Nghiên cứu các thuật toán xử lý không gian thời gian cho các hệ thống

Luận văn Thạc sỹ Khoa học LỜI CAM ĐOAN Luận văn đƣợc hoàn thành sau thời gian nghiên cứu tìm hiểu nguồn tài liệu học, sách báo chuyên nghành nhƣ thông tin Internet mà theo hoàn toàn tin cậy Tôi xin cam đoan luận văn không giống với công trình nghiên cứu hay luận văn trƣớc mà biết Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2013 Ngƣời thực Nguyễn Lê Minh HVTH: Nguyễn Lê Minh Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển nghành công nghệ nhƣ điện tử, tin học, công nghê viễn thông năm qua phát triển mạnh mẽ, cung cấp ngày nhiều loại hình dịch vụ đa dạng, an toàn, chất lƣợng cao đáp ứng ngày tốt yêu cầu ngƣời sử dụng Chúng ta sống thập kỷ kỳ 21 - kỷ đƣợc dự báo chứng kiến bùng nổ thông tin vô tuyến thông tin di động đóng vai trò quan trọng Công nghệ 3G đƣợc nhà mạng Việt Nam áp dụng năm gần song có bƣớc phát triển nhanh chóng Việt Nam đƣợc chuyên gia viễn thông giới đánh giá nƣớc có bƣớc phát triển mạng viễn thông nhanh giới Việc có nhiều nhà mạng đƣợc cấp giấy phép 3G tạo môi trƣờng cạnh tranh khốc liệt, dẫn đến tốc độ phủ sóng 3G nhanh chóng giá thành dịch vụ ngày rẻ Tuy nhiên, Việt Nam chƣa tận dụng đƣợc hết khả hệ thống 3G mang lại nhiều nguyên nhân chủ quan khách quan nhƣ dịch vụ cung cấp chƣa đa dạng, chƣa tận dụng đƣợc hết khả thiết bị viễn thông, hay xảy tƣợng sóng, nghẽn mạng Hiện tại, công nghệ 4G với tốc độ cao đƣợc áp dụng nhiều nƣớc giới Ở Việt Nam, theo lộ trình mà Bộ Thông tin - Truyền thông đƣa năm 2014 bắt đầu đấu thầu cung cấp dịch vụ 4G Tuy nhiên, việc chuyển đổi từ 3G sang 4G khoảng thời gian dài nguyên nhân thiết bị hỗ trợ 4G giá thành cao có số lƣợng Do đó, việc nghiên cứu phƣơng pháp nhằm nâng cao chất lƣợng mạng 3G tại, tận dụng tối đa sở hạ tầng có cần thiết Từ nguyên nhân trên, em lựa chọn đề tài luận văn: "Nghiên cứu thuật toán xử lý không gian thời gian cho hệ thống WCDMA" để thực việc nghiên cứu Luận văn thực việc nghiên cứu thuật toán xử lý không gian thời gian, sâu vào nghiên cứu thuật toán tạo búp sóng đƣợc áp dụng cho hệ thống dàn anten nhằm hƣớng búp sóng bám theo nguồn tín hiệu, kết hợp với máy thu phân tập thời gian Rake tạo thành hệ thống xử lý không gian - thời gian hoàn chỉnh nhằm tách tín hiệu từ nhiều ngƣời sử dụng nâng cao chất lƣợng nguồn tín hiệu thu đƣợc HVTH: Nguyễn Lê Minh Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học Luận văn gồm có chƣơng: Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG WCDMA Giới thiệu tổng quan đặc điểm hệ thống WCDMA môi trƣờng truyền dẫn bên phát bên thu Chƣơng 2: XỬ LÝ TÍN HIỆU KHÔNG GIAN THỜI GIAN Giới thiệu lý thuyết tín hiệu không gian thời gian, phƣơng pháp xử lý không gian thời gian ƣu nhƣợc điểm phƣơng pháp Chƣơng 3: CÁC THUẬT TOÁN TẠO BÚP SÓNG Tìm hiểu thuật toán tạo búp sóng cố định: MSIR, MMSE, ML, MV; thuật toán tạo búp sóng thích nghi: LMS, SMI, RLS, giải thuật mù CM Nghiên cứu kết hợp thuật toán CCM RLS Chƣơng 4: MÔ PHỎNG Tiến hành mô ngôn ngữ Matlab để kiểm tra kết thuật toán nghiên cứu Trong trình thực luận văn không tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp quý báu thầy cô giáo, bạn để luận văn hoàn thiện có ý nghĩa thực tế Qua đây, em xin gửi lời cám ơn tới thầy cô Viện Điện tử Viễn thông trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội trang bị cho em kiến thức bản, bạn bè gia đình động viên, hỗ trợ Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn PGS.TS Nguyễn Thúy Anh quan tâm, giúp đỡ em hoàn thành công trình Em xin chân thành cám ơn! Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2013 Học viên Nguyễn Lê Minh HVTH: Nguyễn Lê Minh Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .1 LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MẠNG WCDMA 10 1.1 Giới thiệu hệ thống thông tin di động 10 1.1.1 Mạng thông tin di động 1G 10 1.1.2 Mạng thông tin di động 2G .10 1.1.3 Mạng thông tin di động 2,5G 12 1.1.4 Mạng thông tin di động 3G .13 1.2 Tổng quan mạng WCDMA .15 1.2.1 Nguyên lý CDMA 15 1.2.2 Một số đặc trƣng lớp vật lý hệ thống WCDMA .19 1.2.3 Phân tập đa đƣờng - Bộ thu Rake 21 1.3 Kênh truyền 22 1.3.1 Suy hao đƣờng truyền .22 1.3.2 Hiệu ứng đa đƣờng - Hiện tƣợng Fading 23 1.3.3 Hiệu ứng Doppler 24 1.3.4 Nhiễu AWGN 26 1.3.4 Các mô hình kênh 26 1.4 Kết luận chƣơng .29 HVTH: Nguyễn Lê Minh Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học CHƢƠNG - XỬ LÝ KHÔNG GIAN THỜI GIAN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG .30 2.1 Tín hiệu miền không gian thời gian 30 2.1.1 Biểu diễn tín hiệu theo thời gian .30 2.1.2 Biểu diễn tín hiệu theo không gian - thời gian 30 2.1.3 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu 31 2.2 Xử lý không gian thời gian thông tin di động 32 2.2.1 Mô hình hệ thống không gian thời gian 32 2.3 Mô hình đánh giá kênh không gian thời gian 35 2.2.1 Mô hình kênh .36 2.2.2 Đánh giá đặc tính kênh không gian 37 2.2.3 Ƣu nhƣợc điểm kỹ thuật xử lý không gian thời gian 38 CHƢƠNG - CÁC THUẬT TOÁN TẠO BÚP SÓNG 40 3.1 Giới thiệu 40 3.2 Mảng anten dãy 40 3.2 Thuật toán tạo búp sóng cố định 44 3.2.1 Cực đại tỉ số tín hiệu nhiễu (Maximum Signal to Interference Ratio MSIR) 44 3.2.2 Bình phƣơng sai số trung bình tối thiểu (Minimum Mean Square Error MMSE): 46 3.2.3 Ƣớc lƣợng khả cực đại (Maximum Likelihood - ML): 49 3.2.4 Minimum Variance (Minimum Variance Distortionless Response MVDR) Cực tiểu hóa đáp ứng phƣơng sai không méo 50 3.3 Các thuật toán tạo búp sóng thích nghi 52 3.3.1 Trung bình bình phƣơng tối thiểu (Least Mean Square - LMS): 52 3.3.2 Nghịch đảo ma trận mẫu (Sample Matrix Inversion - SMI) 54 3.3.3 Bình phƣơng tối thiểu đệ quy (Recursive Least Squares - RLS) 56 HVTH: Nguyễn Lê Minh Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học 3.3.4 Giải thuật số theo khối (Constant Modulus - CM) 57 3.3.5 So sánh phƣơng pháp tạo búp sóng thích ứng 59 3.3.6 Thuật toán kết hợp thuật toán số theo khối có điều kiện ràng buộc bình phƣơng tối thiểu đệ quy (constrained constant modulus recursive least square CCM-RLS) 60 CHƢƠNG - MÔ PHỎNG 63 4.1 Giới thiệu chƣơng trình 63 4.2 Cơ sở lý thuyết mô 63 4.2.1 Hệ thống DS-CDMA 63 4.2.2 Bộ tƣơng quan đơn giản 64 4.2.3 Máy thu 1D-RAKE 64 4.2.4 Kết hợp tạo búp sóng anten dãy với máy thu RAKE .65 4.3 Các thuật toán tạo búp sóng 66 4.3.1 Thuật toán MSIR .66 4.3.2 Thuật toán MMSE 67 4.3.3 Thuật toán ML .68 4.3.4 Thuật toán MV 68 4.3.5 Thuật toán LMS 69 4.3.6 Thuật toán SMI .69 4.3.7 Thuật toán RLS .70 4.3.8 Thuật toán CM 70 4.2 Xử lý không gian thời gian hệ thống WCDMA 71 KẾT LUẬN .74 TÀI LIỆU THAM KHẢO .75 HVTH: Nguyễn Lê Minh Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Quá trình trải phổ giải trải phổ 17 Hình Các công nghệ đa truy nhập .17 Hình Nguyên lý đa truy nhập trải phổ .18 Hình Quá trình trải phổ trộn 19 Hình Hiệu ứng đa đường 21 Hình Hàm truyền đạt kênh 25 Hình Mật độ phổ tín hiệu thu 25 Hình Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh 27 Hình Hàm mật độ xác suất phân bố Ricean: k   dB (Rayleigh) k  dB Với k , giá trị trung bình phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gaussian 29 Hình Tín hiệu không gian 31 Hình 2 Mô hình hệ thống thông tin với N phần tử phát M phần tử thu môi trường tán xạ 33 Hình Mảng anten ULA .42 Hình Mô hình mảng anten dãy 44 Hình 3 Hệ thống MSE thích ứng 47 Hình Bề mặt toàn phương MSE 48 Hình Mảng anten 49 Hình Máy thu 1D-RAKE 65 Hình Hệ thống WCDMA sử dụng cách kết hợp máy thu 2D-RAKE thuật toán tạo búp sóng CCM-RLS 66 Hình Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán MSIR 67 HVTH: Nguyễn Lê Minh Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hình 4 Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán MMSE 67 Hình Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán ML 68 Hình Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán MV 68 Hình Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán LMS 69 Hình Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán SMI 69 Hình Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán RLS .70 Hình 10 Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán CM .70 Hình 11 So sánh hiệu suất máy thu sử dụng dãy anten phần tử kênh AWGN cho người dùng .71 Hình 12 So sánh hiệu suất máy thu sử dụng dãy anten phần tử kênh AWGN cho người dùng .72 Hình 13 So sánh hiệu suất máy thu sử dụng dàn anten phần tử kênh AWGN đường cho người dùng .73 Hình 14 So sánh hiệu suất máy thu sử dụng dàn anten phần tử kênh AWGN đường cho người dùng .73 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Quan hệ S/N số chip cắt bớt 20 Bảng So sánh thuật toán tạo búp sóng 59 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AOA AWGN Angle of Arrival Additive White Gaussian Noise Góc đến tín hiệu Cộng nhiễu trắng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít HVTH: Nguyễn Lê Minh Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học BPSK CDMA CMA CCM dB DMI DPCCH DPDCH EGC ISI GE LMS ML MLSE MMSE MRC MVDR PAM PSK QAM QPSK Điều chế pha PSK mức Đa truy cập phân chia theo mã Giải thuật số theo khối Hằng số theo khối có ràng buộc Binary Phase Shift Keying Code Division Multiplex Access Constant Modulus Algorithm Constrained Constant Modulus Decibel Diercted Matric Invesion Dedicated Physical Control Channel Dedicated Physical Data Channel Equal Gain Combine Inter Symbol Interfere Generalized Eigenvalue Least Mean Square Ma trận đảo trực tiếp Kênh điều khiển vật lý Kênh điều khiển liệu Tổ hợp độ lợi Nhiễu xuyên ký tự Nhóm giá trị riêng Trung bình bình phƣơng tối thiểu Cực đại tối ƣu Sequence Đánh giá chuổi cực đại tối ƣu Maximum Likelihood Maximum Likelihood Estimation Minimum Mean Square Error Maximum Ratio Combine Minimum Variance Dirtortionless Response Pulse Amplitude Modulation Phase Shift Keying Quadrature Amplitude Modulation RF RLS SC SE SER SINR Quadrature Phase Shift Keying Radio Frequence Recursive Least Squares Selected Combine Simple Eigen Symbol Error Rate Signal to Interference plus-Noise Ratio SISO SNR TCM TDMA Single Input Single Output Signal to Noise Ratio Trellis Code Modulation Time Division Multiple Access WLAN Wireless Local Area Network WCDMA Wideband Access HVTH: Nguyễn Lê Minh Code Division Tối thiểu bình phƣơng sai lệnh Bộ tổ hợp tỷ số tối đa Cực tiểu đáp ứng phƣơng sai không méo Điều chế biên độ xung Điều chế pha Điều chế QAM Điều chế Sóng radio Bình phƣơng tối thiểu đệ quy Bộ tổ hợp chọn lọc Giá trị riêng đơn giản Tỷ lệ lỗi ký tự Tỷ số tín hiệu/ nhiễu giao thoa nhiễu nhiệt Vào đơn đơn Tỷ số tín hiệu nhiễu Mã hoá lƣới TCM Đa truy cập phân chia theo thời gian Mạng không dây Multiplex Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học CHƢƠNG - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MẠNG WCDMA 1.1 Giới thiệu hệ thống thông tin di động 1.1.1 Mạng thông tin di động 1G Hệ thống thông tin di động 1G hay gọi khởi đầu giản đơn 1G chữ viết tắt công nghệ điện thoại không dây hệ (1st Generation) Nó hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog đƣợc giới thiệu lần vào năm đầu thập niên 80 Nó sử dụng ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới trạm thu phát sóng nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua module gắn máy di động Mặc dù hệ mạng di động với tần số từ 150MHz nhƣng mạng 1G phân nhiều chuẩn kết nối theo phân vùng riêng giới Một công nghệ 1G phổ biến NMT (Nordic Mobile Telephone) đƣợc sử dụng nƣớc Bắc Âu, Tây Âu Nga Cũng có số công nghệ khác nhƣ AMPS (Advanced Mobile Phone Sytem – hệ thống điện thoại di động tiên tiến) đƣợc sử dụng Mỹ Úc; TACS (Total Access Communication Sytem – hệ thống giao tiếp truy cập tổng hợp) đƣợc sử dụng Anh, C-45 Tây Đức, Bồ Đào Nha Nam Phi, Radiocom 2000 Pháp; RTMI Italia 1.1.2 Mạng thông tin di động 2G Là hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách nhƣ khác hoàn toàn so với hệ Với công nghệ GSM , sử dụng tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu analog hệ 1G đƣợc áp dụng lần Phần Lan Radiolinja (hiện nhà cung cấp mạng tập đoàn Elisa Oyj) năm 1991 Mạng 2G mang tới cho ngƣời sử dụng di động lợi ích tiến suốt thời gian dài: mã hoá liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng 1G đặc biệt xuất tin nhắn dạng văn đơn giản – SMS Theo đó, tin hiệu thoại đƣợc thu nhận đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dƣới nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại đƣợc lƣu chuyển HVTH: Nguyễn Lê Minh 10 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học H w  k  1  w  k     k  e  k  y*  k   I  a 0  a 0  x  k    (3.93) e  k   y  k  1 (3.94) với  - kích thƣớc bƣớc Nghiệm đƣợc tìm cách khởi tạo w  k  ƣớc lƣợng ƣu tiên y  k  để bắt đầu trình đánh trọng số Khi góc tới tín hiệu mong muốn biết thuật toán ƣớc lƣợng, ta tính đƣợc w    a 0  m với m số phần tử mảng anten Giải thuật CCM-RLS Giải thuật CCM-RLS đƣợc đề xuất Wang De Lamare nhằm cực tiểu hàm giá trị dựa tiêu chuẩn số theo khối áp dụng cho việc thích ứng trọng số mảng, sau áp dụng giải thuật RLS Biểu thức tối ƣu đƣợc cho nhƣ sau: k J   i 1 k 1  H   w  k  x  i   1 , k  1, , N   với: w  k  a 0   H (3.95) (3.96) với  tham số dƣơng gần Nhƣ biểu thức (), phƣơng pháp không bị ảnh hƣởng thông số kích thƣớc bƣớc Điều kiện ràng buộc để đảm bảo đạt đƣợc tối ƣu Biểu thức (3.96) có liên quan đến giải thuật LS, vài biến đổi thông thƣờng, ta có biểu thức sau: 1 H 1 1 w  k    a 0  R  k  a 0   R  k  a 0    k H  H  R  k   2. k 1  w  k  x  i   1.x  i  x  i     k I   i 1 (3.97) (3.98) với R  k   C mxm - ma trận tƣơng quan   k I giải vấn đề nghịch đảo cách làm cho ma trận tƣơng quan R  k  không thuộc dạng kì dị tất bƣớc tính toán  tham số thực dƣơng gọi tham số quy tắc hóa, nhỏ SNR lớn ngƣợc lại I ma trận đồng kích thƣớc mxm HVTH: Nguyễn Lê Minh 61 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học Xét e  k   w  k  x  i   Sử dụng bổ đề nghịch đảo ma trận, ma trận H tƣơng quan đệ quy nghịch đảo đƣợc viết thành: R 1 k    1 R 1  k  1   2 R 1 1  k  1 x  k  x  k  R  k  1 H (3.99) H 1 e  k    1.x R  k  1 x  k  1 Để đơn giản hóa biểu thức, ta đặt P  k   R  k  định nghĩa vector K  k   C mx1 nhƣ sau: K k    1.P  k  1 x  k  (3.100) H 1 e  k    1.x  k  R  k  1 x  k  Thay vào biểu thức (3.99) ta có: P  k    1.P  k  1   1.K  k  x H  k  P  k  1 (3.101) Cuối cùng, áp dụng RLS ta có biểu thức tính vector thích nghi: 1 H w  k    a 0  P  k  a 0  P  k  a 0    (3.102) Nhận xét: Một đặc tính quan trọng giải thuật việc lấy nghịch đảo ma trận tƣơng quan bƣớc tính toán đƣợc thay phép chia vô hƣớng đơn giản Để khởi tạo cho phƣơng pháp CCM-RLS, đại lƣợng sau phải đƣợc xem xét: - Vector trọng số ban đầu, w  0  - Ma trận tƣơng quan ban đầu, R  0   I HVTH: Nguyễn Lê Minh 62 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học CHƢƠNG - MÔ PHỎNG 4.1 Giới thiệu chƣơng trình Trong chƣơng này, nội dung chủ yếu đƣợc trình bày mô thuật toán tạo búp sóng ,vẽ đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán đó, áp dụng thuật toán tạo búp sóng kết hợp với máy thu Rake vào hệ thống WCDMA Chƣơng trình mô đƣợc thực ngôn ngữ Matlab Chƣơng trình mô gồm có phần chính: Phần 1: Đƣa lý thuyết mô hình đƣợc sử dụng chƣơng trình mô Phần 2: Mô thuật toán tạo búp sóng vẽ đồ thị xạ anten dãy tƣơng ứng với thuật toán Phần 3: Mô hệ thống WCDMA áp dụng thuật toán xử lý tín hiệu không gian thời gian đƣa nhận xét 4.2 Cơ sở lý thuyết mô 4.2.1 Hệ thống DS-CDMA Ta có mô hình đơn giản hóa tín hiệu thu đƣợc hệ thống DS-CDMA băng tần sở nhƣ sau: Q x  t    xq  t   n  t  (4.1) q 1 với: xq  t  tín hiệu phân phối thu đƣợc ngƣời dùng thứ q, Q số ngƣời dùng kênh, n  t  nhiễu AWGN xq  t  đƣợc khai triển thành: xq  t     s  t  h  t  k.T  * C  t  kT  k  q q q (4.2) với sq  luồng bit liệu  sq  k   1 , T chu kỳ ký hiệu liệu kênh truyền đƣợc biểu diễn đáp ứng xung kênh hq . , Cq . dạng sóng đƣợc trải ngƣời dùng thứ q: HVTH: Nguyễn Lê Minh 63 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học Cq  t   SF 1  c  n  g  t  nT  n 0 q (4.3) c Chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN cq  n , n  0, , SF gắn với ngƣời dùng q g . dạng sóng xung chip, Tc  T , với SF hệ số trải phổ Tc chu kỳ chip Mã SF PN phổ biến đƣợc dùng cho tín hiệu trải phổ mã Walsh-Hadamard trực giao với nhiễu ngƣời dùng khác: SF  c  n  c  n   0, i  j n 1 i (4.4) j WCDMA dạng DS-CDMA với độ rộng băng tần tốc độ chip cao 4.2.2 Bộ tƣơng quan đơn giản Trong thu này, nhân tín hiệu thu đƣợc với mã trải phổ cq . để tách ngƣời dùng sau tính tích phân kết Đầu tƣơng quan nhƣ sau: rq  k   ( k 1)T  x t  c t  kT  dt (4.5) q kT Bộ tƣơng quan đơn giản tối ƣu điều kiện sau đƣợc thỏa mãn: - Các mã trực chuẩn ( trực giao chuẩn hóa trạng thái liên kết), là: 0, i  j c t c t dt       i j 0 1, i  j T (4.6) - Đồng hoàn toàn ký hiệu - Kênh truyền chứa AWGN tƣợng đa đƣờng 4.2.3 Máy thu 1D-RAKE Máy thu RAKE sử dụng nhiều giải tƣơng quan sử dụng finger cho đƣờng tín hiệu để đảm bảo trễ thời gian thành phần đa đƣờng đƣợc xác định Do đó, máy thu Rake khắc phục đƣợc hiệu ứng đa đƣờng tín hiệu Sau tất thành phần đa đƣờng đƣợc kết hợp lại để tạo thành tín hiệu thu nhằm nâng cao chất lƣợng tín hiệu HVTH: Nguyễn Lê Minh 64 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hình 4.1 biểu diễn máy thu RAKE, đầu máy thu có công thức:  ( k 1)T  rq  k     lq   x  t  cq  t  kT  dt  l 1  kT  L * (4.7) Hình Máy thu 1D-RAKE Một điểm yếu máy thu RAKE tính phức tạp số lƣợng tƣơng quan tăng lên 4.2.4 Kết hợp tạo búp sóng anten dãy với máy thu RAKE Trong khuôn khổ luận văn, tập trung nghiên cứu thuật toán tạo búp sóng thích nghi cho trạm gốc hệ thống WCDMA ứng dụng đa ngƣời dùng Mục đích nghiên cứu kết hợp máy thu 1D-RAKE với thuật toán tạo búp sóng anten dãy thích nghi số khối cho ngƣời dùng Mô hình kết hợp đƣợc đƣa nhƣ Hình 4.2: HVTH: Nguyễn Lê Minh 65 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hình Hệ thống WCDMA sử dụng cách kết hợp máy thu 2D-RAKE thuật toán tạo búp sóng CCM-RLS Bằng cách sử dụng phân tập thời gian lẫn không gian, phát hiện, làm giảm nhiễu đa truy nhập tốt mức tốc độ tín hiệu cao, làm tăng dung lƣợng chất lƣợng mạng 4.3 Các thuật toán tạo búp sóng 4.3.1 Thuật toán MSIR Xét dãy anten gồm M=3 phần tử, khoảng cách phần tử d=0.5λ , phƣơng sai nhiễu  n2  0.001 , góc tới tín hiệu mong muốn   300 hai tín hiệu nhiễu góc tới 1  300   450 Ta có đồ thị xạ anten nhƣ sau: HVTH: Nguyễn Lê Minh 66 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học 0.9 0.8 0.7 |AF()| 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80  Hình Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán MSIR 4.3.2 Thuật toán MMSE Xét dãy anten gồm M=3 phần tử, khoảng cách phần tử d=0.5λ, lƣợng tín hiệu nhận đƣợc S=1 góc tới   200 , hai nguồn nhiễu tới góc 1  200   400 , phƣơng sai tạp âm  n2  0.001 Ta có đồ thị xạ sau: 0.9 0.8 0.7 |AF()| 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80  Hình 4 Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán MMSE HVTH: Nguyễn Lê Minh 67 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học 4.3.3 Thuật toán ML Xét mảng anten M=5 phần tử, d=0,5λ,   300 ,  n2  0.001 0.9 0.8 0.7 |AF()| 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80  Hình Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán ML 4.3.4 Thuật toán MV Xét mảng anten M=5 phần tử, d=0,5λ,   300 ,  n2  0.001 0.9 0.8 0.7 |AF()| 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80  Hình Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán MV HVTH: Nguyễn Lê Minh 68 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học 4.3.5 Thuật toán LMS Xét mảng anten M=8 phần tử, d=0.5λ,   300 , 1  600 n |AF | 0.8 0.6 0.4 0.2 -90 -60 -30 AOA (deg) 30 60 90 Hình Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán LMS 4.3.6 Thuật toán SMI Xét mảng anten M=8 phần tử, d=0.5λ,   300 , 1  600 n |AF | 0.8 0.6 0.4 0.2 -90 -60 -30 AOA (deg) 30 60 90 Hình Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán SMI HVTH: Nguyễn Lê Minh 69 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học 4.3.7 Thuật toán RLS Xét mảng anten M=4 phần tử, d=0.5λ tín hiệu đến góc 45, K=200 n |AF | 0.8 0.6 0.4 0.2 -90 -60 -30 AOA (deg) 30 60 90 Hình Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán RLS 4.3.8 Thuật toán CM Xét dãy anten có M=8 phần tử, d=0.5λ, µ=0.5 n |AF | 0.8 0.6 0.4 0.2 -90 -60 -30 AOA (deg) 30 60 90 Hình 10 Đồ thị xạ anten dãy áp dụng thuật toán CM HVTH: Nguyễn Lê Minh 70 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học 4.2 Xử lý không gian thời gian hệ thống WCDMA Trong phần này, tiến hành mô để so sánh hiệu suất máy thu tiêu chuẩn, máy thu tƣơng quan, 1D-RAKE so với máy thu áp dụng thuật toán CCM-RLS Mô hình tín hiệu thu đƣợc cho đƣờng lên hệ thống WCDMA với mã ngắn Tốc độ chip hệ thống 3,84 Mcps băng tần có độ rộng MHz Tín hiệu ngƣời dùng đƣợc trải với mã trực giao Walsh có độ dài SF=64 Ta thu đƣợc kết mô kênh AWGN đa đƣờng nhƣ sau: Hình 11 So sánh hiệu suất máy thu sử dụng dãy anten phần tử kênh AWGN cho người dùng HVTH: Nguyễn Lê Minh 71 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hình 12 So sánh hiệu suất máy thu sử dụng dãy anten phần tử kênh AWGN cho người dùng Nhận xét: Trong trƣờng hợp tƣợng đa đƣờng thu tiêu chuẩn thu RAKE có hiệu suất trƣờng hợp chúng có cấu trúc tƣơng tự Bộ thu 2D-RAKE kết hợp CCM-RLS có hệ số BER thấp thu khác Xét trƣờng hợp có tƣợng đa đƣờng, trƣờng hợp có đƣờng, ta thu đƣợc kết sau: HVTH: Nguyễn Lê Minh 72 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hình 13 So sánh hiệu suất máy thu sử dụng dàn anten phần tử kênh AWGN đường cho người dùng Hình 14 So sánh hiệu suất máy thu sử dụng dàn anten phần tử kênh AWGN đường cho người dùng Nhận xét: Khi xét đến tƣợng đa đƣờng kênh truyền, hiệu suất máy thu có khác rõ rệt Tuy nhiên, máy thu 2D RAKE kết hợp với CCM-RLS có tỉ lệ BER máy thu lại HVTH: Nguyễn Lê Minh 73 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học KẾT LUẬN Hiện nay, công nghệ mạng 4G với tốc độ chất lƣợng nhanh đƣợc nhiều nƣớc áp dụng song mạng di động 3G áp dụng phƣơng thức đa truy nhập WCDMA chƣa khai thác hết đƣợc tiềm Do vậy, việc nghiên cứu biện pháp có xử lý không gian thời gian, khuôn khổ luận văn nghiên cứu thuật toán tạo búp sóng kết hợp với máy thu RAKE nhằm nâng cao chất lƣợng tín hiệu dung lƣợng mạng; cần thiết Luận văn nghiên cứu thuật toán CCM-RLS dựa việc kết hợp thuật toán biết Thuật toán làm tăng tốc độ tính toán trọng số tối ƣu mảng anten, qua bám sát với tín hiệu cần thu, làm giảm ảnh hƣởng nhiễu đa truy nhập ứng dụng đa ngƣời dùng hệ thống WCDMA Hƣớng phát triển đề tài: - Nghiên cứu phƣơng pháp mã hóa không gian thời gian cho hệ thống MIMO Phƣơng pháp kết hợp với thuật toán tạo búp sóng tách đa ngƣời dùng tạo thành hệ thống không gian thời gian hoàn chỉnh - Nghiên cứu phƣơng pháp xử lý không gian thời gian cho hệ thống thông tin di động hệ HVTH: Nguyễn Lê Minh 74 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Trung Dũng, Nguyễn Thúy Anh (2009), Lý thuyết truyền tin, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Đặng Văn Chuyết, Nguyễn Tuấn Anh (2004), Cơ sở lý thuyết truyền tin, Nhà xuất Giáo Dục, Hà Nội Nguyễn Hữu Trung (2009), Kỹ thuật trải phổ truyền dẫn đa sóng mang, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Fakhrul Alam (2002), Space Time Processing for Third Generation CDMA, Virginia Polytech Institu & State University, Virginia S Haykin, Englewood Cliffs (1991), Adaptive Filter Theory, NJ: Prentice Hall S Shirvani Moghaddam, H Sadeghi (2012), "Performance evaluation of CCMbased antenna array beamforming", Iranian journal of electrical and computer engineering, vol 11, 'No2', 77-84 HVTH: Nguyễn Lê Minh 75 Lớp: 11BKTTT.KH [...]... hình không gian này đúng với hệ thống thực Nếu kết hợp đƣợc một mô hình không gian với các đặc trƣng thời gian thì việc đánh giá kênh và vết không gian có thể đƣợc cải thiện Kỹ thuật xử lý tín hiệu đƣợc thực hiện theo cả miền không gian và thời gian đƣợc gọi là xử lý không gian- thời gian 2.2 Xử lý không gian thời gian trong thông tin di động 2.2.1 Mô hình hệ thống không gian thời gian Kỹ thuật xử lý không. .. búp sóng (xử lý không gian- thời gian) có thể đƣợc xem nhƣ những ví dụ điển hình của kỹ thuật xử lý theo không gian- thời gian Trong thực tế, tất cả các hệ thống anten mảng có thể đƣợc xem nhƣ bộ xử lý HVTH: Nguyễn Lê Minh 32 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học không gian- thời gian Các bộ xử lý không gian- thời gian tiên tiến hơn bao gồm cả bộ tách đa ngƣời sử dụng, mã hóa không gian- thời gian, … sẽ... tách đa ngƣời sử dụng, mã hóa không gian- thời gian, … sẽ tạo thành một hệ đầy đủ về kỹ thuật xử lý không gian- thời gian Để đơn giản hoá việc phân tích hệ thống xử lý không gian- thời gian, ta cần có một mô hình cơ bản về hệ thống thông tin bao gồm việc xác định các đầu vào, đầu ra và kênh của hệ thống Hệ thống xử lý không gian- thời gian tổng quát có nhiều phần tử anten đƣợc sử dụng tại cả máy phát và... nhập theo không gian là các dạng khác nhau của xử lý không gian - thời gian Trong đó, kỹ thuật xử lý không gian - thời gian đƣợc sử dụng theo các cách khác nhau để giảm pha-đinh và nhiễu đa truy nhập Khái niệm Anten thông minh có thể đƣợc hiểu nhƣ sau: Anten thông minh là sự kết hợp của anten với các thuật toán xử lý tín hiệu để tạo ra một hệ thống anten có các tính năng linh hoạt Ví dụ, các tính năng... không gian- thời gian cho phép sử dụng tối đa hiệu quả phổ tần của mạng thông tin tổ ong Nhờ sử dụng nhiều phần tử anten kỹ thuật này cho phép tối ƣu hoá quá trình thu hoặc phát tín hiệu bằng cách dùng cả kỹ thuật xử lý tín hiệu theo miền không gian và theo miền thời gian tại máy thu phát Các kỹ thuật phổ biến đã biết nhƣ anten dẻ quạt (séc-tơ hoá) (xử lý không gian) , phân tập (xử lý không gian- thời gian) ... tín hiệu thu đƣợc; cách thứ hai là làm thay đổi thích nghi giản đồ phƣơng hƣớng của hệ thống anten để giảm thiểu tổng mức nhiễu đa truy nhập tại máy thu Năng lực xử lý không gian - thời gian dựa trên kỹ thuật tạo búp sóng và phân tập đƣợc kết hợp trong việc thiết kế toàn bộ hệ thống Do vậy, khái niệm xử lý không gian - thời gian đƣợc hiểu nhƣ sau: Xử lý không gian - thời gian là kỹ thuật giảm thiểu pha-đinh... quan về các hệ thống thông tin di động, trong đó có hệ thống WCDMA, các ảnh hƣởng của nhiễu trong hệ thống di động Trong chƣơng tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu về phƣơng pháp xử lý không gian thời gian và các ƣu nhƣợc điểm của chúng HVTH: Nguyễn Lê Minh 29 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học CHƢƠNG 2 - XỬ LÝ KHÔNG GIAN THỜI GIAN TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2.1 Tín hiệu trong miền không gian thời gian. .. 2.1.3 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu Với những biểu diễn tín hiệu nhƣ trình bày ở trên rõ ràng là ngoài kỹ thuật xử lý tín hiệu theo thời gian kinh điển, tín hiệu có thể đƣợc xử lý theo chiều không gian, hoặc cả không gian và thời gian Kỹ thuật xử lý chỉ theo miền không gian đƣợc dùng để đánh giá tín hiệu, ví dụ nhƣ các đáp ứng máy thu và tần số theo không gian, hƣớng tới (phƣơng pháp hợp lý cực đại - ML... theo không gian - thời gian Tín hiệu có thêm chiều không gian (không gian- thời gian) đƣợc biểu diễn trong đó r biểu diễn 3 biến không gian (x,y,z) Trong hệ tọa độ cầu: HVTH: Nguyễn Lê Minh 30 Lớp: 11BKTTT.KH Luận văn Thạc sỹ Khoa học Hình 2 1 Tín hiệu trong không gian Với hệ có m phần tử anten: tín hiệu theo không gian- thời gian có thể viết bằng tổng các tính hiệu thành phần nhƣ sau: 2.1.3 Các kỹ thuật. .. máy phát và máy thu cho phép cải thiện quá trình tách tín hiệu của ngƣời sử dụng Nhờ kỹ thuật không gian- thời gian, mức nhiễu đa truy nhập và pha-đinh tại máy thu sẽ đƣợc giảm xuống đáng kể, do đó sẽ làm tăng dung lƣợng của toàn hệ thống Nhƣ vậy, hệ thống xử lý không gian - thời gian có thể cải thiện chất lƣợng kênh truyền theo hai cách: cách thứ nhất là sử dụng phân tập trong hệ thống để tối thiểu