Xử lý lặp không gian thời gian ứng dụng tách tín hiệu trong hệ thống cdma

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ MÃ SỐ NGHÀNH: 2.07.01 THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG TH : KS NGUYỄN HẢI SƠN TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 10 NĂM 2003 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG Cán chấm nhận xét 1: PGS TS NGUYỄN MỘNG HÙNG Cán chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ LUẬN ÁN THẠC SĨ ĐƯC BẢO VỆ TẠI HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN ÁN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH Ngày 08 tháng 11 năm 2003 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập -Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN ÁN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN HẢI SƠN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 13 / 11 / 1975 Nơi sinh: Bình Thuận Chuyên ngành: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ Khóa (Năm trúng tuyển): 12 (2001) I TÊN ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - - - III IV V Nghiêng cứu hệ thống thông tin di động CDMA, số phương pháp tách tín hiệu thường sử dụng thu CDMA Single-user Multiuser Nghiêng cứu số thuật toán tách tín hiệu thu CDMA Multiuser thông qua cấu trúc thu không gian-thời gian thông thường Giới thiệu thuật toán SAGE cho cấu trúc thu không gian-thời gian việc tách tín hiệu hệ thống CDMA Thực mô Matlab, đánh giá ưu khuyết điểm thuật toán NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14 / / 2003 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14 / 10 /2003 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG VI HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1: PGS TS NGUYỄN MỘNG HÙNG VII HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS LÊ TIẾN THƯỜNG CÁN BỘ NHẬN XÉT PGS TS NGUYỄN MỘNG HÙNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG CÁN BỘ NHẬN XÉT TS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG HÀ Nội dung đề cương luận án Thạc Só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày PHÒNG QLKH-SĐH tháng năm 2003 CHỦ NHIỆM NGHÀNH TS VŨ ĐÌNH THÀNH LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG ABSTRACT Multiuser detection is necessary in all celluar and mobile communications Space-time processing and multiuser detection are two promising techniques for combating multipath distortion and multiple-access interference in code division multiple access (CDMA) systems Multiuser detection describes various techniques used to reduce interference and design of practical receivers to obtain near-optimal detection of signals To over come the computational burden that rises very quickly with increasing numbers of users and receiver antennas in applying such techniques, iterative implementations of serveral space-time multiuser detection algorithms are considered: These algorithms include iterative linear space-time multiuser detection, Cholesky iterative decorrelating decision-feedback space-time multiuser detection, multistage interference cancelling space-time multiuser detection, and expectation-maximization (EM) based iterative space-time multiuser detection It is shown that iterative implementation of linear and nonlinear space-time mulituser detection schemes dicussed in this thesis realizes this substantial gain and approaches the optimum performance with reasionable complexity ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GAIN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG TÓM TẮT Tách nhiều người sử dụng (Multiuser detection) cần thiết mạng thông tin di động tế bào Xử lý không gian-thời gian tách tín hiệu hai kỹ thuật đầy triển vọng, để giải méo đa đường giao thoa đa truy nhập hệ thống đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) Nhiều kỹ thuật sử dụng để tách tín hiệu mạng thông tin di động tế bào, nhằm mục đích giảm giao thoa thiết kế thu để tách tín hiệu gần tối ưu Để khắc phục gánh nặng tính toán việc tăng nhanh số user anten thu, vài thuật toán tách tín hiệu theo không gian–thời gian tìm hiểu đề tài Những thuật toán bao gồm: Tách tín hiệu phương pháp lặp tuyến tính, tách tín hiệu phương pháp lặp Cholesky không tương quan theo thị hồi tiếp, tách tín hiệu phương pháp triệt bỏ giao thoa đa tầng, tách tín hiệu phương pháp cực đại hoá kỳ vọng (EM) Sự thực lặp tuyến tính không tuyến tính không gian-thời gian việc tách tín hiệu, trình bày đề tài có liên hệ với hiệu thực tế giải pháp để thực tối ưu tình phức tạp ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG MỤC LỤC Chương 1: Giới thiệu chung 1.1 Hệ thống thông tin di động 1.2 Đa phương tiện hệ thống thông tin di động tương lai 1.3 GSM Phase 2+ 1.4 Hệ thống hệ thứ ba 3G 1.5 Các hoạt động quốc tế để xây dựng tiêu chuẩn hệ thống thông tin di động hệ ba 1.6 Lộ trình phát triển từ hệ thống thứ hai đến hệ ba 1.6.1 Lộ trình nghiêng cứu phát triển hệ thống thông tin di động hệ ba 1.6.2 Lộ trình phát triển từ IS-95 hệ hai đến CDMA2000 hệ ba 1.6.3 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động GSM hệ hai sang W-CDMA hệ ba 11 1.6.3.1 Số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao HSCSD 12 1.6.3.2 Dịch vụ gói vô tuyến chung GPRS 13 1.6.3.3 Tốc độ số liệu tăng cường để phát triển GSM (EDGE) 14 1.7 Các dịch vụ thoại phi thoại thông tin di động 14 1.7.1 Các dịch vụ xa (Teleservice) 14 1.7.2 Các dịch vuï mang (Bearer Service) 14 1.7.3 Các dịch vụ bổ sung (Supplementary Services) 15 1.8 Quá trình phát triển Codec tiếng thông tin di động 16 1.9 Các công nghệ sở Codec tiếng 17 1.9.1 Điều chế xung mã 17 1.9.2 Điều xung mã vi sai thích öùng ADPCM 18 1.9.3 Bộ mã hoá theo quan phát âm Vocoder 20 1.9.4 Maõ hóa tiếng CDMA 22 1.9.5 Mã hoá tiếng GSM 25 Chương 2: Hệ thống CDMA băng rộng 2.1 So sánh phương pháp đa truy nhập 26 ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG 2.1.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA 26 2.1.2 Da truy nhập phân chia theo thời gian 27 2.1.3 Ña truy nhập phân chia theo mã CDMA 27 2.2 Hệ thống CDMA băng roäng 28 2.2.1 Những khái niệm WCDMA 29 2.2.1.1 Dung lượng đa truy nhập 30 2.2.1.2 Được bảo vệ để chống lại giao thoa đa đường 30 2.2.1.3 Sự bảo mật 30 2.2.1.4 Xác xuất ngăn chặn thấp 30 2.2.2 Kyõ thuật điều chế sử dụng WCDMA 31 2.3 Đa truy nhập trãi phổ dãy trực tiếp 32 2.4 Những thành phần DS-CDMA 34 2.4.1 Boä thu RAKE 34 2.4.2 Điều khiển công suaát 35 2.4.3 Chuyển giao mềm 36 2.4.4 Taùch multiuser 37 2.4.5 Chuyeån giao Interfrequency 38 2.5 Những ứng dụng khác dịch vụ đa phương tiện di động 38 2.5.1 Những öùng duïng Non Real-Time 39 2.5.2 Những ứng dụng Real-Time 40 Chương 3: Hệ thống vô tuyến tế bào kỹ thuật CDMA 3.1 Những thành phần liên kết tế bào vô tuyến 41 3.1.1 Mã hoá nguồn 42 3.1.2 Maõ hoá kênh 42 3.1.3 Mô hình đa truy nhaäp 42 3.1.4 Điều chế 43 3.2 Keânh Uplink-Downlink 45 3.3 Caáu hình hệ thống 45 Chương 4: Cơ sở lý thuyết tách tín hiệu hệ thống CDMA 4.1 Bộ lọc Matched kênh CDMA 48 ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG 4.1.1 Dạng sóng ký số trực giao 50 4.1.2 Daïng sóng ký số không trực giao trường hợp hai user 50 4.1.3 Hệ thống K user 51 4.2 Taùch single user 52 4.3 Tách multiuser tối ưu 54 4.4 Taùch multiuser tuyến tính tối ưu thứ cấp 55 4.4.1 Bộ tách không tương quan 55 4.4.2.Tách trung bình bình phương tối thiểu MMSE 56 4.5 Phương pháp thích ứng không tuyến tính 57 4.5.1.Triệt bỏ giao thoa nối tiếp SIC 57 4.5.2 Triệt bỏ giao thoa song song PIC 60 4.5.3 Ước lượng MMSE thích ứng 61 4.6 Môhình mô cho hệ thống DS-CDMA 62 Chương 5: Tách tín hiệu lặp không gian-thời gian 5.1 Mô hình tín hiệu không gian–thời gian 64 5.2.Tách tín hiệu phương pháp lặp tuyến tính 67 5.3 Tách tín hiệu phương pháp lặp không tuyến tính 69 5.3.1 Tách tín hiệu phương pháp lặp Cholesky không tương quan theo thị hồi tieáp 69 5.3.2 Tách tín hiệu phương pháp triệt bỏ giao thoa đa tầng 72 5.4 Tách tín hiệu phương pháp lặp EM-Based 74 5.4.1 Thuật toán EM SAGE áp dụng cho ST MUD 74 5.4.2 Giới thiệu ST MUD phép lặp SAGE với cấu trúc 76 Chương 6: Kết mô Giao diện chương trình mô 80 Nhận xét, kết luận 92 Hướng phát triển đề tài 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN ĐỀ TÀI:XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT 3GPP:3rd Generation Partnership Project: Dự án đối tác hệ ba A/D: Analog to digital Converter: Biến đổi tương tự sang số AbS: Analysis by Synthesis: Phân tích tổng hợp ADPCM: Adaptive Differential Pulse Code Modulation: Điều chế xung mã vi sai thích ứng APC: Adaptive Predictive Coding: Mã hoá dự báo thích ứng ARIB: Association of Radio Industry Bussiness: Liên đoàn kinh doanh công nghiệp vô tuyến BS: Base Station: Trạm gốc BSC: Base Station Controller: Bộ điều khiển trạm gốc CDMA: Code Division Multiple Access: Đa truy nhập phân chia theo mã CELP: Code Excited Linear Prediction: Mã hoá dự đoán kích thích theo mã D/A: Digital to Analog Converter: Biến đổi số sang tương tự DDF-MUD: Decorrelating Decision Feedback MUD: tách nhiều người sử dụng thị hồi tiếp không tương quan DOA: Direction of Arrival: Góc đến DS-CDMA: Direct Sequence CDMA: CDMA dãy trực tiếp EFC: Enhanced Full Rate Codec: Codec tiếng toàn tốc tăng cường EDGE: Enhanced data rates using optimized modulatuion: Tốc độ số liệu tăng cường nhờ sử dụng điều chế tối ưu EM: Expectation Maximization: Tối ưu hoá kỳ vọng ETSI: European Telecommunications Standard Institute: Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu FH: Frequency Hopping: Nhảy tần GPRS: General Packet Radio Service: Dịch vụ vô tuyến gói chung HSCSD: High Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch mạch tốc độ cao IC: Interference Cancellation: Triệt bỏ giao thoa THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG GIAO DIỆN CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG Chương trình mô chạy Matlab 6.5 Đầu tiên khởi động Matlab, chạy File detai.m chúng sa giao diện hình Trên giao diện này, để thực thi chương trình cho kết mô phỏng, chọn chương trình tương ứng cho số thuật toán trình bày Sau chương trình tự động biên dịch cho kết ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 80 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG MỘT SỐ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Hình 6.1 Tốc độ lỗi bit hệ thống trải phổ DS-CDMA Hình 6.1 Biểu thị ảnh hưởng giao thoa lên hệ thống DS-CDMA, tương ứng với A=0 trường hợp hệ thống giao thoa A=12 giao thoa lớn Khi xác suất lỗi 10 −3 hệ thống trãi phổ DS-CDMA đạt hệ số SNR hợp lý, với mức nhiễu cao (như trường hợp A=12) Do kết luận rằng, biểu đồ hệ thống trãi phổ DS-CDMA giới thiệu hoàn toàn hợp lý cho việc giảm giao thoa kênh, phù hợp để sử dụng mạng W-CDMA Hình 6.2 Trình bày xác suất lỗi P1c (σ ) cho user thứ thông qua ( A1 / σ )2 , với tỉ số A2/A1 khác nhau, A2 xem biên độ tín hiệu giao thoa hệ số tương quan chéo ρ = 0.2 ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 81 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG Từ hình vẽ thấy BER giảm nhanh A2 tăng Và A2/A1=6, ρ = 0.2 xác suất lỗi không tiến zero, quan sát ảnh hưởng vấn đề gần-xa Hình 6.2 P1c (σ ) thông qua ( A1 / σ )2 Hình 6.3 Biểu thị vùng công suất Trade-off vùng mà có công suất chuẩn chấp nhận được, có BER nhỏ BER= p * xác định cho tất user Vùng Trade-off ro ≡ ρ ∈ {0, 0.1, 0.3, 0.5} Đối với hai vẽ với thông BER= p * =3*10 −5 số user ρ và Q −1 (3 *10 −5 ) = 12dB Chuùng ta thấy rằng, hệ số tương quan chéo ρ =0, SNR lớn 12dB có vùng công suất chấp nhận Khi ρ tăng, chí hai biên độ A1, A2 xác định, lượng cần thiết tăng nhanh chóng Mật độ phân bố lượng tăng không đồng thu theo ρ Trong hệ thống thông tin di động, biên độ thu thay đổi phạn vi rộng vấn đề điều khiển công suất thực cần thiết ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 82 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG Hình 6.3 Vùng công suất Trade-off SNR user2 thông qua SNR user1 Hình 6.4 Vẽ xác suất lỗi theo SNR trường hợp 10 user có hệ số tương quan chéo ρ kl = 0.08 , lượng Hình 6.5 6.6 Vẽ xác suất lỗi theo SNR trường hợp 14 user, có hệ số tương quan chéo ρ kl = 0.08 , lượng nhau, vẽ theo thang độ khác Ta nhận thấy xấp xỉ Gauss tốt tỉ số SNR thấp, không tin cậy tỉ số SNR cao Khi SNR tăng xác suất lỗi lớn Trong môi trường multiuser, tỉ số tín hiệu giao thoa laø:   SIR = Ak2  σ + ∑ A 2j ρ 2jk  j ≠k   (6.1) Do đó, có mặt giao thoa làm tăng BER làm ảnh hưởng đến chất lượng xác suất lỗi ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 83 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG Hình 6.4 Xác suất lỗi theo SNR trường hợp K=10, ρ = 0.08 , Ak=Aj ∀j Hình 6.5 Vẽ xác suất lỗi theo SNR trường hợp K=14, ρ = 0.08 , Ak=Aj ∀j ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 84 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG Hình 6.6 Vẽ xác suất lỗi theo SNR trường hợp K=14, ρ = 0.08 , Ak=Aj ∀j Hình 6.7 Hiệu suất multiuser tiệm cận tách thông thường hàm biên độ giao thoa ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 85 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG Ở Hình 6.7 Biểu thị hiệu suất multiuser tiệm cận theo tỉ số A2/A1 với A2 xem biên độ user giao thoa, với hệ số tương quan khác ρ Năng lượng hiệu dụng ek (σ ) user k định nghóa lượng user k cần để thu tốc độ lỗi bit giống Pk (σ ) , kênh multiuser kênh Gaussian single-user với mức nhiễu nhiệt giống nhau:  e (σ )   Pk (σ ) = Q k  σ    (6.2) Hiệu suất multiuser xác định tỉ số lượng hiệu dụng e (σ ) lượng thực tế k , hiệu suất multiuser tiệm cận cách thực để Ak Pk (σ ) tiến nhanh zero cách giảm bớt nhiễu nền: η k = lim σ →0 ek (σ ) Ak2 (6.3) Cuối cùng, hiệu ứng gần-xa xác định hiệu suất multiuser tiệm cận tối thiểu toàn lượng thu, phụ thuộc vào dạng sóng ký số giải điều chế Ta có xác suất multiuser trường hợp hai user A1 ≤ A2 ρ là: P1c (σ ) =  A1 − A2 ρ   A1 + A2 ρ  Q  + Q   σ σ    (6.4) Vaø ta có hiệu suất cho multiuser tiệm cận sau:   A η = 1 − ρ  A1   (6.5) c Chuùng ta thấy rằng, lọc singke-user không bị ảnh hưởng hiệu ứng gần-xa cho dù biên độ giao thoa tăng ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 86 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG Và tỉ lệ biên độ tương tự, xác suất multiuser tối ưu kém, hệ số tương quan chéo dạng sóng trãi phổ lớn Hình 6.8 Hiệu suất multiuser tiệm cận tối ưu single-user trường hợp hai user với ρ = 0.3 Ở Hình 6.8 Biểu thị hiệu suất multiuser tiệm cận tối ưu single-user trường hợp hai user với ρ = 0.3 Trong xác suất cho user thứ là: A  A  A  P1 (σ ) = c Q  , với ≤ c  ≤ 1.5 σ  σ  σ  (6.6) Và hiệu suất multiuser tiệm cận tối ưu cho user thứ là:  A η1 = 1.1 +    A1 ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA  A   − ρ  A1    (6.7) 87 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG Hình 6.9 So sánh hiệu suất multiuser tiệm cận Trên Hình 6.9 Biểu thị hiệu suất multiuser tiệm cận không tương quan, sau so sánh với trường hợp tối ưu single-user Ở thu không tương quan, BER cho user thứ k là:  A k Pkd (σ ) = Q σ H ∗ kk    với H ∗ = H −1 kk   ( ) (6.8) kk Trong trường hợp hai user, ta coù H kk∗ = (1 − ρ ) −1  A 1− ρ Pkd (σ ) = Q k  σ      (6.9) Nếu biên độ giao thoa đủ nhỏ, tách lọc Matched single-user tốt tách không tương quan Ta có hiệu suất multiuser trường hợp η1 = η = (1 − ρ ) ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 88 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG Do ta thấy rằng, hiệu suất multiuser tiệm cận không tương quan phụ thuộc vào hệ số tương quan chéo dạng sóng tín hiệu trãi phổ Không phụ thuộc vào biên độ tín hiệu giao thoa Có nghóa việc tách không tương quan đem lại kết hiệu ứng gần xa không liên quan đến biên độ giao thoa Hình 6.10 BER theo số tăng user Trên hình 6.10 biểu thị ảnh hưởng BER ta tăng số user (giả sử công suất thu tín hiệu Tách tối ưu (OD) hiệu nhất, tiêu tốn nhiều thời gian độ phức tạp tăng (nó quan sát trước lần mô phỏng) Trong phương pháp SIC (lặp Gauss-Seidel) thực không tốt user thu biên độ giống nhau, vài lỗi lần ước lượng ban đầu lan truyền làm ảnh hưởng đến thị khác, thực với độ phức tạp thấp Khi số user tăng, giao thoa cần phải quan tâm nhiều nhiễu, đồng thời việc tách MMSE không tương quan Dec (lặp Cholesky) hội tụ tới điểm giống ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 89 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG Hình 6.11 BER theo số tăng user, MMSE thích ứng Hình 6.12 BER theo số tăng user, MMSE thích ứng, với độ lợi xử lý lớn N=15 Trên Hình 6.11 biểu thị BER tăng theo số user so sánh phương pháp tách với MMSE thích ứng ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 90 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG Ở ta thấy rằng, MMSE thích ứng tốt Tách “bad” trường hợp ta giả sử biết giá trị trung bình SNR user thu biên độ giống Trong tách MMSE thích ứng điều kiện kênh, chuỗi ký số công suất nhiễu Hình 6.12 thực tương tự Hình 6.11 vẽ với độ lợi xử lý lớn N=15 Ở việc tách MMSE thích ứng không tốt lắm, thực trường hợp không thích ứng Đối với phương pháp tách hủy giao thoa liên tiếp SIC (lặp Gauss Seidel) không tương quan Dec (lặp Cholesky) chúng không thay đổi nhiều so với trường hợp Hình 6.13 BER thông qua SNR cho thuật toán PIC Trên Hình 6.13 biểu thị tốc độ lỗi bit BER theo tỉ số tín hiệu nhiễu SNR cho trường hợp tách multiuser đa tầng phương pháp hủy giao thoa song song tuyến tính PIC (phương pháp lặp Jacobi) Ta nhận thấy rằng, với tỉ số SNR, tốc độ lỗi bit BER cho tầng nhỏ so với lọc Matched tầng thứ ba có BER nhỏ ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 91 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG Hình 6.14 BER thông qua SNR thuật toán EM Trên Hình 6.14 ta thấy rằng, thuật toán EM thực tốt so với tách MMSE tuyến tính (Init Est) Trong hầu hết trường hợp, thuật toán EM hội tụ tối thiểu sau hai lần lặp Và số lần lặp để thuật toán EM hội tụ phụ thuộc vào chiều dài gói liệu thu, gọi N L chiều dài gói liệu thu (nó chứa tất số bit thu b1, b2, … , bK), độ phức tạp thuật toán EM O(N 3L ) Khi số bit thu tăng lên số lần lặp thuật toán tăng theo KẾT KUẬN Tách tối ưu OD (Optimum detection) hiệu nhất, tiêu tốn nhiều thời gian độ phức tạp tăng Trong phương pháp SIC (lặp Gauss-Seidel) thực không tốt user thu biên độ giống nhau, vài lỗi lần ước lượng ban đầu lan truyền làm ảnh hưởng đến thị khác, thực với độ phức tạp thấp Trường hợp tách multiuser đa tầng phương pháp triệt tiêu giao thoa song song tuyến tính PIC (phương pháp lặp Jacobi) ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 92 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG Ta nhận thấy rằng, với tỉ số SNR, tốc độ lỗi bit BER cho tầng nhỏ so với lọc Matched tầng thứ ba có BER nhỏ Phương pháp PIC (lặp Jacobi) thực với độ phức tạp cao hơn, hạn chế trường hợp thu user có biên độ giống Khi số user tăng, giao thoa cần phải quan tâm nhiều nhiễu, đồng thời việc tách trung bình bình phương tối thiểu MMSE (Minimum Mean Squared Error) không tương quan Dec (lặp Cholesky) hội tụ tới điểm giống Thuật toán tối ưu hoá kỳ vọng EM (Expectation Maximization) thực tốt so với tách MMSE tuyến tính (Init Est) Trong hầu hết trường hợp, thuật toán EM hội tụ tối thiểu sau hai lần lặp Và số lần lặp để thuật toán EM hội tụ phụ thuộc vào chiều dài gói liệu thu HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Những thuật toán đề tài trình bày để sử dụng cho việc tách tín hiệu hệ thống CDMA có ưu điểm khuyết điểm phân tích trên, thuật toán chưa tối ưu Chúng ta nghiêng cứu cho việc tách tín hiệu thuật toán như: Sử dụng mạng Neural cho trường hợp không tuyến tính, khai triển đa thức (PE) cho trường hợp tuyến tính Đồng thời nghiêng cứu để thực chúng DSP, điều làm tăng hiệu độ xác cao ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN-THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 93 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP CAO HỌC KỸ THUẬT VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ THD: PGS TS NGUYỄN ĐỨC PHONG TS LÊ TIẾN THƯỜNG TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.J.Paulraj and C.B.Papadias,” Space-time processing for wriless communications”, IEEE Signal Processing Mag.,, pp 49-82, Nov ,1997 [2] S Beheshti and G.W.Wornell, “Joint intersymbol and multiple–access interference suppression algorithms for CDMA systems “, Eur Trans Telecomm vol 9, no 5, pp 403–418, Sept / Oct 1998 [3] A Boariu and R E Ziemer, “Cholesky–iterative detector: A new multiuser detector for synchronous CDMA systems”, IEEE Commun Lett , vol 4, pp 77 –79 , Mar 2000 [4] H.Dai and H.V.Poor,” Sample-by-sample adaptive space-time processing for multiuser detection in multipath CDMA systems “, in Proc Fall IEEE Veh Technol Conf .Atlantic City, NJ, Oct, 7-11, 2001 [5] A.Due-Hallen ,”A family of multiuser decision - feedback detectors for ansynchronous code-division multiple access channels”, IEEE Trans Commun ,vol 43, pp 421-434, Feb/Mar/Apr, 1995 [6] M.Juntti et al ,”Iterative implementation of linear multiuser detection for dynamic ansynchronous CDMA systems”, IEEE Trans Commun vol 46, pp 503-508, Apr, 1998 [7] L.B.Nelson and H.V.Poor ,” Iterative multiuser receivers for CDMA channels : An EM-based approach”, IEEE Trans Commun , vol 44, pp17001710, Dec, 1996 [8] M.Vranasi and B.Aazhang,”Multistage Detection in asynchronous codedivision multiple access communications”, IEEE Trans., Commun ., vol 38, pp 509- 519, Apr., 1990 [9] Introduction to Matlab 6.0 for Engineers-William J Paim III-University of Rhode Island ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 94 TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN ... TẮT ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN- THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA TH: KS NGUYỄN HẢI SƠN ĐỀ TÀI:XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN- THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA THD:... hệ thống 45 Chương 4: Cơ sở lý thuyết tách tín hiệu hệ thống CDMA 4.1 Bộ lọc Matched keânh CDMA 48 ĐỀ TÀI: XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN- THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG... tiến tới công nghệ 3G 1.6.3 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động GSM hệ hai sang W -CDMA hệ ba ĐỀ TÀI:XỬ LÝ LẶP KHÔNG GIAN- THỜI GIAN ỨNG DỤNG TÁCH TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG CDMA 11 TH:KS