trong các hệ thống băng hẹp, việc duy trì dung lượng bổ sung là cần thiết để giảm thiểu nhiễu đồng kênh Thời gian và băng tần cần được tối ưu hóa, vì chúng có thể chiếm tới 20% tổng dung lượng của hệ thống mạng.
CDMA đƣợc thiết kế để chịu đựng một mức nhiễu nào đó, và nhƣ vậy có một lợi thế về dung lƣợng d Giám sát hoạt động thoại
Trong một cuộc đàm thoại giữa hai người, mỗi bên chỉ chiếm khoảng 35% thời gian Trong hệ thống CDMA, khi không có cuộc trò chuyện, tất cả các thuê bao đang hoạt động khác chỉ chịu nhiễu ở mức thấp Điều này giúp tăng dung lượng hệ thống lên 2.5 lần.
Một trạm gốc không được phép điều khiển công suất của thuê bao trong các tế bào lân cận, vì điều này có thể tạo ra nhiễu bổ sung và làm giảm dung lượng đường xuống Hệ số tái sử dụng thực của hệ thống CDMA vì vậy bị ảnh hưởng bởi sự can thiệp này.
Dung lượng đường xuống trong hệ thống tế bào CDMA
Trong hệ thống CDMA, có hai loại nhiễu chính: nhiễu nội bộ tế bào và nhiễu giữa các tế bào Đối với K thuê bao trong một tế bào, nhiễu nội bộ tế bào không nhỏ hơn (K-1), nhưng trong truyền thoại, nhiễu này được giảm thiểu nhờ hệ số hoạt động thoại Do đó, ảnh hưởng của nhiễu nội bộ tế bào không lớn như nhiễu giữa các tế bào, mà nhiễu giữa các tế bào lại là yếu tố quyết định dung lượng hệ thống Hình 10 minh họa tác động của tải tế bào lân cận đến dung lượng.
Hình 10:Dung lượng của hệ thống CDMA trên một dải quạt dưới các điều kiện tải của các tế bào lân cận khác nhau
Theo hình ảnh, đường xuống có khả năng hỗ trợ 36 thuê bao trên một dải quạt hoặc 108 thuê bao trên một tế bào với hiệu suất BER dưới 0.001, đảm bảo 99% thời gian không vượt quá mức quá tải Nếu số lượng thuê bao trên các tế bào lân cận giảm một nửa, tổng số thuê bao hỗ trợ trên một tế bào có thể tăng lên tới 144 Với phần chia phổ tổng cộng là 12.5 MHz và việc sử dụng CDMA dọc theo toàn bộ hệ thống tế bào, dung lượng tổng thể của hệ thống có thể tăng gấp 10 lần so với mức quá tải.
Trong các hệ thống tế bào tương tự FDMA, độ rộng kênh là 30 kHz, cho phép tối đa 42 thuê bao trong một tế bào với băng tần 1.25 MHz Với hệ số sử dụng lại tần số là 7, tổng số thuê bao mà hệ thống hỗ trợ với băng tần 12.5 MHz là 60 Do đó, CDMA có khả năng hỗ trợ cao hơn FDMA là 18 thuê bao.
Theo tiêu chuẩn IS-54, độ rộng kênh là 30 kHz, cho phép ba thuê bao chia sẻ một kênh tần số dựa trên công nghệ TDMA, giúp tăng dung lượng gấp ba lần so với FDMA Tuy nhiên, công nghệ CDMA mang lại hiệu suất tốt hơn gấp sáu lần.
17 Dung lượng tuyến lên Đường lên không chịu ảnh hưởng của hiệu ứng xa gần Do vậy, không cần điều khiển công suất Tuy nhiên, trạm di động nhận nhiễu từ các trạm gốc lân cận Vì lẽ đó cần tăng công suất đối với các trạm di động bị nhiễu lớn nhất do các trạm gốc lân cận Điều khiển công suất đạt đƣợc nhờ thực hiện đo công suất máy di động thu từ trạm gốc của nó và công suất thu đƣợc tổng cộng Thông tin về hai công suất này đƣợc phát tới trạm gốc Hình 11 chỉ ra số lượng thuê bao được phép trên một dải quạt dưới điều kiện BER khác nhau
Theo hình trên, tuyến lên có khả năng hỗ trợ BER đạt 0.001, vì hơn 99% thời gian cho phép 38 thuê bao trên một dải quạt hoặc 114 thuê bao trên một tế bào.
18 Dung lượng Erlang của đường xuống
Trong các mạng điện thoại, chất lƣợng đƣợc đánh giá bởi sắc xuất tắc nghẽn (blocking probability) Dịch vụ chấp nhận được nếu sắc xuất tắc nghẽn nhỏ dưới 2%
Số lƣợng thuê bao trung bình yêu cầu dịch vụ đƣa ra sắc xuất tắc nghẽn xác địn h đƣợc gọi là dung lƣợng Erlang của hệ thống
Trong hệ thống FDMA và TDMA, số lượng thuê bao bị giới hạn bởi khe thời gian và tần số có sẵn, dẫn đến tình trạng tắc nghẽn khi số thuê bao vượt quá giới hạn này Ngược lại, trong CDMA, không có giới hạn về số lượng thuê bao, nhưng để đảm bảo chất lượng dịch vụ, tỷ số tín hiệu trên nhiễu tổng phải duy trì ở mức nhất định Tắc nghẽn sẽ xảy ra khi tỷ số này không được đảm bảo.
Khi phổ tần số tổng cộng là 12.5 MHz và yêu cầu cấp bậc dịch vụ GOS là 0.01, dung lượng Erlang cho các công nghệ CDMA, FDMA và TDMA được xác định như sau.
Dung lượng Erlang cho các công nghệ truyền thông khác nhau được xác định như sau: FDMA đạt 12.43 Erlangs mỗi sector, TDMA đạt 46.8 Erlangs mỗi sector, và CDMA đạt 250 Erlangs mỗi sector Trong trường hợp tỷ lệ fading cao và không có khả năng điều khiển công suất vòng kín để chuyển đổi nhanh sang fading Raleigh, dung lượng Erlang của đường xuống có thể giảm từ 3 đến 4 Erlangs.
Hình 11 :Số lƣợng thuê bao trên dải quạt và BER
Dung lượng Erlang của đường xuống
Trong các mạng điện thoại, chất lƣợng đƣợc đánh giá bởi sắc xuất tắc nghẽn (blocking probability) Dịch vụ chấp nhận được nếu sắc xuất tắc nghẽn nhỏ dưới 2%
Số lƣợng thuê bao trung bình yêu cầu dịch vụ đƣa ra sắc xuất tắc nghẽn xác địn h đƣợc gọi là dung lƣợng Erlang của hệ thống
Trong hệ thống FDMA và TDMA, số lượng thuê bao bị giới hạn bởi số khe thời gian và tần số có sẵn, dẫn đến tình trạng tắc nghẽn khi số thuê bao vượt quá giới hạn này Ngược lại, trong CDMA, không có giới hạn cho số lượng thuê bao, nhưng để đảm bảo chất lượng dịch vụ, tỷ số tín hiệu trên nhiễu tổng phải duy trì ở mức nhất định Tắc nghẽn sẽ xảy ra khi tỷ số này bị vi phạm.
Khi phổ tần số tổng cộng là 12.5 MHz và yêu cầu cấp bậc dịch vụ GOS là 0.01, dung lượng Erlang của các công nghệ CDMA, FDMA và TDMA được xác định như sau.
Dung lượng Erlang cho các phương thức truyền thông khác nhau là: FDMA đạt 12.43 Erlangs/sector, TDMA đạt 46.8 Erlangs/sector, và CDMA đạt 250 Erlangs/sector Khi tỷ lệ fading cao và không có khả năng điều khiển công suất vòng kín để chuyển sang fading Raleigh nhanh, dung lượng Erlang của đường xuống có thể giảm từ 3 đến 4 Erlangs.
Hình 11 :Số lƣợng thuê bao trên dải quạt và BER
smart anten và ứng dụng trong hệ thống CDMA
Hệ thống Anten
1 khái niệm về hệ thống Anten và anten thông minh
Anten là thiết bị phát sóng vô tuyến, tạo ra đường truyền dẫn trong không gian tự do Nó cũng đóng vai trò là bộ thu năng lượng điện từ, giúp xử lý và phát hiện thông tin từ sóng điện từ nhận được.
Ngành công nghiệp vô tuyến di động đang phát triển nhanh chóng, với các nhà cung cấp liên tục mở rộng dịch vụ và nâng cao chất lượng, trong khi phí dịch vụ ngày càng giảm Nhu cầu này thúc đẩy việc mở rộng phạm vi phủ sóng và cải thiện dung lượng cùng chất lượng dịch vụ để đáp ứng mong đợi của người tiêu dùng.
Việc áp dụng kỹ thuật anten thích nghi trong hệ thống tế bào được đề xuất nhằm giải quyết những thách thức mà các nhà cung cấp dịch vụ đang gặp phải, như số lượng thuê bao tăng nhanh trong khi băng tần hạn chế Martin Coope, nhà phát minh điện thoại di động, đã nhấn mạnh rằng mối lo ngại chính không phải là thiếu phổ, mà là thiếu khả năng sử dụng phổ một cách hiệu quả.
Anten thông minh, hay hệ anten thích nghi, là một hệ thống gồm các phần tử anten có khả năng xử lý tín hiệu và tối ưu hóa giản đồ hướng trong chế độ thu phát cho tín hiệu mong muốn Chúng có khả năng tạo ra các giản đồ hướng khác nhau cho từng thuê bao, giúp tối ưu hóa ảnh hưởng của nhiễu cho mỗi thuê bao và trạm gốc Nhờ đó, anten thông minh mở rộng vùng phủ sóng của trạm gốc, giảm nhiễu đồng kênh và pha đinh đa đường, từ đó giảm tỷ lệ lỗi bit và nâng cao hiệu quả cải thiện dung lượng hệ thống và phổ tần.
Kỹ thuật xử lý không gian có tiềm năng nâng cao hiệu suất tín hiệu vô tuyến di động một cách đáng kể Nguyên lý này có thể được áp dụng để phát triển các anten thông minh, sử dụng kỹ thuật thích nghi cho các anten với giản đồ hướng hình dải quạt.
Vì vậy, khải niệm anten thông minh trở nên rất hấp dẫn cho ngành công nghiệp thông tin di động, đặc biệt là trong những năm gần đây
2 Một số khái niệm cơ bản có liên quan
Anten vô hướng là anten bức xạ năng lượng theo mọi hướng
Mật độ công suất bức xạ tính theo đơn vị watts/rad 2 đƣợc ký hiệu bởi: U (,)
Trong đó: = góc phương vị và= góc đứng
Công suất tổng cộng đƣợc phát bởi anten là:
Mật độ công suất trung bình được tính bằng công thức U avg = P t / 4π Anten đẳng hướng, hay còn gọi là anten vô hướng, có mật độ công suất trung bình là U avg = U(θ, φ) Mật độ công suất cực đại của anten được ký hiệu là U max = max{U(θ, φ)}.
Hệ số tăng ích anten đƣợc định nghĩa bởi => G (,) U (,) / U avg trong đó là hiệu suất anten Độ tăng ích đỉnh của anten => G peak U m ax / U avg
Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng (EIRP) là chỉ số công suất cần thiết khi sử dụng anten đẳng hướng để đạt được mật độ công suất tương đương với anten định hướng Công thức tính EIRP được trình bày dưới đây.
Theo một hướng cho trước (tại bán kính = r), năng lượng tổng cộng truyền qua một diện tích A =>
P r t Độ tăng ích cực đại của anten có độ mở=A m đƣợc cho bởi:
Vì vậy, biểu thức cho độ mở hiệu dụng của anten => A e A m 2 G / 4
Sơ đồ đơn giản của đường truyền vô tuyến
Năng lƣợng nhận đƣợc tại anten thu tính theo công thức: P r G t P t A /( 4 d 2 ) Phương trình này được đặt tên là phương trình liên kết trong không gian tự do Friis
Khi chuyển sang dB ta có: P r ( dB) P t ( dB) G t ( dB) G r ( dB) L p ( dB) với L p = path loss
3 Một số kiểu anten dùng trong thông tin di động
Có nhiều loại anten với các đặc trưng riêng như trở kháng, độ rộng búp sóng, dải tần, phân cực, mức độ búp sóng chính và hình dạng giản đồ hướng Các anten có thể được tổ chức thành hệ thống dàn để tạo ra giản đồ hướng mong muốn Dưới đây là đồ thị phương hướng trong không gian ba chiều cho dãy các phần tử anten sắp xếp theo đường thẳng.
Hình 13 Các giản đồ hướng ba chiều Các anten có thể đƣợc phân theo hai loại sau:
Anten vô hướng Anten định hướng
Trong hệ thống tế bào, anten vô hướng được sử dụng tại các trạm gốc để mở rộng diện tích phủ sóng Tuy nhiên, việc này cũng gây ra lãng phí năng lượng.
Trang 25 là nguyên nhân chính gây ra nhiễu đồng kênh tại biên giới với các trạm gốc lân cận Để nâng cao dung lượng hệ thống và giảm ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh có thể sử dụng hai kỹ thuật:
Hệ thống anten có giản đồ hướng hình dải quạt (gọi là anten dải quạt)
Dải quạt là khái niệm liên quan đến việc phân chia tế bào thành các dải hình quạt, mỗi dải được phục vụ bởi một anten định hướng Mỗi dải quạt có thể được coi là một tế bào riêng biệt, giúp tăng khả năng tái sử dụng kênh tần số trong các hệ thống tế bào Anten dải quạt giảm thiểu nhiễu trong tế bào và hạn chế nhiễu cùng kênh từ các trạm lân cận nhờ vào sự định hướng của búp sóng.
Bước tiếp theo trong phát triển anten thông minh là kết hợp các hệ thống phân tập, trong đó một hệ thống phân tập kết hợp hai phần tử anten tại một trạm gốc với sự khác biệt nhỏ về tham số kỹ thuật Để thu tín hiệu không tương quan, hai phần tử anten cần được đặt cách nhau ít nhất là /2 (với là độ dài bước sóng của tín hiệu) Việc này cho phép khai thác đặc tính không gian của hệ anten, từ đó cải thiện kết quả thu bằng cách loại bỏ các tín hiệu ngược pha của thành phần pha đinh đa đường tại điểm thu.
Hệ thống phân tập cải thiện cường độ hiệu dụng của tín hiệu nhận được bằng cách sử dụng một trong hai phương pháp sau:
Chuyến mạch/Chọn lọc là hệ thống chuyển mạch liên tục giữa các anten hiện có, kết nối mỗi kênh thu với anten có tín hiệu tốt nhất Ý tưởng chính là khi tín hiệu tại một anten bị suy yếu, nó có thể được thu tốt tại một anten khác do tín hiệu không tương quan Kỹ thuật này giúp giảm ảnh hưởng của pha đinh lên tín hiệu nhưng không tăng độ lợi, vì chỉ một anten được sử dụng tại một thời điểm.
Kết hợp năng lượng của hai tín hiệu đa đường với các dịch pha thích hợp giúp đạt được độ lợi lớn hơn so với các giải pháp trước Các hệ thống phân tập như hệ thống kết hợp tín hiệu cực đại cũng sử dụng phương pháp kết hợp đầu ra từ tất cả các anten, nhằm tối ưu hóa tỷ số năng lượng tín hiệu nhận được so với năng lượng nhiễu.
Anten phân tập là quá trình chuyển mạch giữa các phần tử, giúp giảm thiểu hiện tượng pha đinh đa đường Tuy nhiên, việc chỉ sử dụng một phần tử tại một thời điểm không nâng cao được độ lợi tuyến Để đáp ứng nhu cầu tăng dung lượng sử dụng, hệ thống anten tích hợp xử lý thông minh đã được phát triển, hoạt động song song với các phần tử anten phân tập, được gọi là anten thông minh.
Hệ thống anten thông minh
Anten thông minh là một hệ thống gồm nhiều phần tử xử lý tín hiệu, giúp nâng cao khả năng chống nhiễu ồn và nhiễu giao thoa trên kênh truyền, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của pha đinh đa đường đến tín hiệu thông tin Chúng hoạt động theo kiểu thích nghi, nhạy cảm với không gian và có khả năng xử lý tín hiệu số Mỗi phần tử anten riêng lẻ không có tính thông minh; để tạo ra hệ thống anten thông minh hiệu quả, cần kết hợp các phần tử và phát triển phần mềm xử lý tín hiệu Điều này có thể cải thiện các chỉ tiêu về hiệu suất, như dung lượng, của hệ thống vô tuyến Hệ anten thông minh thường được lắp đặt tại trạm gốc do yêu cầu xử lý tín hiệu phức tạp.
Các hệ thống anten thông minh đƣợc phân loại thành một số loại:
Hệ anten chuyển mạch búp sóng ( hay chuyển mạch tia)
Dàn anten định pha động
1 Các anten chuyển mạch búp sóng
Anten chuyển mạch búp sóng là các anten định hướng được sử dụng tại các trạm gốc của tế bào, có chức năng chuyển mạch cho các anten định hướng riêng lẻ hoặc cho các búp sóng trong một dàn anten Chúng giúp tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng, thường theo các tiêu chuẩn đã đặt ra Để đảm bảo búp thu tốt nhất, đầu ra của các phần tử được lấy mẫu định kỳ Với độ định hướng cao hơn so với anten thông thường, anten này mang lại độ tăng ích cao hơn Mặc dù việc lắp đặt anten trong cấu trúc tế bào dễ dàng hơn so với các dàn anten phức tạp, nhưng hiệu suất của nó vẫn còn nhiều hạn chế.
Hình 15 Mặt cắt giản đồ hướng của anten chuyển mạch búp
Anten chuyển mạch búp là một phương pháp hiệu quả để tạo ra dải quạt tế bào, với nhiều búp được định trước trong một tế bào nhằm tối ưu hóa khả năng thu tín hiệu Các anten này có thể được sử dụng cho cả việc thu và phát tín hiệu cho các trạm di động trong phạm vi búp Sự chuyển giao mềm (softer handoffs) trong tế bào đóng vai trò quan trọng, trong khi truyền nhận định hướng mang lại lợi ích như giảm nhiễu, mở rộng mức độ che phủ sóng và tăng dung lượng mạng.
Hệ thống chuyển búp sóng được mô tả trong sơ đồ yêu cầu một mạng tạo dạng búp, một chuyển mạch RF và điều khiển logic để chọn búp phù hợp Qua việc lựa chọn búp, một trong M vector trọng số sẽ được xác định Quá trình lựa chọn búp được thực hiện cho từng bộ thu riêng biệt.
2 Dàn anten định pha động
Trong hệ thống búp chuyển mạch, các búp được xác định và cố định trước Một thuê bao có thể nằm trong phạm vi của một búp tại một thời điểm nhất định Tuy nhiên, khi thuê bao di chuyển ra khỏi trung tâm búp và tiến đến biên búp, tín hiệu nhận được sẽ yếu đi, dẫn đến việc xảy ra chuyển giao mềm tại vùng giáp gianh.
Receiver for user 0 Switch control
Trong dàn anten định pha động, thuật toán DoA theo dõi tín hiệu của thuê bao khi di chuyển trong dải búp Điều này đảm bảo rằng ngay cả khi có sự chuyển giao trong tế bào, tín hiệu của thuê bao vẫn được nhận với độ lợi tối ưu Khái niệm này có thể được hiểu như một sự chuyển mạch búp, nhằm tối đa hóa năng lượng thu được.
3 Dàn anten thích nghi Dàn anten thích nghi, cũng thuộc loại anten thông minh, chúng là một tập các phần tử anten có thể tự động thay đổi giản đồ hướng trong chế độ thu hoặc phát, nhằm mục đích điều chỉnh sự thăng dáng trong kênh nhiễu ồn và nhiễu giao thoa để cải thiện tham số SNR của tín hiệu mong muốn Từ “thông minh” nói tới năng lực xử lý tín hiệu là một phần của anten thích nghi Nó điều khiển giản đồ hướng anten bằng cách cập nhật liên tục tập trọng số anten
Hình 17 Giản đồ hướng anten thích nghi so với giản đồ hướng của anten thông thường
Dàn anten thích nghi, hay còn gọi là anten thông minh (antenna mềm), có khả năng tạo ra giản đồ hướng mong muốn và điều khiển một cách linh hoạt nhờ vào việc cập nhật trọng số anten thông qua phần mềm Trong chế độ thu tín hiệu, giản đồ hướng có thể được điều chỉnh để giảm thiểu nhiễu bằng cách đặt null ở các hướng có tín hiệu không mong muốn, dựa trên thuật toán DoA Bên cạnh đó, dàn anten cũng có khả năng kết hợp các tín hiệu đa đường thông qua kỹ thuật phân tập không gian, nhằm tối đa hóa tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa (SIR).
Adaptive anten arrays’ beam that tracks the user
Anten pattern for a traditional 60degree secoring anten
Hình 18 Giản đồ hướng anten đối với dàn anten thích nghi đặt Null cho các hướng có nhiễu
Mộ dàn anten thích nghi hoạt động như một bộ lọc thích nghi cho truyền thông vô tuyến, cho phép mở rộng lý thuyết truyền thông từ vùng thời gian quy ước sang cả không gian và thời gian.
Hai loại anten thích nghi
Có hai loại anten thích nghi :
(2) Cấu hình Widrow Hai cấu hình này được chỉ ra dưới đây:
Trang 31 y = W T X Các trọng số đƣợc cập nhật dựa trên tín hiều ra Mạng điều khiển thông tin yêu cầu biết trước thông tin của vị trí nguồn (qua thông tin của vector chỉ hướng)
Thuật toán sự dụng cực đại của tỷ số tín hiệu ra trên nhiễu
Trong cấu hình này, tín hiệu mong đợi được sử dụng làm tham chiếu và các trọng số được cập nhật dựa trên sai số trung bình bình phương giữa tín hiệu ra và tín hiệu mong muốn Mạng cần thông tin về tín hiệu mong muốn nhưng không yêu cầu biết vị trí không gian của tín hiệu Thuật toán LMS giúp tạo ra hướng null cho các tín hiệu không tương quan với tín hiệu mẫu.
4 So sánh hai công nghệ búp chuyển mạch búp sóng và anten thích nghi
Công nghệ búp chuyển mạch
Độ lợi cao, làm hẹp độ rộng băng và độ rộng búp theo góc phương vị
Rất nhiều búp định hướng cố định được sử dụng
Sử dụng thuật toán chọn lọc búp:
Yêu cầu chỉ tác động vừa phải với bộ thu trạm gốc so với hệ thống anten thích nghi
Vì đây là cách tiếp cận công nghệ ở mức tương đối thấp nên chi phí và độ phức tạp thấp hơn
Chuyển giao trong tế bào phải đƣợc xử lý
Không thể làm giảm các thành phần nhiễu đa đường với góc tới của nhiễu gần với hướng của tín hiệu mong muốn
Không thể lợi dụng ưu thế của phân tập đường truyền bằng cách tổ hợp các tín hiệu đa đường
Công nghệ anten thích nghi Ƣu điểm:
Các búp anten bám hướng tín hiệu một cách linh hoạt; một hướng Null có thể được đặt cho hướng có nhiễu
Không có vấn đề chuyển giao trong tế bào vì các búp bám thuê bao liên tục
Có thể tăng dung lƣợng nhiều hơn so với chuyển mạch búp
Cần DSP để xử lý tín hiệu sâu hơn Nhƣợc điểm:
Chi phí cao hơn cho cài đặt; một trạm gốc với anten truyền thống có thể đƣợc nâng cấp dễ dàng hơn thành anten chuyển mạch búp
III ƢU ĐIỂM CỦA SMART ANTEN ỨNG DỤNG TRONG CDMA
Khi thiết kế một hệ thống vô tuyến, cần xem xét các tham số quan trọng và đối mặt với nhiều thách thức Những yếu tố này bao gồm tần số hoạt động, băng thông, độ nhạy của tín hiệu, và khả năng chống nhiễu Các thách thức có thể xuất hiện từ môi trường hoạt động, sự thay đổi của điều kiện khí hậu, và yêu cầu về hiệu suất cao trong việc truyền tải dữ liệu Việc hiểu rõ những tham số và thách thức này là cần thiết để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và ổn định.
Một môi trường truyền đa đường thay đổi theo thời gian
Phổ tín hiệu hạn chế
Kích cỡ Pin và thời gian sử dụng
Dung lượng của hệ thống theo thuật ngữ lưu lượng có thể xử lý và cơ sở thuê bao
Dàn anten thích nghi mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho hệ thống truyền thông vô tuyến, ảnh hưởng tích cực đến hiệu suất của các mạng tế bào Việc áp dụng công nghệ này không chỉ cải thiện hiệu suất truyền tải mà còn tác động đến các khía cạnh quan trọng trong việc lập kế hoạch và triển khai hệ thống di động.
Các anten thông minh với khả năng định hướng cao giúp cải thiện phạm vi phủ sóng, từ đó giảm chi phí triển khai ban đầu cho hệ thống vô tuyến Điều này đặc biệt quan trọng ở các khu vực có mật độ dân cư thưa thớt và nông thôn, nơi việc mở rộng phạm vi phủ sóng trở nên khả thi hơn so với việc sử dụng anten vô hướng hay dải quạt thông thường.
Tăng hiệu suất sử dụng phổ thông qua việc cho phép thuê bao hoạt động trong các không gian tín hiệu riêng biệt, được gọi là đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) Công nghệ này có thể được áp dụng vào nhiều lược đồ đa truy cập khác nhau.
Các thuật toán ứng dụng trong smart anten
Các thuật toán thích nghi trong việc tạo dạng búp sóng
Bộ tạo búp là thuật ngữ chỉ khả năng định hướng tín hiệu theo một hướng cụ thể và thu nhận tín hiệu từ hướng mong muốn, đồng thời loại bỏ nhiễu từ các hướng không cần thiết.
Mục tiêu chính của bộ tạo dạng búp là điều chỉnh trọng số phức tại đầu ra của các cảm biến gắn trên anten, nhằm tạo ra đồ thị phương hướng tối ưu để thu tín hiệu từ hướng mong muốn Việc tạo dạng búp sóng giúp thu nhận tín hiệu trong bối cảnh có nhiễu ồn và nhiễu giao thoa, đồng thời yêu cầu lọc các tín hiệu không gian có cùng tần số liên quan đến vị trí của các phần tử anten.
1 Tia tới tại dãy anten
Sơ đồ dãy anten trong hình 21 mô tả sự xuất hiện của sóng phẳng từ một hướng xác định bởi các góc (θ, φ), trong đó θ là góc đứng và φ là góc phương vị Khoảng cách giữa các phần tử anten được ký hiệu là Δx, thường được chọn là λ/2, với λ là bước sóng của tín hiệu.
Tín hiệu đến tại góc 0, tương ứng với việc tín hiệu xuất phát từ mặt phẳng x-y Sai pha của tín hiệu tới phần tử anten thứ m và phần tử anten đầu tiên được xác định bởi công thức cụ thể.
Antenna array pattern (look direction = 0 degrees)
Vì vậy tín hiệu trên anten m‟ => u m ( t ) As ( t ) e j m x cos( ) sin( )
Tín hiệu thu đƣợc => cos( ) sin( )
(trong đó f (,)là hàm phương hướng tổ hợp của dàn anten)
2 Các kiểu bộ tạo dạng búp sóng e Bộ tạo dạng búp thông thường
Bộ tạo dạng búp sóng, hay còn gọi là bộ tạo dạng búp tổng và trễ, được sử dụng để điều chỉnh hướng của anten bằng cách thay đổi trọng số của các phần tử anten Điều này cho phép tín hiệu tập trung vào một hướng cụ thể, từ đó tạo ra độ tăng ích anten cực đại theo hướng mong muốn.
L j j s 0 ( o ) [ 1 exp( o ) exp( ( 1 ) o )]; o _ Vector trọng số w đƣợc cho bởi: w ( 1 / L ) s o ( o )
Bộ tạo dạng búp sóng tối ưu hóa tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại đầu ra, chỉ khi có nhiễu ồn không tương quan và không có nhiễu giao thoa trên hướng đã định Thiết bị này không xem xét nhiễu đồng kênh và không áp dụng thuật toán đánh giá hướng nhìn (DoA) với tín hiệu quan tâm đã được biết trước.
Beam pattern for an adaptive antenna steered to the look direction of 0 degrees look direction maximum gain
Hình 22 Biểu đồ hướng điển hình của anten thích nghi f Bộ tạo dạng hướng không hoặc bộ triệt búp sóng phụ
Hệ thống triệt búp sóng phụ là một trong những dạng anten thích nghi đơn giản nhất, dựa trên lược đồ Howells-Applebaum Hệ thống này có khả năng loại bỏ các tín hiệu nhiễu tại một góc tới xác định trước bằng cách tạo ra null ở hướng đó Một dàn anten với N phần tử và các trọng số cập nhật thích ứng có thể được áp dụng để triệt tiêu nhiễu giao thoa Sơ đồ của hệ thống sử dụng hai phần tử anten vô hướng, được đặt cách nhau một khoảng L, như minh họa trong hình 23.
Hình 23 Lược đồ Howells Applebaum
Theta_0 là góc tới của tín hiệu, nằm giữa 0 và pi khi tham chiếu tới tần số trong miền digital Delta_0 đại diện cho thời gian chênh lệch giữa tín hiệu tới tại hướng tham khảo và hướng ban đầu, được tính bằng L*sin(theta_0)/(c*T), trong đó T là bước thời gian khi lấy mẫu N1 và n2 là các nhiễu ồn thu không tương quan, trong khi w_1 và w_2 là các trọng số của bộ lọc thích nghi.
Sử dụng thuật toán LMS, các giản đồ hướng anten được mô phỏng với trọng số tối ưu nhằm đặt null cho hướng nhiễu tại tần số w_0 Tín hiệu đến từ góc theta_0 = 0° Khi các trọng số hội tụ, anten phát ra tín hiệu mong muốn với tần số w_0 theo hướng 'theta', được biểu diễn bởi công thức: y = A*cos(w_0*n) – w* [A*cos(w_0*(n+delta))+n2 A*sin(w_0*(n+delta))+n2], trong đó delta = L*sin(theta)/(c*T) là độ trễ.
Giản đồ định hướng anten sử dụng trọng số với các tín hiệu thử truyền theo các hướng khác nhau, cho thấy rằng độ lợi của dãy cực tiểu tại góc theta=0 sâu hơn khi tỷ số SNR của tín hiệu gốc tăng Hình vẽ trên thể hiện tính đối xứng của hệ anten tuyến tính, và bộ tạo dạng búp sóng có đáp ứng tùy thuộc vào phương sai tối thiểu.
Bộ tạo dạng búp MVDR là một dạng đặc biệt của bộ tạo dạng LCMV với phương sai tối thiểu Các tín hiệu đầu vào được giả định là tín hiệu băng hẹp và được biểu diễn dưới dạng sóng Sin Trọng số của bộ tạo dạng này được xác định nhằm tối thiểu hóa giá trị bình quân trung bình tại đầu ra (y(n)).
Tuỳ thuộc vào ràng buộc sau:
Mô hình tối ưu hóa cho hệ thống anten được xác định bởi các tham số g và o, trong đó g là độ lợi yêu cầu tại hướng ấn định (đối với MVDR, g = 1) và o được tính bằng cos( o )d/c, với o là hướng tới của tín hiệu, d là khoảng cách giữa hai phần tử anten liên tiếp, và tổng cộng có M phần tử Bài toán tối ưu có ràng buộc đã được giải quyết thông qua phương pháp chuỗi Lagrange, với các trọng số tối ưu được xác định.
Directivity pattern of the antenna (offset by a gain of 30dB)
Gain at theta=0 is -13.9 dB when A=1
với: S( o ) được gọi là vector ấn định hướng và o =hướng ấn định
3 Thuật toán thích nghi dùng xử lý triệt búp sóng a Bình phương trung bình tối thiểu (LMS)
Thuật toán bình phương trung bình tối thiểu (LMS) là một thuật toán thích nghi, có khả năng tính toán trọng số theo phương pháp đệ quy thời gian Các bước để thực hiện thuật toán này được trình bày dưới đây.
* n d n u n w n e H Định nghĩa các thuật ngữ được sử dụng: error squared n J vector weights adaptive n w input and response desired between n correlatio p function ation autocorrel R inputs n u
Các quan hệ sau đây đƣợc giữ lại khi mục tiêu là huỷ búp sóng phụ:
Thuật toán LMS rò rỉ: Đây là một dạng khác của thuật toán LMS được cho bởi phương trình cập nhật sau:
Tham số được chọn nhỏ hơn 1 và biểu thị cho hiện tượng rò rỉ, cho phép các trọng số phân rã xuống 0 khi các giá trị của được thiết lập bằng 0 hoặc cao hơn.
Giản đồ hướng theo độ tăng ích của dãy anten sử dụng thuật toán LMS:
Giá trị null được hình thành ở hướng có nhiễu giao thoa là 45 độ, trong khi giá trị null khác xuất hiện ở hướng 135 độ Sự xuất hiện này liên quan đến cấu trúc của dãy anten tuyến tính đang sử dụng, với các tín hiệu được xem là đến từ góc ngỗng bằng 0.
Hình 25 Giản đồ hướng của anten theo độ tăng ích b Bình phương tối thiểu đề quy (RLS)
Thuật toán RLS đƣợc cho nhƣ sau: matrix Identity
Thuật toán này có tốc độ hội tụ nhanh hơn thuật toán LMS Tham số điều khiển tốc độ hội tụ nhƣ tham số trong thuật toán LMS
Các thuật toán đánh giá hướng tới (DOA-Direction Of Arrival)
1 Các phương pháp đánh giá DoA a Đánh gia phổ Đây là quá trình đánh giá phổ không gian và xác định các cực đại địa phương Một cửa sổ dẹt được ứng dụng cho chuỗi dữ liệu theo thời gian Bằng cách ấn định hướng dàn anten theo hướng , hàm đánh giá công suất trung bình như sau:
Với vector ấn định hướng theo hướng và ma trận tự tương quan R của các tín hiệu thu được trên dàn anten, kích thước của dàn anten L đóng vai trò quan trọng Quá trình này có thể gặp phải mất tín hiệu do các búp sóng di chuyển theo hướng của chúng, ảnh hưởng đến khả năng phân dải tách góc Điều này phụ thuộc vào độ mở của dàn anten và độ rộng của búp sóng chính Bộ đánh giá MVDR là một giải pháp để cải thiện hiệu suất trong tình huống này.
Phương pháp này có khả năng đánh giá phổ tối đa thông qua thuật toán tìm kiếm trọng số quay hướng A, với ràng buộc A'E = 1 Trong đó, vector E biểu thị một mặt sóng lý tưởng đang truyền theo hướng nhìn.
E m m, trong đó f là tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng, và z m k là tích vô hướng giữa hướng của phần tử mảng thứ m theo hướng nhìn (z m) và hướng tín hiệu lan truyền nhận bởi phần tử k Việc tối thiểu hóa năng lượng búp sóng với ràng buộc A'E1 giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu ồn và nhiễu từ các nguồn không nằm trong hướng nhìn Hàm chi phí được rút gọn như sau:
J H H Để có đƣợc giá trị cực tiểu của J, cần thực hiện:
Sau đó nhân với E H và sắp xếp lại:
Kết quả phổ công suất nhƣ sau:
Phương pháp tiên đoán tuyến tính mang lại kết quả phân giải tốt hơn so với phương pháp Barllet, tuy nhiên, kết quả vẫn chưa đạt được mức tối ưu nhất.
Trong phương pháp này, đầu ra của dàn được đánh giá thông qua đầu ra của các phần tử khác Điều này dẫn đến giả định rằng phần tử mo có thể được dự đoán bằng cách kết hợp tuyến tính các phần tử còn lại.
Các hệ số a m lập thành công thức của vectorA đƣợc sử dụng nhƣ một bộ tiên đoán tuyến tính lọc trọng số
A [ 0 , 1 , , 1 , , 1 , , 1 ] Tín hiệu tiên đoán đƣợc so sánh với đầu ra của phần tử thực, và xem xét lỗi bình phương trung bình tối thiểu:
X Điều này có thể đƣợc dịch lại bằng cách thu cực tiểu giá trị ~ 2 mo
Ràng buộc A với ràng buộc a mo = 1 có thể được biểu diễn dưới dạng A H u mo = 1, trong đó u mo là một vector cột đơn vị với chỉ một phần tử bằng 1 và các phần tử còn lại bằng 0 Vị trí của phần tử này trong vector u mo xác định đầu ra được dự đoán Mặc dù vị trí của phần tử này không bị ràng buộc, nhưng nó ảnh hưởng đến khả năng phân giải và phân cực (bias) trong hàm đánh giá, điều này phụ thuộc vào SNR và khả năng tách biệt các nguồn định hướng Việc áp dụng cùng một phép lấy đạo hàm đã được giải quyết.
Trang 45 thích trong bộ đánh giá khả năng cực đại, các trọng số mảng và phổ công suất đƣợc cho nhƣ sau [4]: mo
Phương pháp này thực hiện tốt trong môi trường SNR thấp; khi các nguồn có độ lớn xấp xỉ nhau d Maximum Likelihood Method
Phương pháp này tối ưu hóa khả năng đánh giá Định hướng đến nguồn (DoA) từ tập mẫu hệ anten Hàm loga (log likelihood) được xác định thông qua hàm mật độ xác suất dựa trên dữ liệu mẫu của DoA.
( t i x : Tín hiệu thu bởi phần tử thứ i th
) ( t i s : Tín hiệu tại đầu ra của phần tử thứ i th Hàm loga-likelihood đƣợc cho bởi công thức:
Chúng ta muốn tính cực đại công thức trên khi quan tâm tới các biến chƣa biết
Nếu chúng ta xem xét tới 2 , chúng ta thu đƣợc:
Thay thế trở lại hàm loga-likelihood, và tính cực đại theo công thức:
Tính tương tự với cực tiểu:
Cực tiểu với quan tâm trước tới S, tiếp theo là , sẽ dẫn tới công thức sau:
Vector nhiễu kết hợp với x(t) ảnh hưởng đến đạo hàm không gian tín hiệu, trong khi bộ đánh giá khả năng cực đại tìm kiếm các vector định hướng gần nhất với {x(t)} Bài toán cực đại này thuộc loại tối ưu phi tuyến và do thiếu nghiệm chính xác, nó cần các sơ đồ lặp để giải quyết Một số phương pháp phổ biến bao gồm thuật toán hạ thấp độ rốc, phương pháp Newton-Raphson, và phương pháp cực đại dự tính.
Khi tín hiệu SNR thấp hoặc số lượng tín hiệu hạn chế, các nguồn không tương quan có khả năng tối ưu hơn so với các phương pháp khác Nếu có đủ số lượng mẫu, các phương pháp khác cũng có thể được áp dụng để đạt hiệu suất tương đương với phương pháp này.
Các phương pháp tin cậy vào các thuộc tính của R sau:
1) Không gian con đƣợc trải ra bởi các vector riêng của nó có thể đƣợc chia thành hai không gian con khác: không gian con tín hiệu và không gian con nhiễu
2) Các vector ấn định hướng tương ứng với các nguồn định hướng là trực giao với không gian con nhiễu, bởi vậy thông tin của vector ấn định hướng được chứa trong không gian con tín hiệu Không gian con nhiễu đƣợc trải ra bởi các vector riêng tướng ứng với các giá trị riêng nhỏ hơn, trong khi các vector riêng tương ứng với các giá trị riêng lớn hơn là trải ra trong không gian con tín hiệu
Quá trình thăm dò được chia thành hai bước chính: đầu tiên, cần xác định vector trọng số để tìm không gian con nhiễu hoặc không gian con trực giao với không gian con tín hiệu Tiếp theo, thăm dò các hướng có vector ấn định hướng liên kết trực giao với vector này Các hướng nguồn tương ứng với cực tiểu địa phương của hàm w^H s_θ, trong đó s_θ là vector ấn định hướng Nhiều phương pháp khác nhau sử dụng cấu trúc riêng của dãy ma trận tương quan, và chúng khác nhau trong cách xử lý tín hiệu của dàn, với một số phương pháp không yêu cầu tính toán rõ ràng các giá trị riêng và vector riêng.
Trang 47 của ma trận tương quan dãy Khi ma trận không sẵn có, ước lượng của nó có thể được định lượng từ các giản đồ hướng sẵn có
2 Thuật toán MUSIC(Multiple Signal Classification)
MUSIC là một thuật toán sử dụng cơ chế xử lý ma trận để nhận diện các hướng đến DoA Thuật toán này xử lý tín hiệu thu được từ các phần tử anten, giúp ước lượng số nguồn và mức độ tương quan chéo giữa các tín hiệu gốc Ngoài ra, MUSIC còn cung cấp thông tin về các DoA và độ lớn của nhiễu, mang lại lợi ích đáng kể trong việc phân tích tín hiệu.
Nguồn gốc của MUSIC dựa trên giả định về mối quan hệ giữa số lượng nguồn (D) và số lượng phần tử anten (M), với điều kiện D < M Vector tín hiệu thu được từ dàn anten được biểu diễn như sau:
Chương trình mô phỏng
Cài đặt hệ thống
Việc ứng dụng anten thông minh trong hệ thống thông tin di động đang thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà công nghệ và nhà nghiên cứu Câu hỏi đặt ra là liệu việc cải tiến hệ thống anten thông thường bằng anten thông minh có mang lại hiệu quả cao hơn hay không, cũng như vị trí cài đặt phù hợp cho hệ thống này Để giải quyết vấn đề này, cần xem xét mô hình hệ thống thông tin trải phổ CDMA Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc cài đặt anten thông minh tại mỗi trạm di động có thể nâng cao hiệu suất thu phát và chất lượng đàm thoại, nhưng cũng làm tăng độ phức tạp trong xử lý tín hiệu, dẫn đến chi phí và kích thước thiết bị tăng lên Do đó, luận văn này sẽ đánh giá việc áp dụng cài đặt anten thông minh tại trạm gốc và xem xét mô phỏng tuyến lên Sơ đồ khối của bộ mô phỏng cơ bản được trình bày trong hình 27 và hình 28, trong đó bộ phát của trạm di động MS sử dụng điều chế BPSK, cùng với các kỹ thuật trải phổ, trộn và lọc root raised cosine Tại trạm BTS, một bộ thu RAKE hai chiều không gian - thời gian được cài đặt để thu phân tập các thành phần đa đường với thời gian trễ và hướng khác nhau, với vector trọng số cho mỗi nhánh của RAKE được điều chỉnh phù hợp.
Hình 27 Sơ đồ mô phỏng cho các bộ phát của WCDMA đường lên d 2(i) ( user 2)
Trang 52 nhờ bộ xử lý không gian Nó quan tâm tất cả các thành phần tương quan tới anten theo các quãng đường có trễ một chu kỳ chip, và được giữ lại tại nhánh Bộ phân tập kết hợp sau đó sẽ kết hợp đầu ra từ mỗi nhánh Điều này tuân theo thuật toán tách đa người dùng, bộ tách các thành phần không tương quan và bộ tách MMSE tuyến tính để loại bỏ nhiễu MAI Cuối cùng, phương pháp kiểm tra cực tính kèm trong BTS sẽ quyết định ký hiệu dữ liệu thực sự
Hình 28 L-ợc đồ mô phỏng của bộ thu 2D-RAKE CDMA băng rộng, đ-ờng lên
Transmitted symbols genereration of each user
Position generation of each user
Modualtion, spreading, scrambling and filtering of transmitted symbols
Rescontructing the composite received signal trasnmitted from all users
Loop(Monte Carlo) loop< max_loop
Inner loop SNR L, hiệu suất hệ thống suy giảm Vì vậy, trường hợp thích hợp cung cấp tham chiếu hiệu quả có thể đạt đƣợc tối ƣu
Trong mô phỏng, hệ thống không sử dụng bất kỳ loại mã nào và không có điều khiển công suất
Chương trình mô phỏng sẽ tiếp tục cho đến khi số vòng lặp đạt đến mức đã định sẵn Biểu đồ tiến trình của chương trình mô phỏng được hiển thị trong hình ảnh đi kèm.
Việc tạo và đồng bộ chính xác các dãy PN giữa bên thu và phát là cực kỳ quan trọng trong xử lý tương quan Lỗi định thời có thể dẫn đến giảm hiệu suất Các mã trải phổ được sử dụng là mã Walsh, trong khi mã trộn là dãy Gold.
Giả sử bộ thu thu đƣợc thông tin tốt
Quyết định cứng được áp dụng cho các quyết định ký hiệu tại bộ thu Để hiểu rõ hơn về cấu trúc của hệ thống thông tin trải phổ và các bộ mã trong quá trình cài đặt chương trình mô phỏng, chúng ta cần xem xét tổng thể hệ thống từ bộ phát, kênh truyền cho đến bộ thu.
Trong bộ phát, việc thực hiện trải phổ, trộn và điều chế là cần thiết trước khi phát Các đơn vị chức năng sử dụng nhiều loại bộ mã khác nhau cho mục đích xử lý riêng Trong hệ thống thông tin trải phổ, các mã PN phổ biến thường được sử dụng bao gồm mã Walsh-Hadamard, dãy m, mã Gold và mã Kasami.
Mã Walsh-Hadamard có tính trực giao, trong khi mã Gold và mã Kasami không có tính chất này, mặc dù chúng có thuộc tính tương quan chéo nhưng không ổn định Các mã Walsh-Hadamard và Gold thường được áp dụng trong truyền dẫn tuyến lên.
Xử lý trải phổ là khái niệm quan trọng trong hệ thống WCDMA, nơi một dãy PN được sử dụng để trộn tín hiệu với tín hiệu trải phổ Mục đích của việc trộn tín hiệu là phân biệt giữa trạm di động và trạm gốc Quá trình trộn được thực hiện ngay sau khi xử lý trải và không làm thay đổi độ rộng băng của tín hiệu, mà chỉ điều chỉnh tín hiệu để các tín hiệu sau đó có thể được phân biệt dễ dàng Mối quan hệ giữa xử lý trải phổ và trộn được minh họa trong hình 31.
Hình 30 Vùng mô phỏng và vị trí BS, MS
MS location data spreading scrambling bit rate chip rate chip rate
Hình 31 Mối quan hệ giữa xử lý trải phổ và xử lý trộn
Trang 57 Ở tuyến lên, mã Walsh-Hadamard đƣợc sử dụng để trải dữ liệu, và mã Gold được sử dụng để trộn dữ liệu Thông thường có hai loại kênh tuyến lên: DPDCH(Dedicated Physical Data Channel) và DPCCH(Dedicated Physical Control Channel) Kênh DPDCH đƣợc sử dụng để vận chuyển dữ liệu xuất phát tử lớp 2 và các lớp trên DPCCH đƣợc sử dụng để vận chuyển thông tin điều khiển tại lớp 1 Thông tin điều khiển lớp 1 bao gồm các bit thử đã biết trước để phát thăm dò trong việc hỗ trợ đánh giá kênh Sau đó, dữ liệu này qua xử lý điều chế sử dụng khoá dịch pha nhị phân BPSK Dữ liệu DPCCH sau điều chế tương ứng với kênh Q, trong khi DPDCH đầu tiên ứng với kênh I và các DPDCH sau đó sẽ luân phiên tương ứng với kênh Q, I Xử lý điều chế trải phổ được áp dụng sau điều chế dữ liệu, trước tạo dạng xung và là kênh QPSK hai chiều Điều chế trải phổ bao gồm hai xử lý khác nhau Xử lý đầu tiên là trải mỗi ký hiệu dữ liệu thành một số chip theo hệ số trải phổ cho trước, điều này sẽ tạo ra độ rộng băng của tín hiệu Xử lý thứ hai là trộn tín hiệu đã trải với một mã trộn đƣợc tính toán phức tạp
Các ký hiệu dữ liệu lưỡng cực trên nhánh I và Q được nhân bởi các mã chuẩn hóa kênh như hệ số trải biến thiên có tính trực giao (OVSF) hoặc mã Walsh-Hadamard Sau khi qua bộ tổng, tín hiệu được nhân với một mã trộn phức tạp, tạo ra một ký hiệu duy nhất cho mỗi trạm di động Tín hiệu sau đó được tạo dạng xung bằng bộ lọc Square-Root Raised Cosine với hệ số nghiêng (roll-off) là 0.22 Tiếp theo, tín hiệu được điều chế với tần số góc ω và phát đi Quá trình này, ứng dụng mã trộn phức với điều chế trải phổ, thường được gọi là điều chế khoá dịch pha lai (HPSK), giúp giảm công suất đỉnh trung bình của trạm di động thông qua việc tạo ra dãy mã trộn phức một cách đặc biệt.
Mã trải phổ đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tính trực giao giữa các kênh vật lý của thuê bao tuyến lên Mã Walsh-Hadamard, hay còn gọi là mã OVSF, được ứng dụng rộng rãi trong trải phổ tuyến lên Cấu trúc cây mã, như minh họa trong hình 32, cho phép mã OVSF định nghĩa các mã trải với độ dài là SF tại mỗi mức trên cây mã.
Hệ số trải đƣợc định nghĩa là: SF = k
Tham số k xác định số bít trong mỗi khe Hệ số trải phổ có thể nằm trong dải từ
Đánh giá kết quả
1 Trường hợp không sử dụng anten thông minh
Trang 71 a Hiệu suất có bộ thu RAKE và không có bộ thu RAKE
Hình 43 minh họa hiệu suất của bộ thu RAKE so với việc không sử dụng bộ thu RAKE cho một người dùng Trong quá trình mô phỏng, người dùng gửi 10 ký hiệu trong mỗi vòng lặp.
Hình 43 Hiệu suất hệ thống của 1-D RAKE và bộ lọc hoà hợp thông thường cho người dùng đơn Hình 42 Đáp ứng xung kênh
Trang 72 có tối đa 100 vòng lặp, tương ứng với 1000 ký hiệu được phát Các ký hiệu này được điều chế theo kiểu BPSK, sau đó đƣợc trải phổ bởi mã Walsh và đƣợc trộn bởi mã Gold với PG 8 Các tham số của kênh truyền đƣợc cập nhật bởi MS di động với tốc độ 2.7km/hour Trong bộ thu, chỉ một antenna đẳng hướng được sử dụng Không có xử lý không gian Phương pháp kết hợp lợi cân bằng được sử dụng cho RAKE Với SNR thấp rong hình 43, thì hiệu suất hệ thông không đƣợc cải thiện nhiều Tuy nhiên, cùng với việc tăng SNR, hiệu suất có thể đƣợc cải thiện một cấp về độ lớn Ví dụ khi SNR bằng 40 dB, thì BER bằng 10-2.8 và 10-0.8 tương ứng b Hiệu suất của bộ thu RAKE 1-D với EGC hoặc chọn lọc kết hợp
Cài đặt bộ kết hợp vô tuyến cực đại rất tốn kém do yêu cầu bám cả pha và biên độ của đáp ứng kênh, cùng với việc cần các bộ khuếch đại tuyến tính và dịch pha cho dải động rộng Hình 44 minh họa hiệu suất khác nhau của bộ RAKE với phương pháp kết hợp chọn lọc và kết hợp độ lợi tương đương (EGC) Trong mô phỏng, một người dùng gửi 10 ký hiệu trong mỗi vòng lặp, tổng cộng 1000 ký hiệu được gửi sau 100 vòng lặp Dữ liệu được trải phổ bằng mã Walsh và trộn bằng mã Gold với PG 8, trong khi các tham số kênh được cập nhật bởi MS di chuyển với tốc độ 2.7 km/giờ Tại bộ thu, không sử dụng mảng antenna và xử lý không gian, phương pháp kết hợp chọn lọc và EGC được áp dụng để cải thiện hiệu suất của RAKE.
Hình 44 Hiệu suất của 1-D RAKE với EGC hoặc kết hợp chọn lọc cho ngưòi dùng đơn
Trang 73 này hay cách khác, nhƣng nó không thể quá nhiều Hình 44 đã chỉ ra rõ ràng cải thiện với EGC c Hiệu suất của bộ thu RAKE 1-D với bộ tách không tương quan và MMSE
Hình 45 nhấn mạnh tầm quan trọng của phát hiện đa người dùng (MUD) trong mô phỏng với 3 người dùng, mỗi người gửi 10 ký hiệu trong 100 vòng lặp, tổng cộng 3000 ký hiệu Dữ liệu được trải phổ bằng mã Walsh và trộn bằng mã Gold với PG 8, trong khi các tham số kênh được cập nhật bởi MS di chuyển với tốc độ 2.7 km/h Tại bộ thu, không sử dụng mảng antenna và xử lý không gian, tín hiệu được xử lý bằng RAKE 1-D và bộ lọc hòa hợp thông thường, với phương pháp kết hợp độ lợi tương đương Bộ tách không tương quan và MMSE được sử dụng để loại bỏ nhiễu MAI Kết quả cho thấy, không có MUD, hiệu suất của RAKE 1-D không cải thiện mặc dù SNR tăng, trong khi với MUD, hiệu suất hệ thống tăng lên 10^2 đạt mức SNR cao Hình 45 cũng chỉ ra rằng bộ tách MMSE thường đạt được BER tốt hơn bộ tách không tương quan do ảnh hưởng của nhiễu nền.
Hình 45 Hiệu suất hệ thống của 1-D RAKE với bộ tách không tương quan và MMSE
Trang 74 d Hiệu suất với dãy PN và dãy ngẫu nhiên
Hình 46 cho thấy rõ ràng sự cải thiện hiệu quả khi tín hiệu được trải bằng mã Walsh và trộn bằng mã Gold so với việc trải bằng dãy ngẫu nhiên Trong mô phỏng, ba người dùng hoạt động, mỗi người gửi 10 ký hiệu trong 100 vòng lặp, tổng cộng 3000 ký hiệu Dữ liệu được trải phổ bằng mã Walsh và trộn bằng mã Gold với PG 8, trong khi cùng dữ liệu cũng được trải bằng dãy ngẫu nhiên Độ lợi xử lý là 8 cho cả hai phương pháp trải Các tham số kênh được cập nhật bởi MS di chuyển với tốc độ 2.7 km/h, và tại bộ thu không sử dụng mảng antenna và xử lý không gian Tín hiệu thu được xử lý bằng RAKE 1-D và bộ lọc hòa hợp thông thường, với phương pháp kết hợp độ lợi tương đương trong RAKE, cùng bộ tách không tương quan để loại bỏ nhiễu MAI.
Hình 46 cho thấy rằng, với dãy Walsh và Gold, hiệu suất của bộ thu 1-D RAKE sử dụng bộ tách không tương quan có thể được cải thiện hơn 10 dB ở mức SNR cao Điều này chứng minh rằng mã Walsh và mã Gold có khả năng tự tương quan và tương quan chéo vượt trội hơn so với nhiều dãy ngẫu nhiên.
Hình 46 Hiệu suất hệ thống của 1-D RAKE với mã Gold và mã ngẫu nhiên trải phổ với bộ tách không tương quan (DD)
Trang 75 e Hiệu suất với độ lợi xử lý
Hình 47 thể hiện ảnh hưởng của độ lợi xử lý đến hiệu suất hệ thống trong mô phỏng với 3 người dùng, mỗi người gửi 10 ký hiệu trong 100 vòng lặp, tổng cộng 3000 ký hiệu Dữ liệu được trải phổ bằng mã Walsh và trộn bằng mã Gold với PG 8 và PG 32 Các tham số kênh được cập nhật khi MS di chuyển với tốc độ 2.7 km/h Tại bộ thu, không sử dụng mảng antenna và xử lý không gian, tín hiệu thu được xử lý bằng RAKE 1-D và bộ lọc hòa hợp thông thường, trong đó phương pháp kết hợp độ lợi tương đương được áp dụng Bộ tách không tương quan được sử dụng để loại bỏ nhiễu MAI.
Trong hình 47, ví dụ, khi SNR mong đợi bằng 40 dB, và BER với PG 32 và PG
Hiệu suất của bộ thu 1-D RAKE và MMSE được thể hiện qua các giá trị 8 là 10-2.72 và 10-1.9 Đặc biệt, hiệu suất với PG 32 cho thấy sự cải thiện hơn 10 dB khi BER đạt 10-2.9 đối với bộ thu 1-D RAKE và MMSE Độ lợi xử lý là một yếu tố quan trọng trong các hệ thống chịu nhiễu MAI như WCDMA Bên cạnh đó, thuật toán MUD-RLS thích nghi với bộ nhớ thích nghi cũng góp phần nâng cao hiệu suất.
Hình 47 Hiệu suất hệ thống của 1-D RAKE với xử lý độ lợi khác nhau
Hình 48 minh họa hiệu suất hệ thống khi áp dụng thuật toán RLS với bộ nhớ thích nghi Trong mô phỏng, có 3 người dùng hoạt động, mỗi người gửi 50 ký hiệu trong 10 vòng lặp, tổng cộng 1500 ký hiệu được truyền Dữ liệu được trải phổ bằng mã Walsh với PG 8, trong khi các tham số kênh được cập nhật bởi MS di chuyển với tốc độ 0.27 km/h Tại bộ thu, không sử dụng mảng antenna và xử lý không gian; tín hiệu thu được xử lý bằng RAKE 1-D và bộ lọc hòa hợp thông thường, tuân theo thuật toán RLS thích nghi với bộ nhớ thích nghi cho MUD nhằm loại bỏ nhiễu MAI.
Hình 48 minh họa hiệu suất của hệ thống 1-D RAKE khi áp dụng thuật toán RLS với bộ nhớ thích nghi, cho thấy khả năng bám sát kênh không tĩnh và cải thiện hiệu suất hệ thống mặc dù kênh thay đổi từ ký hiệu này sang ký hiệu khác Điều này chứng tỏ rằng thuật toán này có khả năng hội tụ tốt, trong khi nhiều thuật toán thích nghi khác gặp khó khăn trong việc đạt được hội tụ nhanh chóng khi kênh biến đổi với tốc độ ký hiệu.
2 Trường hợp sử dụng anten thông minh a Thuật toán tạo búp thông thường
Hình 49 chỉ ra cải thiện hiệu suất của thuật toán tạo búp thông thường chương
3 Trong mô phỏng này, có 3 người dùng đang hoạt động, mỗi người dùng gửi 10 ký hiệu trong một vòng lặp, và có 100 vòng lặp, sẽ có 3000 ký hiệu được gửi bởi người dùng Sau đó dữ liệu đƣợc trải phổ bằng mã Walsh và đƣợc trộn bằng mã Gold với PG
Conventional adaptive MUD(RLS)RAKE adaptive MUD(RLS)Rake
32 Các tham số kênh đƣợc cập nhật bởi MS di chuyển với tốc độ 2.7km/hour Tại bộ thu, hệ antenna ULA đƣợc sử dụng, nó có ba phần tử và khoảng cách giữa các phần tử là một nửa bước sóng Bộ tạo dạng búp thông thường được sử dụng cho xử lý không gian Trong hình 28 chỉ ra mô hình bộ thu RAKE 2D Bộ kết hợp độ lợi tương đương cũng được sử dụng Bộ tách không tương quan hoặc LMMSE được sử dụng để loại bỏ nhiễu MAI Trong hình 49, ví dụ, khi SNR bằng 30 dB, BER với 1-D RAKE có MMSE bằng 10 -1.6 , và BER với 2-D RAKE có MMSE của thuật toán tạo dạng búp thông thường bằng 10 -2.3 Các thuật toán tạo dạng búp thông thường có thể cải thiện hiệu suất hệ thống bằng cách này hay cách khác b Các thuật toán RLS với bộ nhớ thích nghi
Hình 50 minh họa sự cải thiện hiệu suất của thuật toán RLS với bộ nhớ thích nghi trong xử lý không gian Trong mô phỏng, có 3 người dùng hoạt động, mỗi người gửi 5 ký hiệu trong 100 vòng lặp, tổng cộng 1500 ký hiệu được truyền Dữ liệu được trải phổ bằng mã Walsh và trộn bằng mã Gold với PG 16 Các tham số kênh được cập nhật bởi MS di chuyển với tốc độ 2.7 km/h Tại bộ thu, hệ antenna ULA gồm 3 phần tử, khoảng cách giữa các phần tử là một nửa bước sóng, và mô hình bộ thu 2D RAKE được áp dụng.
Hình 49 Hiệu suất hệ thống của 2-D RAKE với thuật toán tạo búp thông thường cho xử lý không gian
Trang 78 không gian, giá trị tối thiểu cho hệ số quên(forgetting factor), ở_, bằng 0.86, và giá trị cực đại của hệ số quên, ở + , là 1
Thuật toán RLS với bộ nhớ thích nghi mang lại ảnh hưởng đáng kể cho hệ thống so với thuật toán tạo dạng búp thông thường Cụ thể, khi SNR đạt 30 dB, tỷ lệ BER của 1-D RAKE là 10^-1.5, trong khi tỷ lệ BER của 2-D RAKE sử dụng thuật toán RLS với bộ nhớ thích nghi chỉ là 10^-2.9 Thuật toán này có khả năng hội tụ nhanh chóng, góp phần cải thiện hiệu suất hệ thống ngay cả trong điều kiện kênh biến đổi tốc độ ký hiệu.
Hình 50 Hiệu suất hệ thống của bộ thu 2-RAKE với thuật toán RLS có bộ nhớ thích nghi cho xử lý không gian vớ i hệ số quên là ở_= 0.86, ở + =1