Tách sóng đa người dùng với bộ thu DS,CDMA thích nghi

-1- ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ ĐÀO THỊ HỒNG NGỌC TÁCH SĨNG ĐA NGƯỜI DÙNG VỚI BỘ THU DS/CDMA THÍCH NGHI Ngành: Cơng nghệ Điện tử-Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60-52-70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN VIẾT KÍNH Hà Nội – 2009 -3- MỤC LỤC DANHMỤCCÁCCHỮVIẾTTẮTVÀKÍHIỆU (5) DANHMỤCCÁCHÌNHVẼ (7) DANHMỤCCÁCBẢNG .(10) MỞĐẦU (11) CHƯƠNG 1- VÀI NÉT VỀ ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ TRUYỀN THÔNGDÙNGCDMA .(12) 1.1 Giới thiệu công nghệ CDMA (12) 1.2 Nguyên tắc trải phổ (12) 1.3 Trải phổ nhảy tần (14) 1.4 Trải phổ trực tiếp (14) 1.5 Hiệu ứng kênh đa đường (15) 1.6 Đa truy nhập .(18) 1.6.1 Nhiễu đường xuống (20) 1.6.2 Nhiễu đường lên (21) 1.7 Mã trải (23) 1.7.1 Chuỗi m .(24) 1.7.2 Chuỗi Gold (25) 1.8 Tính phân tập (26) 1.9 Hiệu ứng gần xa vấn đề điều khiển công suất .(26) 1.10 Dung hệ thống CDMA (27) Kết luận chương (28) -4- CHƯƠNG2-BỘTÁCHSĨNGĐANGƯỜIDÙNG .(29) 2.1 Vấn đề tách sóng đa người dùng (29) 2.1.1 Tách người dùng (30) 2.1.2 Tách đa người dùng (30) 2.2 Bộ thu lí tưởng (32) 2.3 Bộ tách sóng CDMA đa người dùng tuyến tính .(38) 2.3.1 Kênh CDMA đồng .(38) 2.3.2 Bộ tách giải (khử) tương quan (39) 2.3.3 Bô tách đa người dùng tuyến tính tối ưu .(40) 2.3.4 Bộ tách đa tầng dùng kênh đồng CDMA .(40) 2.4 Bộ tách đa người dùng MMSE (46) 2.4.1 Tách đa người dùng tuyến tính với lỗi bình phương trung bình cực tiểu(46) 2.4.2 Mơ hình hệ thống kênh nhiễu đa đường (50) 2.4.3 Cấu trúc tách MMSE .(54) Kết luận chương (58) CHƯƠNG - BỘ THU DS/CDMA THÍCH NGHI .(59) 3.1 Giới thiệu (59) 3.2 Mơ hình kênh cấu trúc thu .(61) 3.3 Phân tích tính chất (63) 3.4 Phân tích dung hệ thống .(67) 3.4.1 Bộ thu truyền thống .(67) -5- 3.4.2 Bộ thu thích nghi (68) 3.5 Kết (68) 3.5.1 Xác suất lỗi .(68) 3.5.2 Chống lại hiệu ứng gần-xa .(69) 3.5.3 Dung .(70) Kết luận chương (71) KẾTLUẬN (72) TÀILIỆUTHAMKHẢO .(73) -6- DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU Kí hiệu, chữ viết tắt AWGN BER BPSKCDMA BS CDMA COST207 CR DS DS/CDMA DS-SS FH-SS FIR ISI LMMSE LMS MAI MMSE MSMUD MUD NFR -7- RAKE SNR UB -8- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ TT Hình vẽ 1-1 Mật độ phổ cơng suất tín hiệu trước 1-2 Các dạng sóng theo thời gian để tạo tí tiếp 1-3 Đáp ứng xung kênh đa đường 1-4 Mơ hình truyền dẫn đa đường tín hiệ 1-5 Mơ hình hệ thống CDMA 1-6 Thanh ghi dịch m trạng thái có hồi tiếp t 2-1 Mơ hình hệ CDMA 2-2 Sơ đồ tách truyền thống, mô tả ch hình 2-1 2-3 Bộ tách đa người dùng truyền thống 10 2-4 Bộ tách K người dùng tối ưu kênh truy nhập Gauss 11 2-5 Mô tả xác suất mắc lỗi người sử dụn tách (thu) truyền thống lí tưởng trường xấu 12 2-6 Mơ tả xác suất mắc lỗi người sử dụn tách (thu) truyền thống lí tưởng với người s m có chiều dài 31 trường hợp xấu 13 2-7(a) Giới hạn nhỏ xác suất lỗi Trong trường hợp trễ xấu có người E2/E1=-10dB 14 2-7(b) Giới hạn nhỏ xác suất lỗi Trong trường hợp trễ xấu có người E2/E1=-5dB 15 2-7(c) Giới hạn nhỏ xác suất lỗi Trong trường hợp trễ xấu có người -9- E2/E1=0dB 16 2-8 Bộ tách đa người dùng đa tầng cho hệ th 17 2-9 Sơ đồ thực chi tiết MSMUD 18 2-10(a) Xác suất mắc lỗi người dùng thứ E3/E1=-3dB 19 2-10(b) Xác suất mắc lỗi người dùng thứ E3/E1=0dB 20 2-10(c) Xác suất mắc lỗi người dùng thứ E3/E1=3dB 21 2-11 So sánh xác suất mắc lỗi tách tu tách sóng tối ưu cho kênh hai người dùng SNR người dùng 8dB 22 2-12 So sánh xác suất mắc lỗi tách tu tách sóng tối ưu cho kênh hai người dùng người dùng 8dB 23 2-13 So sánh xác suất mắc lỗi tách tu tách sóng tối ưu cho kênh hai người dùng người dùng 12dB 24 2-14 Sơ đồ khối tách MMSE tuyến tí 25 2-15 Bộ thu MMSE tuyến tính cho người s 26 2-16 Tỉ lệ lỗi bit với người sử dụng công s tương quan chéo đồng kl=0.1 27 2-17 Tỉ lệ lỗi bit với người sử dụng tươ kl=0.8 28 2-18 Cấu trúc thu triệt nhiễu cổng kết hợp 29 2-19 Bộ thu triệt nhiễu trước tổ hợp 30 2-20 Xác suất lỗi bit hàm số người sử LMMSE sau tổ hợp trước tổ hợp kên -10- không đồng với SNR khác nhau, tố Mã Gold chiều dài 31, td/T=4.63x10-3, trải tr chips 31 2-21 Xác suất lỗi bit hàm tỉ số gần-xa truyền thống thu LMMSE trước tổ hợp khác kênh hai đường phadinh Ray lớn 2s với G=4, 7s với G kh trung bình 20dB Điều chế liệu BPSK người sử dụng khác có cơng suất lớn hơ liệu từ 128kbs-1 đến 2.048Mbits-1) 32 3-1 Sơ đồ t 33 3-2 So sánh Pe 34 3-3 So sánh Pe khơng có điều khiển công suất -11- DANH MỤC CÁC BẢNG TT Bảng 1.1 Đặc tính chuỗi m chuỗi Gold 3.1 So sánh dung hệ thống sử dụng thu truyền thống MỞ ĐẦU Hiện nhu cầu sử dụng dịch vụ viễn thông di động trở nên phổ biến Như việc nâng cao chất lượng dịch vụ khả mở rộng hệ thống -68- R=P+2INxN xj=Fyj+Gzj Các hệ số đoạn nghiệm phương trình chuẩn tính theo cơng thức a=R-1C1 Phân tích ma trận này, có: 2K a  k 1 k Trong bk hình chiếu C1 lên phương xk Sử dụng công thức (3.10), viết lại bk sau: (3.12) b  k Thay bk vào (3.11) vào biểu thức trên, đưa được: (3.13) 2K a k 1 Bằng vài biến đổi đại số, đưa ra: (3.14) 2K a k 1 Để đánh giá hiệu làm việc thu, cần đánh giá MMSE (lỗi bình phương trung bình cực tiểu) Jmin Giá trị chung Jmin tính theo: Jmin =1-C1 Và đơn giản hố theo công thức: 2K J 1  k 1 Cơng thức đặc biệt hữu dụng, thấy hiệu thu không phụ thuộc vào chuỗi trải phổ dùng cho người dùng, khơng u cầu giá trị riêng vectơ riêng R, có nghĩa thay cho việc tính giá trị riêng vectơ riêng, tức cần biết tương quan chéo chuỗi trải phổ, xác định Xác suất mắc lỗi thu tính gần theo phép tính gần Gauss Giả định giả định phân tích hệ thống CDMA Tỉ lệ lỗi xấp xỉ bằng: P Q( e So sánh với thu truyền thống có xác suất mắc lỗi tính theo cơng thức: Pe  Q( -70- Trong k= (r1/rk ) n tỉ số cường độ tín hiệu thu máy di động thứ k so với máy di động ta xét Sự xấp xỉ dựa giả định gần Gauss chuỗi trải phổ ngẫu nhiên 3.4 Phân tích dung hệ thống 3.4.1 Bộ thu truyền thống: Hãy định nghĩa xác suất mắc lỗi lớn mà người sử dụng chịu đựng mép Pmax, nhiễu thoả mãn: K   (3.19) k k 2 Số lượng người sử dụng nhiễu ô phân bố Poisson Pr ( of int erferers  m)  m e m! (3.20) Xác suất lỗi bit thực tế để lớn Pmax là:  me) m1 Pr (Pe  Pmax )  Pr ( k  N )( m! m0 (3.21) k 2 Trong đó:   1 3((Q (Pmax )) ( 2Eb 1 ) ) No Khi có điều khiển cơng suất lí tưởng (k= 1), định (3.21): Pb (3.22) dung xác  -71- Tuy nhiên, cho hệ thống có dung lớn, xấp xỉ phân bố Poisson phân bố Gauss dung viết lại: N  1 Q 3.4.2 Bộ thu thích nghi: Xác suất cho người sử dụng bị chặn (block) xác định: K Pr (block Chuỗi Gold ấn định cho người sử dụng trường hợp Từ cơng thức (3.19), (3.20) tính Jmin Quy trình lặp lại cho số lớn lần giá trị trung bình độ lệch chuẩn J Cuối cùng, viết lại Jmin với gần Gauss (3.26) P (J r Chúng ta tổ hợp (3.23), (3.24), (3.25) thu được: (3.27)  P b  ( m1 Dung mạng giá trị lớn  cho biểu thức thấp tỷ lệ chặn gọi 3.5 Kết 3.5.1 Xác suất lỗi -72- Để trình bày tính tốn số ưu điểm thu thích nghi so với thu truyền thống, sử dụng Matlab để tính tốn xác suất lỗi bit phần trước Luật bậc giả thiết (cho hấp thụ môi trường) dạng trải phổ PN với N=31 Chuỗi Gold dùng cho người sử dụng k biến số phân bố khoảng [0,T k] Trong thu truyền thống giả định điều kiện điều khiển cơng suất hồn hảo Chúng ta so sánh xác suất lỗi (hình 3-2) (Hình 3-2- So sánh Pe thu thích nghi thu truyền thống) Chú thích hình vẽ (3-2): - Pe comparision of Adaptive and Conventional Receivers: so sánh Pe thu thích nghi thu truyền thống - Adaptive k=6: thu thích nghi với k=6 - Adaptive k=3: thu thích nghi với k=3 - Conventional k=6: thu truyền thống với k=6 - Conventional k=3: thu truyền thống với k=3 3.5.2 Chống lại hiệu ứng gần-xa -73- Ngồi có giá trị J cho số người sử dụng khác hai trường hợp có khơng có điều khiển cơng suất Như (hình 3-3), thấy khơng có khác J dù có thực điều khiển cơng suất thu thích nghi hay khơng Điều có nghĩa khơng cần thiết phải quản lí cơng suất phát hiệu tương tự, mà chống lại hiệu ứng gần-xa Trong cách tính tốn ta giả thiết: N=31, số người dùng=6 (Hình 3-3-So sánh Pe thu thích nghi trường hợp có khơng có điều khiển cơng suất ) Chú thích hình vẽ (3-3): - Pe comparision with and without Power Control in Adaptive Receiver: so sánh Pe thu thích nghi trường hợp có khơng có điều khiển cơng suất - Perfect Power Control: có điều khiển cơng suất hồn hảo - No Power Control: khơng điều khiển cơng suất 3.5.3 Dung năng: Chúng ta chứng minh thu thích nghi cung cấp dung cao thu truyền thống có khơng có điều khiển cơng suất Từ kết (bảng 3.1), lấy ví dụ N=31 Với thu -74- truyền thống, sử dụng (3.22), (3.23) để tính trực tiếp Với thu thích nghi, tính dựa số lượng lớn J min, sau tìm giá trị trung bình phương sai Jmin, thay chúng vào (3.27) Trong tính tốn này, giả định Eb/N0=10dB, số người dùng=31, Pmax=0.001, Pb=1% Rõ ràng, thu thích nghi vượt trội thu truyền thống Chuỗi trải phổ 31 (Bảng 3.1 So sánh dung hệ thống sử dụng thu thích nghi thu truyền thống) Kết luận chương 3: Tóm lại, chương giới thiệu thu thích nghi có nhiều ưu việt nói đến Hơn nữa, khơng u cầu nhiều thơng tin người sử dụng kênh thu truyền thống Bản chất thích nghi thu cho phép hiệu chỉnh thay đổi mơi trường, cho ta vận hành tốt Nó có khả chống hiệu ứng gần xa gia tăng dung Thêm vào đó, vận hành tốt môi trường nhiễu đa đường nhiễu băng hẹp Và với kết trên, thu thích nghi (chuyển đổi) giải pháp thu vượt trội mạng CDMA Bộ -75- KẾT LUẬN Trong phạm vi luận văn này, tơi trình bày cách ngắn gọn, rõ ràng đặc điểm hệ truyền thơng CDMA Qua tìm hiểu tách sóng đa người dùng, ưu điểm Và cuối đưa nguyên lí hoạt động thu thích nghi DS/CDMA Với ưu điểm mà thu đưa ra, mở khả vận hành tốt môi trường nhiễu đa đường, đa người dùng Những kết nêu luận văn áp dụng trường hợp dùng đơn sóng mang Một hướng nghiên cứu mới, triển khai rộng rãi giới Việt Nam bắt đầu nghiên cứu cho trường hợp đa sóng mang kết hợp CDMA Đó vấn đề tơi mong nghiên cứu (nếu có điều kiện) thời gian tới -76- TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Lí thuyết trải phổ ứng dụng (1999), Học viện công nghệ bưu viễn thơng 2 JS Blogh, L.Hanzo (2002), Third-Generation Systems and Intelligent Wireless Networking, John Wiley & Sons Ltd 3 Vijay K.Garg & Kenneth Smolik (1997), Application of CDMA in Wireless/Personal communication 4 Andrew J.Viterbi (1997), CDMA principles of spread spectrum comunication 5 Theory and Practice Savo G Glisic (2003), Adaptive WCDMA, John Wiley & Sons Ltd 6 Dr.Tan Wong (2002), Adaptive DS/CDMA Receiver for Multiuser Detection- Course project for EEL6503: Spread Spectrum and CDMA, URL: http://www.geocities.com/sscdma2002/ss_project.html 7 Nguyễn Phạm Anh Dũng (2004), Lý thuyết trải phổ đa truy nhập vô tuyến, Nhà xuất bưu điện -77- ... CDMA với K người dùng chung băng thơng: -31- (Hình 2-1-Mơ hình hệ CDMA) Trong hệ thống DS/CDMA, có hai loại tách: tách người dùng tách đa người dùng 2.1.1 Tách người dùng Bộ tách người dùng lọc... CHƯƠNG2-BỘTÁCHSĨNGĐANGƯỜIDÙNG .(29) 2.1 Vấn đề tách sóng đa người dùng (29) 2.1.1 Tách người dùng (30) 2.1.2 Tách đa người dùng. .. cho số trường hợp: thu lí tưởng, thu dùng thực tế tách CDMA đa người dùng tuyến tính tách đa người dùng MMSE 2.2 Bộ thu lí tưởng: Giả sử người sử dụng k phát luồng bít b k, với chu kì bit T, sử