Điều khiển mờ trong điều khiển ông suất hệ thống cdma không dây

Vì các hệ thống CDMA băng hẹp dựa trên tiêu chuẩn IS-95 gọi là hệ thống 2G không thích hợp cho các dịch vụ đa phơng tiện tốc độ cao nên các hệ thống CDMA đa sóng mang MC-CDMA đợc lựa c

LuËn v¨n th¹c sÜ khoa häc

Ngµnh: ®iÖn tö viÔn Th« ng

§iÒu khiÓn mê trong

®iÒu khiÓn c«ng suÊt hÖ thèng CDMA kh«ng d©y

Ng« TuÊn anh

Hµ néi 2006

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131454591000000

Lời Lời cảm ơn cảm ơn cảm ơn

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Bá Dũng, ngời đã hớng dẫn tận tình và khuyến khích tôi trong quá trình tôi làm luận văn này Nếu không có thầy thì luận văn này không thể hoàn thành Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân đến tập thể cán bộ giáo viên khoa Điện Tử Viễn Thông Trờng -

Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể và lãnh đạo Phòng Vận Hành Công Ty S-Telecom

Hà Nội đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Hà Nội

Hà Nội ngày 5 tháng 1 ngày 5 tháng 1 ngày 5 tháng 12 năm 2 năm 2006 2 năm 2006 2006 12 - - 12 12 05 05

Ngô Tu Ngô Tuấn Anh ấn Anh

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đề cập trong luận văn "Điều khiển

mờ trong điều khiển công suất hệ thống CDMA không dây" đợc viết dựa trên kết quả nghiên cứu theo đề cơng bởi cá nhân tôi dới sự hớng dẫn của PGS.TS Lê Bá Dũng Mọi thông tin và số liệu tham khảo đều đợc trích dẫn

đầy đủ nguồn và sử dụng theo đúng luật bản quyền quy định Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình

Ngời thực hiện

Mục lục

Lời cam đoan 1

Mục lục 2

Danh mục các ky hiệu, các chữ viết tắt 5

Danh mục các bảng 7

Danh mục hình vẽ, đồ thị 7

Mở đầu 9

Chơng 1 Tổng quan về mạNG KHÔNG DÂY CDMA 1.1 Giới thiệu chung 12

1.1.1 Các hệ thống thông tin không dây ế hệ thứ bath 12

1.1.2 Giới thiệu về CDMA 12

1.2 Các kênh trong hệ thống thôn tin CDMA không dây 14

1.2.1 Kênh CDMA đờng xuống 14

1.2.2 Kênh CDMA đờng lên 15

1.3 Kênh di động không dây 16

1.3.1 Suy hao đờng truyền quy mô lớn 19

1.3.2 Suy hao đờng truyền quy mô nhỏ 21

1.3.3 Kênh fading Rayleigh 29

Chơng 2 Giới thiệu về lý thuyết tập mờ 2.1 Giới thiệu chung 31

2.2 Giới thiệu tập mờ 32

2.3 Lý thuyết tập mờ 39

2.4 Lôgic mờ 48

2.5 Nguyên lý hoạt động của hệ thống lôgic mờ 56

2.5.1 Mờ hoá 57

2.5.2 Thiết bị hợp thành và các luật 59

2.5.3 Giải mờ 62

Chơng 3 Điều khiển công suất trong CDMA 3.1 Giới thiệu chung 64

3.2 Các thuật toán 67

3.2.1 Điều khiển công suất vòng hở 68

3.2.2 Điều khiển công suât vòng kín 70

3.2.3 Điều khiển công suất vòng ngoài 72

3.3 Các hạn chế của việc điều khiển công suất không hoàn hảo 73

3.3.1 Kích cỡ bớc cập nhật công suất 73

3.3.2 Lỗi dự doán SIR 76

3.3.3 Trễ vòng hồi tiếp 76

3.3.4 Tốc độ cập nhật công suất 77

3.3.5 BER của kênh hồi tiếp 78

3.3.6 Hiệu ứng fading sâu 79

3.4 Tổng kết 80

Chơng 4 điều khiển công suất theo lôgic mờ cho hệ thống vô tuyến CDMA 4.1 Giới thiệu chung 81

4.2 Thiết kế bộ điều khiển mờ cho mạng CDMA không dây 82

4.2.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển công suất CDMA mờ 82

4.2.2 Phần kênh vô tuyến 85

4.2.3 Phần trạm gốc 88

4.3 Mô phỏng và kết quả mô phỏng 92

4.3.1 Mô hình hệ thống 92

4.3.2 Kết quả mô phỏng 94

Danh môc tõ viÕt t¾t

1G First Generation

2G Second Generation

3G Third Generation

AWGN Additive White Gaussian Noise

ADPCM Adaptive Differential Pulse Code Modulation BER Bit Error Rate

B-ISDN Broadband Integrated Services Digital Network CAC Call Admission Control

CDMA Code Division Multiple Access

CELP Code Excited Linear Predictive

CLPC Closed Loop Power Control

-CPL Call Processing Language

CRB Cramer-Rao Bound

DA Data Aided

DS- SS Direct Sequence – Spread Spectrum

FDD Frequency Division Duplex

FDMA Frequency Division Multiple Access

FLC Fuzzy Logic Control

IP Interference Projection

IS- 95 Interim Standard 95

LOS Line Of Sight

MAI Multiple Access Interference

MC Multipoint Controller

MCU Multipoint Control Unit

MDCX Modify Connection

MG Media Gateway

MGC Media Gateway Controller

MLE Maximum Likelihood Estimation

OFDM Orthogonal Frequency Division ModulationPCC Power Control Command

PCE Power Control Error

PCM Pulse Code Modulation

PN Pseudo Noise

pdf Probability Distribution Function

PSK Phase Shift Keying

QoS Quality of Service

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

RF Radio Frequency

RLS Recursive Least Square

RxDA Receive Data Aided

SB Subspace Based

SINR Signal to Interference plus Noise Ratio

SIR Signal to Interference Ratio

SNR Signal to Noise Ratio

SNV Signal to Noise Variance

SP Signal Projection

SSME Split Symbol Moments Estimation

SVR Signal to Variance Ratio

TDC Time Delay Compensation

TDD Time Division Duplex

TDMA Time Division Multiple Access

TxDA Transmit Data Aided

WSSUS Wide Sense Stationary Uncorrelated Scattering

Danh mục các bảng Bảng 1.1 Các hiện tợng fading đa đờng nh sự trải thời gian của tín hiệu 25 Bảng 1.2 Các hiện tợng của phadinh đa đờng nh sự biến đổi thời gian của

kênh 28

Bảng 1.3 Phân loại kênh phadinh 29

Bảng 2.1 Bảng sự thật cho 5 phép toán tiên đề 51

Bảng 4.1 Luật điều khiển mờ 91

Danh mục các hình vẽ Hình 1 Một hệ thống CDMA băng gốc một thuê bao 13

Hình 1.2 Mô hình kênh đờng xuống CDMA 14

Hình 1.3 Mô hình kênh CDMA đờng lên 16

Hình 1.4 Cơ chế truyền vô tuyến 17

Hình 1.5 Mối quan hệ giữa trải thời gian của tín hiệu và băng thông hiệu dụng 24

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa trải Doppler và thời gian coherence của kênh 27

Hình 2.1 Tập rõ và tập mờ cho đặc tính cao 35

Hình 2.2 Ví dụ về hàm đặc tính của các giá trị ngôn ngữ “trẻ”, ”trung niên” và ”già” 41

Hình 2.3 Ví dụ hình ảnh minh hoạ của miền tin cậy, miền xác đinh, điểm cắt, mờ đơn điệu, cut và α- α-cut mạnh 43

Hình 2.4 Hình vẽ minh hoạ phép bao, phép hợp, phép giao và phép bù 45

Hình 2.5 Hình ảnh của luật xử lý của một số toán tử suy diễn thông thờng 54 Hình 2.6 Cấu trúc của một hệ thống lôgíc mờ 57

Hình 2.7 Ví dụ về các bộ mờ hoá đơn điệu và không đơn điệu 58

Hình 2.8 Ví dụ về sự suy diễn 60

Hình 3.1 Một trạm BTS với hai thuê bao 64

Hình 3.2 Công suất thu đợc từ hai thuê bao tại BTS 65

Hình 3.3 Với điều khiển công suất một trạm gốc có thể đáp ứng nhiều thuê bao hơn 66

Hình 3.4 Dung lợng hệ thống đợc tối đa hoá khi công suất thu của các thuê bao bằng nhau tại BTS 67

Hình 3.5 Cơ chế của điều khiển công suất vòng hở 68

Hình 3.6 Mô hình điều khiển công suất vòng kín 71

Hình 4.1 Sơ đồ điều khiển mờ tơng thích cho các kênh thông tin di động CDMA 83

Hình 4.2 Hàm thuộc của sai lệch của công suất thu đợc so với công suất mong muốn 89

Hình 4.3 Hàm thuộc của sự thay đổi của sai lệch công suất Δe 90

Hình 4.4 Hàm thuộc của độ tăng điều chỉnh công suất Δp 91

Hình 4.5 Mặt phẳng của bộ điều khiển mờ 92

Hình 4.6 Mô hình kênh fading Rayleigh 94

Hình 4.7 Đáp ứng của điều khiển công suất mờ với điều khiển công suất bớc nhảy 1dB 95

Hình 4.8 Đáp ứng của dung sai công suất e 95

Hình 4.9 So sánh xác uất vùng hở và số thuê bao trên một ô đạt đợc s bởi điều khiển mờ và điều khiển bớc cố định 1dB 96

Hình 4.10 Kết quả thực nghiệm của mạng thực tế 98

Mở đầu

Các nghiên cú gần đây cho thấy một tiềm năng rất to lớn về việc tăng dung lợng một cách đáng kể cho hệ thống thông tin di động số và hệ thống thông tin vô tuyến cá nhân với kỹ thuật đa truy nhập theo mã trực tiếp (DS/CDMA)[21],[23] Các nghiên cứu cũng cho thấy với việc điểu khiển công suất phát hoàn hảo có thể làm tăng 20 lần dung lợng hệ thống so với hệ thống thông tin di động đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) truyền thống[21] Tuy nhiên một trong những vấn đề khó khăn trong việc áp dụng phơng pháp đa truy nhập theo mã trong hệ thống thông tin di động là sự biến

đổi đa dạng mức công suất của các kênh do fading tín hiệu trong môi trờng vô tuyến Và các kênh này không những bị ảnh hởng bởi fading mà còn bị các hiệu ứng che khuất, một hiện tợng suy hao công suất chậm hơn fading do các vật cản chắn đờng truyền giữa trạm gốc và các máy di động Tơng tự

đối với công suất thu khi máy di động di chuyển đến gần hoặc ra xa trạm gốc thì công suất thu của nó cũng tăng hoặc giảm tơng ứng Do đó ở trạm gốc trong hệ thống thông tin di động DS/CDMA công suất thu của các máy di

động gần có thể lớn hơn rất nhiều so với máy di động ở xa điều này đã gây ra nhiễu giao thoa và làm giảm chất lợng thông tin của các máy di động ở xa Hiện tợng trên đợc gọi là hiệu ứng gần xa Đối với một hệ thống thông tin -

di động có cấu trúc nhiều ô thì dung lợng của hệ thống bị hạn chế bởi tổng nhiễu giao thoa tạo ra bởi tất cả các máy di động khác trong các ô mong muốn

và từ các ô lân cận Do đó điều khiển công suất là một tiêu chí quan trọng trong thiết kế mạng di động DS/CDMA với hai lý do: thứ nhất làm cho mức công suất thu đợc độc lập hơn với fading và hiệu ứng che khuất của các kênh truyền, thứ hai là khắc phục hiệu ứng gần xa và các nhiễu giao thoa đồng k- ênh

Có rất nhiều phơng pháp điều khiển công suất đã đợc đề xuất để giảm thiểu các hiệu ứng fading và hiệu ứng che khuất và các vấn đề gần xa Phơng pháp

điều khiển công suất trung bình nổi tiếng [25] đã cố gắng loại bỏ các hiệu ứng

gần xa và hiệu ứng che khuất biến đổi chậm Nhng phơng pháp này không khắc phục đợc các hiệu ứng fading đa đờng nhanh mặc dù đã giả thiết các máy di động di chuyển với tốc độ không đổi Để khắc phục nhợc điểm này thì một điều khiển công suất bớc cố định đã đợc đề xuất [25] Điều khiển công suất bớc cố định đợc thực hiện với tốc độ cao hơn tốc độ fading đa

đờng Phơng pháp này đã đề xuất tốc độ cập nhật lệnh điều khiển tăng công suất nhanh hơn 10 lần so với tốc độ tối đa của fading Việc tăng công suất

đợc quyết định dựa trên cơ sở sự sai lệch của mức công suất danh định mong muốn và mức tín hiệu thu đợc tại trạm gốc Công suất phát của máy di động sau đó đợc tạo ra bằng cách cộng các tăng công suất đã xác định từ trớc Từ các lệnh điều khiển công suất trên đã cho thấy điều khiển công suất bớc cố

định thực chất là một sự thay đổi nhỏ của điểu khiển tích phân Tuy nhiên Viterbi et al [26]đã ứng dụng khái niệm tơng tự với phơng pháp điều khiển công suất trên trong đó lợng điều khiển công suất đợc quyết định theo quy luật điều khiển bang bang Tuy nhiên C.L.Philip và H.T.Nagle [27] đã chỉ ra -rằng điều khiển tích phân có thể không ổn định vì bộ tích phân thực tế là một

hệ thống không ổn định Hơn nữa điều khiển bang-bang có mức quá điều khiển lớn, thời gian đáp ứng lớn và lỗi ổn định lớn khi các đồ thị đáp ứng của chúng đợc tính trớc bị ảnh hởng của lỗi mô hình hoá và nhiễu[28],[29] Sripada et al [29] đã đề xuất một bộ điều khiển công suất lôgíc mờ để khắc phục các hạn chế của cả điều khiển tích phân và điều khiển bang bang Trong -

điều khiển lôgic mờ[30],[31],[32] FLC các biến đo đợc biều diễn dới dạng các biến mờ đợc tính toán từ các phép đo sử dụng lôgíc mờ Phần cốt lõi của FLC là tập luật điều khiển mờ Các luật mờ này là sự kết hợp của hai khái niệm hàm y mờ và suy diễn mờ tổng hợp Hay nói ngắn gọn là FLC cung cấp một thuật toán có thể chuyển đổi các thuật toán điều khiển ngôn ngữ dựa trên các đặc tính của kênh thông tin di động thành các thuật toán điều khiển công suất Bằng việc sử dụng thành phần giải mờ các quyết định điều khiển mờ

đợc chuyển đổi sang thành các lệnh điều khiển công suất rõ dùng để điều chỉnh mức của các bớc điều khiển công suất

Với mục đích nghiên cứu tìm hiểu công nghệ đa truy nhập theo mã CDMA và ứng dụng của nó trong thông tin di động đề tài ”Sử dụng tập mờ trong điều khiển công suất mạng không dây CDMA” đã đợc chọn Đề tài tập trung vào các nội dung sau:

- Giới thiệu chung về mạng thông ti di động CDMA và các kênh fading

- Tập mờ và lý thuyết tập mờ, điều khiển mờ

- Điều khiển công suất trong mạng di động CDMA

- S dụng điều khiển mờ trong điều khiển công suất mạng CDMA

Cuối cùng đề tài đã thực hiện việc xây dựng một mô hình điều khiển công suất theo tri thức chuyên gia và xây dựng đợc mô hình mô phỏng có các thông số thực tế của mạng CMDA

Chơng 1 tổng quan về mạng không dây cdma

1.4 Giới thiệu chung.

1.4.1 Các hệ thống thông tin không dây thế hệ thứ ba.

Hiện nay thế giới đang nhanh chóng triển khai việc xây dựng một tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3(3G) Tiêu chuẩn 3G do ITU xây dựng là IMT 2000 nh một hệ thống thông tin di động thống nhất -toàn cầu sẽ mở rộng thêm nhiều dịch vụ ngoài các dịch vụ đang đợc cung cấp bởi hệ thống 2G với tốc độ dữ liệu cao hơn và chất lợng dịch vụ tốt hơn Vì hệ thống CDMA có nhiều u điểm hơn so với TDMA và FDMA về mặt dung lợng nên nhiều nghiên cứu đã đợc tiến hành về việc ứng dụng

hệ thống CDMA nh một giao diện đa truy nhập vô tuyến cho 2000/UMTS

IMT-Vì các hệ thống CDMA băng hẹp dựa trên tiêu chuẩn IS-95 gọi là hệ thống 2G không thích hợp cho các dịch vụ đa phơng tiện tốc độ cao nên các hệ thống CDMA đa sóng mang MC-CDMA đợc lựa chọn cho công nghệ truyền dẫn vô tuyến của IMT-2000/UMTS trong đề xuất “CDMA2000”

1.1.2 Giới thiệu về CDMA

Các kỹ thuật trải phổ dựa trên một phơng pháp báo hiệu mà trải phổ truyền dẫn rất rộng so với tốc độ tín hiệu truyền đi Điều chế trải phổ cung cấp một phơng pháp phân kênh gọi là CDMA Các kỹ thuật trải phổ trải băng thông của tín hiệu truyền trên một phổ hoặc băng tần lớn hơn nhiều lần băng tần yêu cầu tối thiểu để truyền tín hiệu đó Trong các kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp DS SS là kỹ thuật thông dụng nhất Trong hệ thống DS- -SS một tín hiệu băng hẹp đợc trải phổ trực tiếp bằng một mã giả ngẫu nhiên

PN có băng tần rộng Các mã khác nhau đợc phân bổ cho các ngời sử dụng khác nhau và tại đầu thu các tín hiệu cần thu đợc tách ra khỏi nhiễu

nền và các tín hiệu của ngời sử dụng khác bằng một máy thu nhân tín hiệu thu đợc với một bản sao của mã PN tại đầu phát Các loại nhiễu và các tín hiệu của ngời sử dụng khác không trực giao với bản sao PN này sẽ

Trong hệ thống đơn giản này chỉ có một ngời sử dụng truyền dữ liệu qua một kênh hoàn hảo không có nhiễu Trong hệ thống CDMA đa ngời sử dụng thì sẽ có ít nhất hai ngời sử dụng truyền trên kênh này Tuy nhiên với máy

Hình 1.1 Một hệ thống CDMA băng gốc một thuê bao

1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 1 1 1 -1 -1 1 -1 -1

Kênh thông

tin

-1 -1 -1 1 1 1 1 1-1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1- -1

-Tín hiệu phát đi Tín hiệu khôi phục đợc Dãy trải phổ của

ngời sử dụng Dãy trải phổ của ngời sử dụng

thu rake thì có thể thu và phục hồi các tín hiệu phát với điều kiện các tín hiệu

đó có tơng quan chéo đủ thấp

Vấn đề nảy sinh khi mà kênh này không hoàn hảo, ví dụ nh trong hệ thống thông tin không dây thì các kênh thay đổi theo thời gian do ảnh hởng của cơ chế truyền đa đờng và hiệu ứng Doppler Trong một hệ thống thông tin không dây, kênh thông tin từ trạm gốc tới máy di động đợc gọi là đờng xuống còn kênh thông tin từ máy di động đến trạm gốc gọi là đờng lên Các kênh đờng lên và đờng xuống có các đặc tính khác nhau trong hệ thống thông tin di động CDMA đa ngời sử dụng

1.5 Các kênh trong hệ thống thông tin CDMA không dây

1.5.1 Kênh CDMA đờng xuống

Trong đờng xuống các trạm gốc truyền đồng bộ các tín hiệu trải phổ bởi vì chúng đều đợc truyền từ cùng một địa điểm là trạm gốc Các tín hiệu sẽ

đợc truyền trên cùng một kênh đa đờng cùng chịu chung một suy hao

đờng truyền và cũng suy hao đồng thời Do đó đờng xuống có thể sử dụng các dãy trải phổ trực giao vì tính trực giao của dãy trải phổ có thể

đợc duy trì và cũng có thể thực hiện đợc việc dò đồng thời

Hình 1.2 Mô hình kênh đờng xuống CDMA

Một mô hình kênh CDMA đơn giản hoá với K ngời sử dụng cho

đờng xuống đợc trình bày trên hình 1.2 Bản tin bR k R(n) đợc tạo ra bởi ngời

sử dụng thứ k và đợc trải phổ bởi dãy trải phổ của ngời sử dụng thứ k cR k R(m) Chúng ta sẽ xem xét một phơng pháp điều chế QPSK, bR k R(n)=bR k RP

(I) P

(n)+j cR k RP

(Q) P

do suy hao đờng truyền lớn Và đồng thời các thuê bao xa này cũng bị ảnh hởng bởi các ô khác vì các thuê bao trên các ô khác nhau sẽ không trực giao nhau Trong trờng hợp này cần điều khiển công suất đờng xuống và có thể thực hiện tại trạm gốc cho phép các thuê bao xa trạm gốc hoạt động với công suất cao hơn mức công suất của các thuê bao gần trạm gốc

1.5.2 Kênh CDMA đờng lên:

Trong đờng lên thì việc thực hiện truyền dẫn đồng bộ từ các thuê bao

là rất khó khăn do mỗi thuê bao nằm ở một vị trí khác nhau Do đó trong

đờng lên không sử dụng đợc các dãy trải phổ trực giao vì việc đảm bảo tính trực giao của nó không thể duy trì đợc Tín hiệu từ các thuê bao di động lại bị tác động bởi các cơ chế truyền dẫn khác nhau, dẫn đến các suy hao đờng truyền khác nhau và các fading độc lập làm cho mức công suất thu đợc tại trạm gốc là khác nhau Do việc không sử dụng các chuỗi trải phổ trực giao và các mức công suất thu đợc tại đầu trạm gốc khác nhau trong đờng lên nên giao thao đa truy nhập trở thành vấn đề nghiêm trọng Hình 1.3 trình bày các kênh CDMA đờng lên trong hệ thống thông tin không dây CDMA

Tại trạm gốc ngời sử dụng thứ k sẽ khôi phục tín hiệu truyền từ thuê bao di động bằng cách tơng quan tín hiệu thu đợc với dãy trải phổ thứ k Vì tơng quan chéo giữa các thuê bao là khác không nên ngời sử dụng thứ k sẽ

bị ảnh hởng bởi nhiễu giao thao đa truy nhập của K 1 thuê bao khác Nếu mức công suất thu đợc tại trạm gốc không bằng nhau thì máy thu tơng quan không thể khôi phục tín hiệu của thêu bao có tín hiệu yếu do nhiễu của các thuê bao có mức công suất lớn khác Rõ ràng nếu tín hiệu một thuê bao thu

-đợc tại trạm gốc yếu thì nó sẽ bị nhiễu bởi tín hiệu lớn hơn của các thuê bao khác Do đó điều khiển công suất đờng lên rất quan trọng để giữ cho nhiễu giao thoa có thể chấp nhận đợc giữa các thuê bao và đạt đợc một cải thiện dung lợng kênh một cách đáng kể

1.6 Kênh không dây di động.

Việc hiểu đợc các lỗi của kênh vô tuyến là rất quan trọng Thực tế do các nhiễu nghiêm trọng của các kênh này đã đòi hỏi việc thiết kế tín hiệu phức tạp cùng với truyền dẫn thông minh cũng nh các công nghệ thu để duy trì

Hình 1.3 Mô hình kênh CDMA đờng lên

Các kênh fadinh độc lập

một thông tin tin cậy Để làm đợc việc đó thì sự phân biệt tính chất và mô hình hoá chính xác là rất quan trọng

Trong một hệ thống thông tin di động, một tín hiệu truyền đi qua một kênh vô tuyến sẽ trải qua một quá trình truyền phức tạp Quá trình truyền đó liên quan đến khúc xạ, đa phản xạ và các cơ chế tán xạ phức tạp Hình 1.4 trình bày một cơ chế truyền đa đờng từ một thuê bao di động đang truyền tín hiệu đến một trạm gốc Trong hầu hết các trờng hợp không tồn tại đờng nhìn thẳng (LOS) giữa thuê bao di động và trạm gốc vì mật độ dày đặc các vật cản giữa trạm gốc và thuê bao di động

Nh trình bày trên hình 1.4 có ba hiệu ứng truyền dẫn đến việc méo tín hiệu tại đầu thu Thứ nhất là hiện tợng phản xạ xảy ra khi một sóng vô tuyến truyền thẳng đến một bề mặt bằng phẳng với kích thớc lớn hơn so với bớc sóng của tín hiệu (nh tờng của một cao ốc hay mặt đờng ) Một đờng

đơn có thể bị phản xạ nhiều lần Thứ hai là hiệu ứng khúc xạ xảy ra khi một vật chắn lớn chắn đờng vô tuyến giữa máy phát và máy thu gây ra một bớc sóng thứ cấp sau vật cản đó và tiếp tục truyền đến máy thu Cơ chế này thờng

đợc gọi là sự che khuất bởi vì nó xảy ra khi đờng vô tuyến giữa máy phát và máy thu bị che khuất một phần chẳng hạn nh bị che bởi đồi núi hoặc một vật cản lớn Thứ ba là tán xạ xảy ra khi một tia sóng vô tuyến tới một mặt gồ ghề lớn tạo ra các tia phản xạ theo nhiều hớng Tán xạ cũng xảy ra do việc truyền sóng qua các tán lá dày đặc

Do đó các tín hiệu đến trạm gốc là sự kết hợp của nhiều đờng tín hiệu với các biên độ và thời gian trễ (pha) khác nhau Việc tổng hợp các tín hiệu này có thể làm tín hiệu mạnh lên hoặc là suy giảm tín hiệu phụ thuộc vào sự lệch pha giữa các đờng Nếu nh ngời sử dụng và các cấu trúc đờng truyền tĩnh thì mức tín hiệu thu tại một điểm cố định sẽ là một hằng số Tuy nhiên mức hằng số này sẽ khác nhau tại các điểm khác nhau tuỳ thuôc vào vị trí tơng đối của ngời sử dụng và trạm gốc (thay đổi không gian) Khi một thuê bao di động thì cơ chế đa đờng sẽ phức tạp hơn bởi các thay đổi liên tục của

đờng truyền dẫn đến tín hiệu thu đợc sẽ thay đổi theo một hàm của thời gian (thời gian biến đổi) Tín hiệu thu đợc của một ngời sử dụng đứng im cũng thay đổi nếu một hoặc nhiều vật tán xạ hoặc phản xạ thay đổi

Ngoài việc biến đổi tín hiệu nhanh thì tín hiệu thu cũng bị suy hao một cách nhanh chóng với việc tăng khoảng cách giữa máy phát và máy thu do suy hao đờng truyền Và suy hao đờng truyền cũng thay đổi tuỳ theo từng khu vực do hiệu ứng che khuất Do đó một tín hiệu truyền qua một kênh di động sẽ chịu một suy hao lớn, các biến đổi của sự che khuất và fading đa đờng Điều này dẫn tới một suy hao đờng tổng Và công thức tính suy hao đờng tổng tính theo dB nh (1.1)

L(t)= Lp(p)+m(t)+β(t) (1.1)

Để thuận lợi cho mục đích điều khiển công suất sẽ phân loại suy hao

đờng tổng trong (1.1) thành hai loại:

o Suy hao đờng quy mô lớn thờng là suy hao đờng trung bình

và các biến đổi của nó xung quanh giá trị trung bình này do sự che khuất Suy hao đờng trung bình và sự biến đổi của nó đợc thể hiện trên hai số hạng đầu tiên của công thức

o Suy hao đờng quy mô nhỏ thờng là các biến đổi nhanh và bất ngờ của biên độ và pha tín hiệu do các hiệu ứng đa đờng Nó

đợc đặc trng bởi các suy giảm sâu và nhanh rất cục bộ Thực sự các đặc tính của hai tín hiệu thu đợc tại các vị trí bằng nửa bớc sóng là không tơng quan

Nếu suy hao đờng truyền không đổi trong qua một vùng lớn thì gọi là suy hao đờng quy mô lớn Ngợc lại nếu suy hao đờng truyền thay đổi đột ngột trong vòng một khu vực nhỏ thì gọi là suy hao đờng quy mô nhỏ Hai tính từ lờn và nhỏ ở đây đợc định nghĩa so với bớc sóng của tín hiệu

Việc phân loại này rất quan trọng vì thuật toán điều khiển công suất để khắc phục suy hao đờng quy mô lớn rất khác với thuật toán khắc phục suy hao đờng quy mô nhỏ

1.6.1 Suy hao đờng truyền quy mô lớn:

Trong một trờng hợp lý tởng chỉ có đờng trực tiếp từ máy phát đến máy thu thì tín hiệu thu đợc có thể xác định bằng cách sử dụng công thức suy hao đờng truyền không gian tự do Trong mô hình này suy hao đờng trung

bình Lp(d) tỷ lệ với n lần khoảng cách d tơng ứng với khoảng cách tham chiếu d0 nh công thức sau:

LR p R(d) = LR d0 R+10nlog(d/dR 0 R) (1.2) Trong công thức này:

• LR d0 R là suy hao đờng truyền trung bình tại khoảng cách tham chiếu dR 0 R

• n là hệ số suy hao đờng truyền Giá trị n phụ thuộc vào tần số sòng mang, chiều cao ăngten và các môi trờng truyền dẫn Trong các vùng thành thị hệ số suy hao đờng truyền thờng lấy n=4 hoặc lớn hơn

Hầu hết các nghiên cứu thực tế cho thấy suy hao đờng truyền quy mô lớn là một phân bố chuẩn logarit do hiệu ứng che khuất Trong trờng hợp này khi mức công suất tín hiệu thu đợc trung bình đợc đo bằng dB thì nó sẽ theo phân bố Gaussian Do đó m(t) trong (1.1) là biến Gaussian trung bình không với mức lệch chuẩn σR m R Các lần đo thử nghiệm cho thấy σR m R có giá trị phổ biến trong khoảng từ 6 và 10 dB trong hầu hết các khu vực thành thị Các thống kê của suy hao đờng truyền quy mô lớn thờng đợc yêu cầu để xác định một loạt các tham số thiết kế trong hệ thống thông tin di động nh độ tin cậy của dịch vụ, chuyển giao và diện tích vùng phủ sóng

Một khía cạnh quan trọng nữa của các thống kê suy hao đờng truyền quy mô lớn là suy hao đờng truyền trung bình là nh nhau giữa các kênh

đờng lên và đờng xuống Do đó ta có thể dự đoán đợc suy hao đờng quy mô lớn của đờng lên bằng cách sử dụng các kết quả đo của tín hiệu đờng xuống

1.3.2 Suy hao đờng truyền quy mô nhỏ:

Mô hình suy hao đờng truyền quy mô nhỏ rất quan trọng trong việc diễn giải hiệu ứng truyền đa đờng Nó không những diễn giải các biến đổi biên độ nhanh mà còn diễn giải sự phân tán thời gian của tín hiệu thu đợc Nh đã đề cập ở trên tín hiệu thu đợc là tổng hợp của tất cả các đờng tín hiệu với các biên độ, pha và góc tới của tín hiệu khác nhau do phản xạ, khúc xạ hoặc tán xạ tín hiệu qua các môi trờng truyền dẫn Có hai yếu tố chính của truyền đa

• c là tôc độ ánh sáng

• λ là bớc sóng của tín hiệu vô tuyến(RF)

Tín hiệu thu đợc r(t) là tổng hợp của L thành phần đa đờng có thể đợc tính nh (1.4)

r(t)= ΣR l=1 RP

L P

CR l Rs(t-τR l R)eP j2 π [(fc+ fDcos ψ l)t- fc τ l]

P

Trong đó:

• CR l Rlà hệ số của đờng thứ l của biên độ tín hiệu đến

• τ R l R là trễ của đờng thứ l

• fR D R =v/ λ là hệ số trải Doppler tối đa

• Ψ l là hớng của đờng tán xạ thứ l so với vector vận tốc của máy di

Trong miền tần số chúng ta xem xét fading đa đờng nh một đáp ứng tần số của một kênh (Hàm truyền) và nh trải Doppler của kênh Trong khi lựa chọn tần số của kênh có thể đợc hiểu một cách dễ dàng bằng việc sử dụng đáp ứng tần số thì lựa chọn thời gian (độ nhanh fading) lại rõ ràng hơn từ việc đánh giá trải Doppler

Trải thời gian của tín hiệu: Trong miền thời gian, trải thời gian của tín hiệu

do kênh đa đờng có thể đợc phân loại bằng việc sử dụng một thông số cờng độ đa đờng S(τ) cùng với thời gian trễ τ Trải trễ đa đờng τm đợc

định nghĩa là chênh lệch trễ thời gian giữa thành phần đa đờng đến đầu tiên (τ=0) và thành phần đa đờng đến cuối cùng (τ τ= R m R) Tất cả các tín hiệu đến máy thu đều có thể đợc xem nh một mô hình tán xạ không tơng quan tĩnh rộng (WSSUS) Khi kênh có τR m R lớn hơn thời gian của tín hiệu TR s R kênh đa

đờng sẽ có fading lựa chọn tần số Nhiễu giao thoa xảy ra khi các thành phần

đa đờng thu đợc của một tín hiệu rộng hơn khoảng thời gian của tín hiệu đó Ngoài các méo dạng ICI một tín hiệu truyền qua kênh phading lựa chọn còn bị

ảnh hởng của sự biến đổi biên độ do sự cộng thêm hoặc trừ đi của các thành phần đa đờng Một kênh với τR m R<< TR s R đợc gọi là một kênh không lựa chọn hay kênh phading phẳng trong đó tất cả các thành phần đa đờng của tín hiệu thu đợc đều đến gần nh cùng một lúc và nằm trong khoảng thời gian của tín hiệu, do đó chỉ có sự biến đổi biên độ do tín hiệu thu mà không có méo ICI Trong miền tần số, một kênh đợc đặc trng bằng một hàm tơng quan thời không gian tần số, ρ ∆( f), đây là biến đổi Fourier của S( ) và hoạt đτ ộng nh một hàm truyền tần số của kênh Hàm tơng quan tần số có thể xem nh là một đáp ứng tần số của kênh Độ rộng băng coherence của kênh WR o R đợc định nghĩa là tần số trong đó kênh truyền qua tất cả các thành phần phổ với độ tăng kênh xấp xỉ bằng nhau và pha tuyến tính Một tín hiệu kênh đợc gọi là bị ảnh hởng của fading lựa chọn nếu WR 0 R nhỏ hơn rất nhiều so với W của tín hiệu bởi vì các thành phần phổ của tín hiệu bị ảnh hởng bởi kênh với các độ tăng ích kênh không đồng đều nên dẫn đến méo tín hiệu Nếu WR 0 R>> W thì kênh

đợc gọi là kênh fading không lựa chọn bởi vì tất cả các thành phần phổ của tín hiệu có chung một độ tăng ích kênh Chú ý rằng WR 0 R và τ có quan hệ tỷ lệ nghịch với nhau, trong đó một kênh với sự trải trễ đa đờng lớn sẽ có một băng thông liên kết nhỏ

Mối quan hệ giữa trải thời gian của tín hiệu bởi các thành phần đa đờng (miền thời gian) và độ rộng băng liên kết đợc trình bày trên hình 1.5

Trong một kênh phadinh lựa chọn tần số thì sự suy giảm tín hiệu không chỉ là

sự mất mát của SNR do sự biến đổi biên độ mà còn là sự méo ICI do trải trễ lớn Trong hầu hết các trớng hợp khi tăng ích trải phổ đủ lớn thì một kênh lựa chọn tần số chỉ dẫn đến ICI trong đó các thành phần đa đờng mở rộng trên một số chip nhỏ hơn hệ số trải (số chip trên một ký hiệu) Trong chu kỳ ký hiệu chỉ có hầu hết là ICI và một số lợng rất ít giao thao giữa các ký hiệu (ISI) tại thời điểm đầu và cuối của chu kỳ ký hiệu Trong trờng hợp này máy thu Rake sẽ tận dụng phân tập tần số của các thành phần đa đờng và sẽ cung cấp một chất lợng rất tốt Hay nói cách khác nếu một thành phần đa đờng bị

ảnh hởng bởi một fading sâu thì các thành phần đa đờng khác sẽ không bị

ảnh hởng cùng một điều kiện fading

Tuy nhiên các ICI hiện có mặc dù nhỏ nhng cũng sẽ dẫn tới các giao thao đa truy cập do đó điều khiển công suất rất quan trọng mặc dù không quan trọng bằng trong trờng hợp fading phẳng Đối với các kênh fading phẳng, chỉ có một thành phần đa đờng tồn tại cho mỗi ký hiệu và điều khiển công suất

đóng một vai trò rất quan trọng bởi vì máy thu rake không thể tận dụng phân

Hình 1.5 Mối quan hệ giữa trải thời gian của tín hiệu và băng thông liên kết (a)

Thành phần cờng độ đa đờng,(b) Tơng quan tần số không gian

Trễ trải,τm Băng tần coherence W0

tập tần số Trong thc tế các hệ thống CDMA sử dụng một số kỹ thuật để khắc phục các hiệu ứng của fading đa đờng

Bảng 1.1 Các hiện tợng fading đa đờng nh sự trải thời gian của tín hiệu

Đặc tính Phadinh lựa chọn tần số Phadinh phẳng Miền thời gian τR m R>>TR s τR m R<<TR s

Miền tần số WR 0 R<<W WR 0 R>>W

Suy giảm tín hiệu ICI, mất SNR Mất SNR

Ký thuật khắc phục Cân bằng kênh, trải phổ

(Rake), điều chế trực giao (OFDM)

Phân tập,điềukhiển lỗi, điềukhiển công suất

Một bảng tổng kết đặc tính fading đa đờng, loại suy giảm tín hiệu và các kỹ thuật khắc phục trình bày trên hai miền không gian và thời gian khi các hiệu ứng của fadinh đợc coi nh là một sự trải thời gian tín hiệu đợc trình bày trên bảng 1.1

Biến đổi thời gian của kênh: Hiện tợng biến đổi thời gian của fading đa

đờng có thể nhìn thấy trong miền thời gian nó là kết quả của việc di chuyển giữa máy phát và máy thu Chúng ta cũng có thể coi rằng sự biến đổi thời gian của kênh là tơng đơng với sự biến đổi không gian bởi vì sự biến đổi thời gian của kênh phụ thuộc vào vị trí tơng đối giữa máy phát và máy thu (biến

đổi không gian) Kênh biến đổi theo thời gian trên miền thời gian có thể đợc

đặc trng bằng hàm tơng quan thời gian không gian, (ρ ∆t), hàm này đợc

định nghĩa nh là một hàm tự tơng quan của kênh nh trình bày trên hình 1.6 (a) Sử dụng hàm tơng quan thời gian không gian chúng ta có thể định nghĩa

đợc thời gian coherence của kênh TR 0 R Nó là khoảng thời gian trong đó đáp

ứng kênh là không biến đổi theo thời gian do tính tự tơng quan cao trong thời gian này

Nếu thời gian TR 0 R nhỏ hơn rất nhiều so với thời gian của tín hiệu Ts R R thì kênh này đợc gọi là kênh fading nhanh có nghĩa là kênh này có sự biến đổi theo thời gian trong chu kỳ thời gian của ký hiệu Nếu TR 0 R>>TR s R thì kênh đợc định nghĩa là kênh fading chậm hay kênh duy trì thời gian không đổi ít nhất là trong một chu kỳ của ký hiệu Một ký hiệu (symbol) đợc truyền qua một kênh fading chậm sẽ không bị méo bời vì tăng ích kênh gần nh không đổi trong xuốt chu kỳ ký hiệu Tuy nhiên sự biến đổi theo thời gian của kênh fadinh chậm sẽ dẫn đến mất SNR do sự biến đổi của tín hiệu sau một vài ký hiệu Trong kênh fading nhanh một tín hiệu đợc truyền sẽ chịu tác động của

sự không đồng đều của tăng ích kênh trong chu kỳ của ký hiệu điều này dẫn

đến sự méo dạng xung Và lỗi gây ra do sự méo dạng xung đó không chỉ là sự mất SNR mà còn mất đồng bộ ký hiệu và gây khó khăn cho việc thiết kế bộ lọc tơng thích

Khi biểu diễn trong miền tần số, sự biến đổi thời gian của kênh có thể đợc

đặc trng bằng sự trải Doppler của kênh Mật độ công suất trải Doppler S(ν)

đợc định nghĩa là sự trải rộng hơn hay trải Doppler của kênh và nó đợc sử dụng nh một phép đo độ nhanh phadinh của kênh biến đổi theo thời gian Mật độ công suất trải Doppler đợc tính theo (1.5)

khac

f f

f S

D D

π υ

0

, 1

1 )

Mật độ công suất phổ Doppler là một hàm của ν nh trình bày trên (1.5)

có hình dạng chiếc bát nh trên hình 1.6(b)

Trong miền tần số một kênh biến đổi theo thời gian đợc gọi là có một cơ chế phadinh nhanh nếu fR D R>>W bởi vì tốc độ phadinh (fR D R) lớn hơn tốc độ tín hiệu (W) Một kênh phadinh với fR D R<<W đợc gọi là kênh phadinh chậm Biểu diễn trong miền tần số phadinh nhanh gây méo dạng xung của tín hiệu của tín hiệu phát bởi vì tốc độ phadinh nhanh lớn hơn tốc độ tín hiệu Tuy nhiên phadinh nhanh cũng gây ra sự mất SNR do sự biến đổi của biên độ và pha tín hiệu Các

kỹ thuật có thể dùng để hạn chế phadinh nhanh gồm điều khiển lỗi và ghép xen, các ký thuật điều chế mạnh, và sử dụng sự d thừa tín hiệu để tăng tốc độ báo hiệu lên Một cách lý tởng thì điều khiển công suất có thể đợc sử dụng

để bù cho các sự mất SNR

Mặt khác phadinh chậm chỉ chịu sự mất SNR và có thể khắc phục bằng điều khiển công suất Và một chú ý quan trọng là trong kênh phadinh việc sử dụng

Hình 1.6 Mối quan hệ giữa trải Doppler và thời gian coherence của kênh (a) Hàm

tơng quan thời gian không gian, (b) Mật độ phổ công suất Doppler

Thời gian T0 của kênh

Trải Doppler

mã chống lỗi không hiệu quả do các lỗi cụm dài Trong trờng hợp này khung thời gian yêu cầu để ghép các tín hiệu lỗi này sẽ quá dài Do đó các ứng dụng

điều khiển công suất là một sự kết hợp tuyệt vời với điều khiển lỗi Vì điều khiển công suất hiệu quả với kênh fading chậm còn điều khiển lỗi thì lại hiệu

quả với fading nhanh

Bảng 1.2 Các hiện tợng của phadinh đa đờng nh sự biến đổi thời gian của

kênh

Bảng 1.2 tổng kết các đặc tính phadinh, loại suy giảm tín hiệu và kỹ thuật dùng để khắc phục trình bày trong miền tần số trong đó các hiệu ứng của phadinh đợc coi nh là một sự biến đổi thời gian của kênh

Trong thực tế các kênh di động có thể bị một hoặc nhiều phadinh tuỳ thuộc vào môi trờng truyền sóng vô tuyến Và thuê bao di động cũng chịu nhiều loại phadinh khác nhau khi di chuyển từ vùng này sang vùng khác Do đó để

đạt đợc chất lợng đáng tin cậy trong hệ thống thông tin di động một loạt các kỹ thuật đã đợc sử dụng để khắc phục các hiệu ứng khác nhau này của phadinh Bảng 1.3 phân loại các mô hình phadinh trong miền không gian và tần số

Các đặc tính Phadinh nhanh Phadinh chậm

Miêng thời gian TR 0 R<<TR s TR 0 R>>TR s

Miền tấn số fR D R>>W fR D R<<W

Suy giảm tín hiệu Mất SNR, méo dạng

xung, mất đồng bộ

Mất SNR

Kỹ thuật khắc phục Điều khiển lỗi và ghép

xen, Các kỹ thuật điều chế mạnh

Phân tập, điều khiển lỗi

và điều khiển công suất

W<<WR 0 Phadinh không lựa chọn

tần số nhn lựa chọn thời gian

Phadinh khônglựa chọn thời gian tần số

1.2.3 Kênh phadinh Rayleigh

Chúng ta đã trình bày trong miền thời gian rằng với một kênh phadinh không lựa chọn tần số hay phadinh Rayleigh thời gian trễ là nhỏ hơn rất nhiều so với chu kỳ của ký hiệu hay nghịch đảo băng thông của tín hiệu(τR m R<<WP -1

P

) Do đó bằng việc sử dụng tín hiệu truyền diễn tả trong (1.3) và tín hiệu thu trong (1.4)

ta có công thức sau:

c

L l

t j

C t

s t

1

) (

( )

biến thứ hai phản ánh sự biến đổi biên độ cuả tín hiệu băng gốc bằng công thức sau:

) 1

có hàm phân bố xác suất nh (1.8)

0 , exp

2 )

α α

Trong đó σP

2 P

=E[αP 2 P

] Do đó sự biến đổi của tín hiệu thu bị quyết đinh bởi α(t)

có một phân bố Rayleigh Nếu đờng LOS tồn tại thì α(t) sẽ có phân bố Rician

0 ,

2 exp

2 )

à

α σ

là công suất trung bình trên đờng trực tiếp LOS và I0 là hàm biến

đổi bậc 0 của hàm Bessel Một mô hình phân bố chung hơn của biên độ phadinh đa đờng đó là mô hình tính đến cả phân bố Rayleigh và Rician đợc diễn tả bởi Nakagami pdf và có công thức nh (1.10)

) (

2 )

m

m f

m m

]

• m=σP

4 P

/ E[(αP

2 P

-σP 2 P

)P 2

P]

• Γlà hàm Gama

Khi tÝn hiÖu thu ®îc cã mét ®¬ng trùc tiÕp LOS th× ph©n bè Nakagami xÊp

xØ ph©n bè Rice(m>1) vµ khi kh«ng cã ®êng LOS th× m≈1 trong (1.10) vµ c«ng thøc Nakagamin t¬ng tù víi c«ng thøc pdf cña Rayleigh trong (1.8)

Chơng 2

lý thuyết tập mờ và lôgíc mờ

2.1 Giới thiệu chung:

Tập mờ đợc hình thành và phát triển bởi Zaded năm 1965, nhng các ý tởng của một lôgíc đa giá trị để giải quyết sự mập mờ đã có từ đầu thế kỷ 20

Và một trong những ngời đầu tiên nghiên cứu sự mờ là Peirce Ông không tin vào sự phân tách rạch ròi giữa đúng và sai và tin rằng mọi thứ trong cuộc sống

là một sự liên tục Năm 1905 ông tuyên bố “ Tôi đã tìm ra một lôgíc của sự

phát triển lý thuyết này Russell cũng tuyên bố ”tất cả các ngôn ngữ đều

nh một bức ảnh mờ sẽ mờ hơn một bức ảnh rõ) Einstein nói rằng” khi các

luật toán học mô tả thực tế thì chúng không chắc chắn và khi chúng chắc chắn

hình chính thức cho sự mờ và vào năm 1920 ông đã giới thiệu một lôgíc ba giá

trị dựa trên đúng, sai và có thể Trong khi làm việc đó ông đã nhận ra rằng các

quy luật của lôgíc hai giá trị cổ điển có thể bị hiểu nhầm bởi vì chúng chỉ diễn tả đợc một phần của toàn miền Một năm sau Post đã phác thảo một lôgic của

ba giá trị của chính mình và ngay sau đó một loạt các logíc ba giá trị khác

đợc giới thiệu Một vài năm sau vào năm 1937 Black đã giới thiệu tập mờ

đầu tiên Ông đồng ý với Pierce về sự liên tục của sự mờ và đồng ý với Russell

về mức độ của sự mờ Do đó Black đã đa ra một lôgíc dựa trên các mức độ của việc sử dụng dựa trên xác suất rằng một vật cụ thể sẽ đợc coi nh là đang thuộc một lớp cụ thể Cuối cùng vào năm 1965 Zadeh đã thí nghiệm một lôgíc

đa giá trị trong đó các mức độ của sự thật (không phải của sự sử dụng) là có thể

Lý thuyết tập mờ tổng quát hoá lý thuyết tập kinh điển trong đó mức độ của hàm thuộc của một phần tử thuộc một tập nào đó không bị giới hạn bởi hai giá trị 0 hoặc 1 mà là có thể là bất kỳ giá trị nào trong khoảng [0,1] Bằng việc phân tích chi tiết các tập mờ và các quan hệ mờ chúng ta có thể xác định các hệ lôgíc mờ Các hệ thống mờ là các hệ thống dựa vào các luật trong đó một tín hiệu đầu vào đầu tiên đợc mờ hoá ( đó là chuyển đổi từ một số rõ sang một tập mờ) và sau đó đợc xử lý bằng một thiết bị hợp thành mờ khối này lấy tính toán bởi thiết bị hợp thành nh các tín hiệu ra sau đó tổng hợp lại

và giải mờ ( đó là chuyển đổi từ tập mờ thành các số rõ) Một hệ thống lôgíc

mờ là một ánh xạ tín hiệu đầu vào sang không gian của tín hiệu ra

2.2 Giới thiệu tập mờ:

Các tập mờ là các tập tổng quát đợc giáo s Zadeh công bố năm 1965 nh một phơng pháp toán học để trình bày và giải quyết các quá trình không

rõ ràng không chính xác trong đời sống hằng ngày Chúng ta đã phát triển rất nhiều phơng pháp để giải quyết các hệ thống cơ khí (nh các hệ thống đợc

điều khiển bởi các công thức khác nhau) nhng vẫn thiếu các phơng pháp cho các hệ thống mang tính nhân bản Và xu hớng tự nhiên của chúng ta là vẫn sử dụng các phơng pháp giống với các phơng pháp tốt đã đợc chứng minh mà chúng ta đã phát triển mặc dù chúng có thể không hoạt động tốt đối

với các lớp khác của hệ thống

Nói một cách đơn giản các tập mờ là một cách thông minh để giải quyết

sự mờ nh chúng ta vẫn thờng làm trong cuộc sống hằng ngày Ví dụ khi

chúng ta hớng dẫn một học viên lái xe cách phanh xe chúng ta sẽ nói “ Hãy

khó thực hiện trên thực tế Các ngôn ngữ hằng ngày là một minh chứng rõ ràng nhất về sự mờ và là sự diễn tả cách mà chúng ta hiểu và sử dụng các dữ

liệu mờ, các luật mờ và các thông tin không chính xác miễn là chúng ta có thể

đa ra đợc quyết định về các tình huống nh có vẻ bị chi phối bởi các nhân

tố xác suất Do đó các mô hình tính toán của các hệ thống thực tế cũng phải

có khẳ năng nhận dạng, biểu diễn, điều khiển, thông dịch và sử dụng các bất

ổn vừa mờ và vừa có tính thống kê

Sự phiên dịch mờ của cấu trúc dữ liệu là một cách rất hợp lý về mặt trực giác và tự nhiên để định dạng và giải quyết các vấn đề Các tập kinh điển có các phần tử thoả mãn các yêu cầu đặc tính chính xác cho hàm đặc tính.Tập H gồm các số từ 6 đến 8 là rõ chúng ta viết H={r∈R| 6 r 8} trong đó R là tập số ≤ ≤thực Tơng tự H có thể đợc biểu diễn dới dạng hàm thuộc àH:R→{0,1}

đợc định nghĩa nh sau:

(2.1)

Mọi số thực (r) hoặc thuộc H hoặc không Bởi vì àHánh xạ toàn bộ các

số thực r ∈R lên hai điểm 0 hoặc 1, các tập rõ tơng ứng với một logic hai giá trị có hoặc không, tắt hoặc bật, trắng hoặc đen 1 hoặc 0 Trong logic các giá trị của àH đợc gọi là các giá trị sự thực tơng ứng với câu hỏi “r có thuộc R

không Trong lý thuyết tập kinh điển các tập của các đối tợng thực nh các

số trong H tơng ứng với và đợc mô tả bởi một hàm thuộc duy nhất àH Tuy nhiên không có một lý thuyết tập tơng ứng của các đối tợng thực tơng ứng với các tập mờ Các tập mờ là các hàm từ một miền các đối tợng X sang [0,1] Nh đã định nghĩa mọi hàm à :X [0,1] là một tập mờ Trong khi điều này →

đúng về phơng diện toán học chính thống thì rất nhiều hàm thoả mãn điều kiện này nhng không thể dịch một cách phù hợp là sự nhận biết của một khái

Giá trị khác

niệm tập mờ Hay nói cách khác các hàm ánh xạ X lên các khoảng đơn vị có thể là tập mờ nhng chỉ trở thành tập mờ khi và chỉ khi thoả mãn một số miêu tả ngữ nghĩa có thể hiểu đợc bằng trực giác của các tính chất không chính xác của các đối tợng trong X Định nghĩa các số thực giữa 6 và 8 là một vấn

đề rất rõ ràng (đó là các hệ thống cơ khí) và không đòi hỏi phải dùng đến tập

mờ Một tình huống mà chúng ta có thể gặp trong cuộc sống hằng ngày( đó là

hệ thống con ngời) bao gồm việc quyết định một ngời cao hay thấp là một

sự không rõ ràng Thực tế việc xác định cao thấp logic của Aristot thì chúng ta cần định nghĩa ra một giới hạn chiều cao để phân biệt giữa ngời cao và ngời không cao Nếu một ngời nào đó cao hơn mức ngỡng mặc dù chỉ là 1/10 cm thì ngời đó đợc gọi là cao còn không thì coi là thấp Điều này rất khác so với việc chúng ta quyết định một ngời là cao hay thấp Quan điểm của chúng

ta về một ngời đợc mô tả tốt hơn nh là một chuyển mạch mềm hơn là một cơ chế ngỡng Đây cũng chính là lý do vì sao chúng ta hay thêm các từ bổ

nghĩa vào từ cao ( nh không , không lắm, hơi, rất, ) để mô tả mức độ của sự cao hơn là một sự chính xác tuyệt đối hoặc một câu trả lời không đúng Sự khác nhau giữa mờ và rõ đợc mô tả trên hình 2.1 trong đó các chiều cao khác nhau tơng ứng với mức độ của hàm thuộc với các sự rõ chủ quan và các tập

mờ đợc mô tả bằng àC vààF tơng ứng Để định nghĩa một tập ngời cao rõ chúng ta cố định một mức ngỡng giữa 5’5’’ và 6’ là 5’10’’ Do đó một ngời nào đó cao 5’9’’ không phải là cao trong khi đó một ngời cao 5’11’’ thì gọi

là cao Trái lại trong tập mờ “ngời cao”, một mức độ cao đợc định nghĩa do

đó cung cấp một sự liên tục chứ không phải là một sự chuyển đổi đột ngột từ

đúng sang sai

Xét một tập F gồm các số thực gần tiến tới 7 Vì tính chất tiến tới 7 là

mờ ( nh đặc tính ngời cao) nên không có một hàm thuộc duy nhất cho nó Hơn nữa ngời mô hình hoá phải quyết định dựa trên các ứng dụng tiềm năng

và các đặc tính mong muốn cho F, àF nên là gì Các đặc tính có vẻ có ý nghĩa cho F bao gồm:

Một trong khác biệt lớn nhất giữa các tập rõ và tập mờ là các tập

rõ nói chung đều có hàm thuộc duy nhất trong khi đó các tập mờ có vô số các hàm thuộc có thể biểu diễn các tập mờ này Điều này vừa là điểm yếu cúng là

điểm mạnh của tập mờ khi tính duy nhất không có nhng điều này làm tăng tính linh hoạt do đó cho phép các mô hình mờ có thể điều chỉnh đợc làm tăng tối đa tính khẳ dụng trong một số trờng hợp nhất định

Cao?

Hình 2.1 Tập rõ và tập mờ cho đặc tính cao

Một trong câu hỏi đầu tiên về lý thuyết mờ và cũng là câu hỏi vẫn luôn

đợc hỏi là mối liên hệ giữa mờ và xác suất Có phải lý thuyết mờ chỉ là một dạng thông minh của mô hình xác suất? Câu trả lời là không và sau đây đa ra

một ví dụ để làm rõ điều này

U

Ví dụ 1:U Một dung dịch có thể uống đợc: mờ và xác suất.

Coi tập tất cả các dung dịch là tập nền của các đối tợng, và gọi tập con

mờ L={ tất cả các dung dịch uống đợc( đó là có thể uống đợc)} Giả sử bạn

đang ở trên sa mạc một tuần không đợc uống và bạn tìm thấy hai bình nớc

A và B Bạn đợc thông báo rằng hàm thuộc mờ của dung dịch trong A tới L

là 0.9 và cũng đợc thông báo rằng xác suất dung dịch trong B thuộc L là 0.9 Hay nói cách khác A chứa dung dịch có thể uống đợc với mức độ của hàm thuộc là 0.9, trong khi đó B chứa dung dịch có thể uống đợc với xác suất 0.9

So sánh giữa hai bình nớc này và giả sử rằng bạn phải uống một trong hai bình đó thì bình nớc nào bạn chọn uống trớc? Tại sao? Hơn nữa sau khi quan sát bất kể loại dung dịch nào chứa trong hai bình trên thì giá trị gì cho hàm thuộcvà xác suất? Bình nớc mà bạn nên uống là A bởi vì giá trị 0.9 có nghĩa là dung dịch chứa trong A gần nh là 100% uống đợc do đó nó rất an toàn khi uống Ngợc lại B sẽ chứa dung dịch rất có khẳ năng uống đợc nhng nó có thể 1/10 rất độc hại do đó chúng ta có thể sẽ uống phải thuốc độc trong B Hơn nữa khi sau khi đã quan sát và dung dịch trong các bình đợc công bố thì hàm thuộc của A vẫn giữ nguyên còn xác suất cho B thay đổi và trở thành 1 hoặc 0 tuỳ thuộc vào thực tế là dung dịch trong B là uống đợc hay không

Một hiểu nhầm nữa về mô hình mờ qua nhiều năm là chúng đợc đa ra

để thay thế cho mô hình rõ (hoặc xác suất) Để mở rộng vấn đề này, một chú ý

đầu tiên là mọi tập rõ đều mờ nhng điều ngợc lại thì không đúng Hầu hết các mô hình sử dụng ý tởng mờ đều sử dụng chúng dới dạng nhúng đó là chúng ta làm việc bảo tồn các cấu trúc truyền thống và cho chúng chiếm đầu

ra khi nào chúng có thể và khi nào chúng phải chiếm Một thí dụ khác sẽ làm

rõ điều này

U

Ví dụ2:U Chuối Taylor về hàm hình chuông

Hãy xem xét rất nhiều nhà toán học cổ biết rằng chuỗi Taylor có hàm hình chuông thực f(x)= 1/(1+xP

2 P

) đối xứng tại x= 1 nhng không hiểu tại sao ±

đặc biệt là khi f thờng có thể lấy vi phân vô hạn tại hai điểm này Nh một kiến thức phổ thông của các sinh viên học các biến phức ngày nay hàm phức f(x)= 1/(1+xP

2 P

) có trục tại z=±i là hai số ảo thuần tuý Do đó hàm phức này là một sự nhúng của các hàm thực trớc đó và không thể có sự mở rộng chuỗi công suất hội tụ bất kỳ ở đâu trong giới hạn của vòng tròn đơn vị trong mặt phẳng đặc biệt là tại z=± 0i ± 1 đó là tại số thực z= 1 Điều này đã minh hoạ ±một nguyên lý chung trong mô hình hoá toán học: với một vấn đề thực tế; mở rộng không gian và tìm kiếm các giải pháp trong một vài tập ảo con của bài toán thực tế; cuối cùng tập chung vào giải pháp “ảo” cho các hạn chế thực ban

đầu

Trong ví dụ hai chúng ta nói về phức hoá hàm f bằng cách nhúng các số thực vào không gian phức, tiếp theo bằng cách giải phức của kết quả tổng quát hơn để giải quyết bài toán ban đầu Hầu hết các mô hình mờ cũng làm tơng

tự Các bài toán thực có các đặc tính bất thờng không thống kê đầu tiên đợc

mờ hoá và thực hiện một số phân tích trong bài toán lớn hơn và sau đó các kết quả đợc rút gọn lại cho bài toán ban đầu Trong ví dụ 2 chúng ta có thể việc chuyển đổi lại số thực bằng việc giải phức hàm phức trong mô hình mờ là một phần của quá trình giải mờ Giải mờ luôn luôn cần thiết vì mặc dù chúng ta hớng dẫn sinh viên phanh xe khi gần tới ngã t nhng trên thực tế bàn đạp phanh phải hoạt động một cách rõ ràng tại một thời gian thực Hay nói một cách khác chúng ta không thể điều khiển môtơ tăng công suất lên một chút mặc dù nếu lệnh này đa ra từ bộ điều khiển mờ thì chúng ta vẫn phải điều

chỉnh điện áp của nó bằng một lợng xác định Do đó giải mờ vừa là sự tự nhiên và vừa là sự cần thiết

U

Ví dụ 3:UCon lắc đổi chiều

Và đây là ví dụ cuối và có lẽ là ví dụ cụ thể hơn về việc sử dụng mô hình

mờ Xét một con lắc đổi chiều tự do đơn giản xoay quanh một mặt phẳng thẳng đứng trên một trục gắn trên một xe Bài toán điều khiển là giữ cho con lắc luôn thẳng đứng bằng cách tác động một lực khôi phục (tín hiệu điều khiển) F(t) tới chiếc xe tại các thời gian rời rạc (t) để đáp ứng lại các thay đổi cả vị trí góc và tuyến tính và tốc độ của con lắc Bài toán này có thể giải quyết bằng nhiều cách Và một trong những cách đơn giản sử dụng trong lý thuyết

điều khiển kinh điển là tuyến tính hoá các công thức kết quả chuyển động trong một mô hình của hệ thống với các đăc tính ổn định đợc quyết định bằng việc xác định các phần thực của các giá trị {λi} của ma trận 4x4 của các hằng số hệ thống Và con lắc có thể có thể ổn định bằng cách yêu cầu Re(λi)

<0 Quy trình này rất phổ biến trong thiết kế điều khiển đến mức các nhà thiết

kế không thèm nghĩ đến việc sử dụng các số ảo để giải quyết các bài toán thực nhng rõ ràng là quy trình này giống hệt nh trong ví dụ 2 – một bài toán thực đa lên một không gian ảo, phân tích tình huống trên các tập con và sau

đó rút gọn đa về bài toán ban đầu và đa ra câu trả lời mong muốn Đây là trờng hợp cho rẩt nhiều bài toán trong khoa học và kỹ thuật từ việc sử dụng Laplace, Fourier và biến đổi Z

Một giải pháp thay thế cho bài toán điều khiển này là dựa trên các tập

mờ Phơng pháp này dùng để ổn định con lắc cũng phổ biến và là một giải pháp xét về một số mặt nào đó tôt hơn nhiều, ví dụ bộ điều khiển mờ không nhạy cảm với các thay đổi của tham số nh chiều dài và trọng lợng của con lắc Chú ý là nguyên lý nhúng: mờ hoá, giải quyết vấn đề, giải mờ, điều khiển Trong ví dụ 3 có ý nghĩa gì? Đó là các mô hình mờ thực sự không khác lắm với các mô hình tơng tự Đôi khi chúng hoạt động tốt hơn, và thỉnh thoảng