Bộ tách sóng đa người dùng sử dụng giải thuật MMSE: Luận văn ThS. Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc: 2 07 00

ĐAI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ Đ in h C hí Hiếu B ộ TÁCH SĨNG ĐA NGƯỜI DÙNG SỬ DUNG GIẢI THUẬT MMSE Chuyên ngành : KỸ THUẬT v ỏ TUYẾN ĐIỆN TỬVÀ THÔNG TIN LIÊN LẠC Mã SỐ : 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC s ĩ KHOA HỌC NGUỜI HUỔNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Viết Kính p V- Lơ / ịỊ f Hà nội - 2002 MỤC LỰC Liệt kê ký hiệu chữ viết tắt Phần giới thiệu Chương 1.1 1.2 1.3 Giới thiệu tổng quan công nghệ M Ư D u điểm Lịch sử phát triển Các nshiên cứu gần MUD kết .7 Chương 2.1 Mơ hình thu cdma với người dùng 13 Dạng sóng ký hiệu 14 2.1.1 Trải p h ổ chuỗi trực tiếp 14 2.1.2 Chuỗi kỷ hiệu 15 2.1.3 Chuỗi ngẫu nhiên 17 2.2 Bộ lọc hoà hợp 18 2.3 Bô thu người dùng cổ điển 20 Chương 3.1 3.2 3.3 Bộ tách sóng đa người dùng tối ưu 22 Tiêu chuẩn cực đại xác suất 22 Bộ tách sóng MMSE đa người dùng tổng quát 23 Phương pháp hình chiếu gradient 24 3.3.1 Điều kiện Kuhn - Tucker 24 3.3.2 Hình chiếu gradient - di chuyển cạnh ràng buộc 25 3.3.3 Nẹoại lệ - nqoài biên 27 3.3.4 Di chuyển bên tronq không ẹian ràno buộc 28 3.3.5 Điều kiện kết thúc 28 3.3.6 Độ phức tạp tính tốn 29 Chương Bộ tách sóng đa người dùng tuyến tính M M SE 30 Chương Bộ tách sóng đa người dùng MMSE tuyến tính tương thích 34 Biểu diễn toán 34 Phương pháp giảm theo độ dốc lớn 35 Độ lớn bước lặp thay đổi theo thời gian 37 5.1 5.2 5.3 Chương 6.1 6.2 Kết Mô 38 Cấu trúc chương trình mơ 38 Kết mô ! .39 6.2.1 Trườnẹ hợp hai người dùng 39 6.2.2 Trường hợp 100 người dùnẹ 41 Kết luận 43 Phụ lục 44 Tài liệu tham k h ảo .48 LIỆT KÊ CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Liên hợp phức (.)* Phép chuyển vị d(.) Khoảng cách Euclide Q(.) Hàm mục tiêu EC) Trung bình s(t) chuỗi ký hiệu trải phổ M V Sơ người dùne o Toán tử Gradient K(n) Nhiễu Gauss trắng có PSD Ơ Phương sai nhiễu kênh truyền b Vector bit truyền R Ma trận tương quan chéo A Ma trận biên độ tín hiệu thu V tín hiệu thu d Hình chiếu Gradient lẽn mặt phảng tiếp tuyến vv Vector trọng số Chữ viết tăt MMSE Cực tiểu sai số toàn phương trung b'lnh (Minimum Mean Square Error) CDMA Đa truy cập phân chia theo mã (Code Division Multiple Access) AWGN Nhiễu Gauss trắng cộng (Additive White Gaussian Noise) MAI Multiple Access Interference P H Ẩ N GIỚ I T H I Ệ U Sự tăng trưởng số thê bao truy cập cố định đạt tới điểm bão hoà vào khoảng năm 2004 cho dịch vụ thoại Truy cập vô tuyến di động tãng trưởng nhanh số thuê bao dự kiến vượt số thuê bao cố định vào khoảng năm 2004 Truy cập internet qua mạng cố định tăng trưởng với truy cập qua mạng vô tuyến di động Khoảng 80% số người sử dụng Internet kết nối qua mạng cố định có dùng thơng tin di động Do người dùns; ngày mong đợi có dịch vụ qua mạng di động Điều dẫn tới thị trường đầy tiềm năng: di động đa môi trường, mà điều khởi đầu với hệ thống GPRS, HSCSD, EDGE IMT-2000 [13] Hiện nay, thiết bị vô tuyến thiết kế để truyền thoại tin nsắn chưa thể truyền tải thông tin đa phương tiện thông tin Internet băng rộng [12] Điều địi hỏi phải có kỹ thuật để đáp ứng nhu cầu cung cấp dịch vụ Dung lượne Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), thường hệ thống thông tin hệ thứ hai, biết, hết kênh vô tuyến khe thời gian rỗi, khơng khách hàng thêm vào Còn Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) lại bị giới hạn can nhiễu Hệ thống thêm người dùng, phải trả giá tỷ số tín hiệu tạp âm người dùng giảm chút Hệ thống thông tin vô tuyến di động hệ thứ ba dùng đa truy cập phân chia theo mã băng rộng, W-CDMA Các kỹ thuật tách sóng dùng cho thu đa người dùng (M UD - Multiuser Detection) tiến quan trọng thời gian gần công nghệ viễn thông MƯD giải thu tối ưu có can nhiễu lẫn dịng bit thơng tin số xảy nhiều hệ thống thông tin dựa công nghệ đa truy cập TDMA, FDMA, CDMA [9] Tách sóng đa người dùng kỹ thuật dùng để tăng dung lượng vùng phú sóng hệ thống CDMA v ề mặt lý thuyết, MƯD tăng dung lượng lên khoảng lần kênh Gauss trắng cộng được, thực tế, tăng phụ thuộc nhiều vào kiểu tách sóng, ước lượng kênh truyền trễ Người ta MUD có khả tận dụng cấu trúc can nhiễu đa truy cập hạn chế hiệu ứng gần xa Việc nghiên cứu lĩnh vực tách sóng đa người dùng bắt đầu vào đầu năm 80 tạo nhiều kỹ thuật Ban đầu, lời giải tối ưu cho hiệu tốt kênh ồn Gauss nghiên cứu phát triển Tuy nhiên, độ phức tạp tính tốn phương pháp tăng theo hàm mũ với số người dùng nên khó áp dụng thực tế VI cải tiến liên tục dẫn tới giải thuật tách sóng đa người dùng cận tối ưu phức tạp hơn, ví dụ như: tách sóng triệt tương quan, tách sóng nhiều trạng thái, tách sóng đa người dùng định phản hồi ngược tách sóng cận tối ưu khác Bởi tách sóng đa người dùng mang lại nhiều lợi cho hệ thống CDMA vô tuyến mật tăng dung lượng loại bỏ hiệu ứng gần xa, nên kỹ thuật có nhiều triển vọng áp dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến hệ thứ ba, W-CDMA Đó vấn đề mà luận văn đề cập đến Trong luận vãn này, trường hợp cụ thể CDMA dựa chuỗi ký hiệu giả ngẫu nhiên xem xét Đặc biệt, tiêu chuẩn tối ưu MMSE nghiên cứu chi tiết đặc tính hội tụ kỹ thuật lập nghiên cứu Bản luận văn gồm chương sau: Chương I Giới thiệu tổng quát cơng nghệ tách sóng đa người dùng, tính ưu việt, lịch sử phát triển tiến gần Chương II Đưa mơ hình hệ thống xem xét, chuỗi tín hiệu giả ngẫu nhiên thu CDMA cổ điển Chương III Giới thiệu thu đa người dùng tối ưu giải thuật Hình chiếu Gradient giới thiệu chi tiết Chương IV Bộ thu đa người dùng tuyến tính MMSE Chương V Bộ thu đa người dùng tuyến tính thích nghi MMSE Chương VI Kết mô nhận xét Chương VII Kết luận hướng phát triển đề tài Chương 1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MƯD ưu điểm Một số công nghệ viễn thông xuất nhắm vào kỹ thuật quan trọng để tới gần giới hạn lý thuyết dung kênh vô tuyến đa truy cập Các hệ thống đa người dùng vô tuyến chịu can nhiễu đa truy cập Người dùng TDMA chịu nhiễu khe chồng lấn từ ô khác, từ người dùng ô kênh truyền bị méo Tương tự, truyền CDMA trực giao tính trực giao truyền qua kênh fading Can nhiễu đồng kênh trona; hệ thống CDMA không khơng thể tránh chí kênh khơng méo khơng có can nhiễu từ khác Can nhiễu đa truy cập nhân tố tạo thành can nhiễu tổng cộng máy thu, máy di dộng trạm gốc hệ thống hệ thứ hai, số phương pháp áp dụng để giảm bớt can nhiễu đa truy cập Trong TDMA-GSM IS-136 việc trì mẫu tái sử dụng tần số khoảng thời gian bảo vệ khe liên tiếp lại chịu thiệt hiệu suất phổ Trong CDMA (IS-95), điều khiển công suất nghiêm ngặt hạn chế vấn đề gần-xa; dùng mã sửa lỗi mạnh cho kênh có tỷ số tín hiệu tạp âm thấp để giải mã thông tin cách tin cậy có can nhiễu đa truy cập Tất hệ thống hệ thứ hai coi can nhiễu đa truy cập phần nhiễu nền, khơng có q trình xử lý tín hiệu để chống lại Tuy nhiên, nhiễu đa truy cập có cấu trúc đặc trưng nó, chắn nsẫu nhiên nhiễu Gauss trắng Bằng cách tận dụng cấu trúc này, tách sóng đa người dùng [7] tăng hiệu suất phổ, độ nhạy máy thu, số người dùng hệ thống Thêm vào đó, việc sử dụng tách sóng đa người dùng làm giảm đáng kể phụ thuộc vào điều khiển cơng suất nghiêm ngặt xác (mà điều thực vài ứng dụng vô tuyến) 1.2 Lịch sử phát triển Các tách sóng đa người dùng bắt đầu phát triển vào đầu năm 80 Thời gian qua chứng kiến số lượng lớn kỹ thuật xử lý tín hiệu để chống lại can nhiễu đa truy cập Loại bỏ liên tiếp, thúc đẩy lý thuyết thông tin, giải điều chế liên tiếp cách điều chế lại trừ tín hiệu điều chế Các tách sóng đa người dùng tuyến tính sửa đổi mạch lọc hồ hợp có tính tới cấu trúc nhiễu đa Với N chiều dài chuỗi ký hiệu, đây, dạng sóng ký hiệu chọn cho p t] = (để chuẩn hoá tương quan chéo) Do vậy, ta có định nghĩa ma trận tương quan chéo R sau: R= P\\ p\2 P\M P l\ P ll P lM VP m I P ••■ P mm m 02.3) Ma trận R có tính chất sau: • Đối xứng • Các phần tử đường chéo ( chuẩn hố ) => Nó toeplitz • Nói chung, ma trận xác dinh, khơng âm 2.1 2.1.1 Dạng sóng ký hiệu Trải phổ chuỗi trực tiếp Chuỗi trực tiếp liên quan đến hướng tiếp cận đặc biệt để cấu trúc nên dạng sónơ trải phổ, có tính chất sau: Dạng sóng chip pTc, cho Ị p Ạ t ) p TS t ~ n T c)cit = ° ’ /í = 1,2, (2.4) -co Số chip bit: /V •' Chuỗi nhị phân có chiều dài N: (cy, c v) Nếu dạng sóng chip chuỗi nhị phàn đối cực ta có dạng sóng trải phổ trực tiếp với chu kỳ NT : s(t) = A ị i ( - i y p Tí( t - ự - \ ) T , ) (2.5) /=1 Chuỗi nhị phân (ch C N ) không chứa thông tin xem biết trước đầu thu Một ví dụ vể dạng sóng trải phổ trực tiếp cho hình 2.1 Trong trường hợp này, chip có dạng sóng xung hình chữ nhật: Ptc(0 ịì, 110, 0