Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển công suất dùng phương pháp ước lượng trong hệ thống thông tin di động CDMA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN TRỌNG MINH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT DÙNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Hà Nội 2004 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN TRỌNG MINH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT DÙNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG CDMA LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH XỬ LÝ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THỊ HOÀNG LAN Hà Nội 2004 Mục lục Mục lục Bảng tra cứu từ viết tắt Danh mục hình vẽ đồ thị mở đầu Chương Tổng quan kỹ thuật trải phổ công nghệ cdma 10 1.1 Tổng quan kỹ thuật trải phổ 10 1.1.1.Khái niệm kỹ thuật trải phổ 10 1.1.2 Các ưu điểm hệ thống thông tin trải phổ 11 1.2 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 14 1.2.1 Kỹ thuật đa truy nhập 14 1.2.2 Hoạt động hệ thống CDMA 16 1.2.3 Mã hướng lên CDMA 21 1.2.4 Mã hoá hướng xuống CDMA 22 Chương Điều khiển công suất hệ thống thông tin di động CDMA 22 2.1 Giới thiệu hệ thống thông tin di động CDMA 22 2.1.1 Kênh hướng xuống CDMA 23 2.1.2 Kênh hướng lên CDMA 24 2.2 Kênh thông tin di động 26 2.2.1 Mất đường phạm vi lớn 29 2.2.2 Mất đượng phạm vi nhỏ 30 2.3 Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển công suất 38 2.3.1 Điều khiển cơng suất vịng mở 38 2.3.2 Điều khiển cơng suất vịng kín 39 2.3.3 Điều khiển cơng suất lặp vịng 42 2.4 Những vấn đề kỹ thuật điều khiển công suất 43 2.4.1 Kích thước bước cập nhật cơng suất 43 2.4.2 Lỗi ước lượng SIR 46 2.4.3 Trễ vòng hồi tiếp 47 2.4.4 Tốc độ cập nhật công suất 48 2.4.5 Tỉ lệ lỗi bit(BER) kênh hồi tiếp 48 2.4.6 Tác động suy giảm mạnh 49 Chương kênh AWGN Rayleigh fading 50 3.1 Mơ hình kên AWGN (Addtitive White Gaussian Noise) 50 3.2 Mơ hình kênh Rayleigh Fading 51 3.2.1 Mơ hình kênh fading Rayleigh 52 3.2.2 Mô kênh Fading Rayleigh 53 3.3 Chuỗi Gold 55 3.4 Lọc băng gốc 57 Chương nghiên cứu tìm hiệu Các thuật tốn ước lượng cơng suất 59 4.1 Thuật toán EM (Expectation Maxximization) 59 4.2 Ước lượng giải tương quan (Decorrelating Estimator: DE) 63 4.3 Phương pháp trung bình (Averaging Method) 65 Chương Xây dựng chương trình thử nghiệm 68 5.2 Thiết kế xây dựng chương trình 68 5.2.1 Các bước chương trình 68 5.2.2 Một số chương trình nguồn hàm 69 5.3 Đánh giá kết thử nghiệm kênh AWGN 71 5.3.1 Đánh giá kết ba thuật tốn dựa sai số bình phương trung bình (MSE) 71 5.3.2 Đánh giá kết hệ thống máy thuê bao SNR thay đổi 76 5.3.3 Đánh giá kết thuật toán tỷ số tỷ số lượng bit máy thuê bao tỷ số bit lượng mong muốn thay đổi 79 5.2 Đánh giá kết thử nghiệm kênh Rayleigh Fading 82 Kết luận 90 Tài liệu tham khảo 91 Phụ lục 92 Bảng tra cứu từ viết tắt A AWGN Addtitive White Gaussian Noise Tạp âm trắng–Gaussian–Cộng B BS Base station Trạm gốc BER Bit Errror Rate Tỉ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân C CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CAC CLPC Điều khiển gọi Điều khiển công suất vịng kín Dải tần liên kết Call Admission Control Closed Loop Power Control Coherence bandwidth D DE Decorrelating Estimator DM DS/SS ICI ISI Delta Modulation Direct Sequence Spread Spectrum F Frequence Division Duplex Frequence Division Multiple Access First Generation Second Generation Third Generation I Inter Chip Interference Intersymbol Interference IS - 95 Interim Standard 95 FDD FDMA 1G 2G 3G Bộ đánh giá ước lượng giải tương quan Điều chế delta Trải phổ dãy trực tiếp Song công kiểu chia tần số Đa truy cập phân chia theo tần số Thế hệ thứ Thế hệ thứ hai Thế hệ thứ ba Nhiễu giao thoa chip Nhiễu giao thoa ký hiệu Tiêu chuẩn IS - 95 L LOS Loss of Signal M MAI Multiple Access Interference MLE Maximum Likelihood Estimation MMSE Minimum Mean Squared Error MSE Mean Squared Error MS Mobile Station Mất tín hiệu Nhiễu giao thoa đa truy cập Đánh giá độ hợp lý Sai số trung bình bình phương Lỗi bình phương trung bình Trạm di động, máy thuê bao di động O OFDM Orthogonal Frequency Division Điều chế trực giao phân chia Modulation theo tần số P PDF Probability Distribution Function Hàm phân bố xác suất PCC Power Control Command Lệnh điều khiển công suất PCE Power Control Error Lỗi điều khiển công suất PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PSK Phase Shift Keying PN Pseudo Code R RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RACH Random Access Channel Kênh truy cập ngẫu nhiên S SDMA Space division Multiple Acess Đa truy cập phân chia theo không gian SIR Signal to Interference Ratio Tỉ số tín hiệu nhiễu giao thoa SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu tạp âm SVR Signal to Variance Ratio T TDD Time Division Duplex Song công kiểu chia thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian Danh mục hình vẽ đồ thị Hình 1.1 Phép đo thời gian trễ Hình 1.2 Các khe thời gian khung truyền dẫn Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống CDMA kiểu DSSS Hình 1.4 Phổ tín hiệu đầu vào máy thu Hình 1.5 Phổ tín hiệu sau tương quan với mã trải phổ Hình 2.1 Một băng tần gốc user hệ thống CDMA Hình 2.2 Mơ hình kênh CDMA hướng xuống Hình 2.3 Mơ hình kênh CDMA hướng lên Hình 2.4 Cơ chế truyền vơ tuyến Hình 2.5 Mối quan hệ trải phổ tín hiệu miền thời gian tần số Hình 2.6 Mỗi quan hệ trải phổ Doppler kênh thời gian (a) hàm Hình 2.8 Mơ hình điều khiển cơng suất vịng kín Hình 3.1 Hàm mật độ xác suất Rayleigh với  =1 Hình 3.2 Sơ đồ khối tạo hệ số Rayleigh fading băng gốc Hình 3.3 Đường bao tín hiệu Rayleigh Fading với tần số Doppler khác Hình 3.4 Chuỗi Gold tự tương quan có chiều dài n = 63 Hình 3.5: Sơ đồ khối tạo chuỗi Gold có chiều dài 63 Hình 3.6: Tần số tương ứng lọc băng gốc Hình 4.1 : Sơ đồ thuật tốn EM Hình 4.2 Sơ đồ khối thuật tốn DE Hình 4.3 Sơ đồ khối thuật toán AM kênh Rayleigh Fading với user thứ i Hình 5.1.Kết ba thuật tốn SNR = -10dB Hình 5.2 Kết ba thuật tốn SNR = dB Hình 5.3 Kết ba thuật toán SNR = 10 dB Hình 5.4 Kết ba thuật tốn SNR = 20 dB Hình 5.5 Kết khác máy thuê bao với mức SNR khác thuật tốn EM Hình 5.6 Kết khác máy thuê bao với mức SNR khác thuật tốnDE Hình 5.7 Kết khác máy thuê bao với mức SNR khác thuật tốn AM Hình 5.8 Đánh giá kế thuật toán với giá trị Ei/Ej thay đổi trường hợp SNR = 10dB Hình 5.9 Đánh giá kế thuật toán với giá trị Ei/Ej thay đổi trường hợp SNR = dB Hình 5.10 Kết thuật toán máy thuê bao hệ thống thông tin di động 20 máy thuê baoHình 5.11 Hình 5.11 So sánh kết user khác mức SNR thuật toán EM hệ thống user Fd = 80Hz Hình 5.12 So sánh kết user khác mức trung bình SNR thuật tốn DE hệ thống user Fd = 80Hz Hình 5.13 So sánh kết user khác mức SNR thuật toán AM hệ thống user Fd = 80Hz Hình 5.14 So sánh kết thuật toán với tỉ lệ tạp âm tín hiệu Ei/Ej khác hệ thống user SNR = 10dB, fd = 80Hz n = 20 giá trị khởi đầu = với thuật toán EM Hình 5.15 So sánh kết thuật tốn với tỉ số tạp âm tín hiệu Ei/Ej khác hệ thống user SNRj = fd = 80dB n = 20 giá trị khởi đầu = với thuật tốn EM Hình 5.16 Kết EM với số vòng lặp khác fd = 80Hz Bảng 2.1 Biểu thị fading đa đường trải phổ thời gian tín hiệu Bảng 2.2 Tổng hợp biểu diễn fading kênh thời gian thay đổi Bảng 2.3 Các đặc tính kênh fading Bảng 3.1 Mối quan hệ tốc độ xe tải ứng với tần số Doppler lớn Bảng 3.2 Hệ số lọc băng gốc mở đầu Công nghệ đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) tạo bước đột phá lĩnh vực thông tin di động số Nhờ tính ưu việt khả chuyển giao mềm, thu thập tín hiệu đa đường, công suất phát thấp, khả bảo mật gọi cao đặc biệt khả mở rộng dung lượng cách mềm dẻo, linh hoạt mà công nghệ CDMA dần chiếm lĩnh thị trường thông tin di động cellular số Một ngành công nghiệp dự đốn có tốc độ tăng trưởng cao Từ hệ thứ 1G cung cấp dịch vụ thoại, hệ 2G cung cấp thêm dịch vụ truyền số liệu với tốc độ thấp, ngày người ta phát triển đến hệ 3G nhằm hạn chế nhược điểm hệ trước cung cấp dịch vụ đa phương tiện Sự phát triển khơng thể không kể đến kỹ thuật điều khiển công suất Điều khiển công suất yếu tố quan trọng góp phần phát triển cơng nghệ thơng tin di động ngày Do tầm quan trọng điều khiển công suất hệ thống CDMA, chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật điều khiển công suất dùng phương pháp ước lượng hệ thống thơng tin di động CDMA” Mục đích đề tài nhằm nghiên cứu kỹ thuật sử dụng để điều khiển công suất đưa đánh giá hiệu thực ba giải thuật: ExpectationMaximization (EM), Decorrelating estimator (DE), Averaging method (AM) hai loại kênh AWGN Rayleigh Fading từ chọn giải thuật có hiệu điều khiển cơng suất tốt Nội dung luận văn gồm có chương: Chương Tổng quan điều khiển công suất Chương Điều khiển công suất hệ thống CDMA Chương Kênh AWGN Rayleigh Fading Chương Các thuật toán ước lượng cơng suất 83 Trong N chiều dài chuỗi liệu mô A^ i(j) ước lượng thứ i user j với tham số Ai(j) Hình 5.11, 5.12 5.13 hiệu thuật tốn ước lượng cơng suất với user khác hệ thống user Hiệu (MSE) user trở nên khác SNR lớn dB 10 dB với thuật tốn EM DE, tương ứng Điều giải thích sau Bởi mức cơng suất thay đổi kênh Ratleigh Fading, công suất nhận user khác rõ rệt mức SNR trung bình giống Khi SNR cao, MAI trở nên đáng kể hiệu user khơng giống Hơn nữa, DE có kháng cự gần – xa tốt EM, có mức MSE với tất user trừ SNR lớn 10dB Mặt khác, EM chịu MAI SNR lớn 0dB Hình 5.13 phương pháp AM, trừ user 4, có hệ số tương quan chéo nhỏ nhất, tất hiệu user khác không thay đổi đáng kể SNR tăng lên từ –10dB tới 30dB Hình 5.14 so sánh hiệu thực thuật toán tỉ số lượng bit trung bình user Ei với lượng bit user mong muốn Ej thay đổi từ –20dB đến 20dB hệ thống user, i j Chúng ta gọi Ei/Ej 84 Hình 5.11 So sánh kết user khác mức SNR thuật toán EM hệ thống user Fd = 80Hz 85 Hình 5.12 So sánh kết user khác mức trung bình SNR thuật tốn DE hệ thống user Fd = 80Hz 86 Hình 5.13 So sánh kết user khác mức SNR thuật toán AM hệ thống user Fd = 80Hz tỉ số tạp âm tín hiệu Tần số Doppler lớn fd 80Hz SNR = 10dB Số vòng lặp, n, đặt 20 với thuật toán EM Thuật toán EM DE có hiệu giống với user user mong muốn DE thể kháng cự gần – xa tốt với user 1,2 Hiệu thuật toán EM DE với user Hai user có hệ số tương quan chéo lớn hệ thống DE hoạt động tốt mức SNR cao Có thể thấy AM có kết tồi SNR 10dB 0dB (hình 5.15) MSE thuật tốn EM DE gần với tất user tỉ số tạp âm tín hiệu khơng cao Chúng ta nghiên cứu tốc độ hội tụ thuật toán EM với tần số Doppler mức ngưỡng khác Tần số fd = 10Hz 80Hz mức SNR trung bình SNR = 10dB Chúng ta thấy số vịng lặp trung bình tăng lên mức ngưỡng với thay đổi hội tụ từ 10-2 đến 10-4 Cả lựa chọn giá trị ban 87 đầu gần với số trung bình Thuật tốn EM cần tăng số vịng lặp trung bình để đạt mức ngưỡng fd(80Hz) mức thấp fd(10Hz) Khi SNR = 10dB, thuật toán cần nhiều lần lặp để đạt mức ngưỡng kênh AWGN Hình 5.16 hiệu thuật tốn EM với số vịng lặp cố định khác SNR = 10 dB Có thể thấy hiệu với số vòng lặp n = 30 gần, với n = 40 Trong hiệu với n = 10 không cải thiện SNR tăng Hình 5.14 So sánh kết thuật toán với tỉ lệ tạp âm tín hiệu Ei/Ej khác hệ thống user SNR = 10dB, fd = 80Hz n = 20 giá trị khởi đầu = với thuật tốn EM 88 Hình 5.15 So sánh kết thuật toán với tỉ số tạp âm tín hiệu E i/Ej khác hệ thống user SNRj = fd = 80dB n = 20 giá trị khởi đầu = với thuật tốn EM 89 Hình 5.16 Kết EM với số vòng lặp khác fd = 80Hz 90 Kết luận Luận văn nghiên cứu thuật toán : thuật toán Ước lượng xác suất lớn EM, Thuật toán ước lượng giải tương quan DE thuật tốn ước lượng trung bình AM, hệ thống thông tin di động CDMA đa người dùng hai mơ hình kênh AWGN Rayleigh Fading Với điều chế BPSK hệ thống đồng Với kênh AWGN, kết thuật toán so sánh cách sử dụng kết mô MSE thông số khác số user, SNR tỉ số tạp âm tín hiệu Tuy nhiên, loại bỏ MAI mức giá trị SNR cao Bởi hiệu giảm SNR giảm Thuật toán AM có kết thoả mãn điều kiện hạn chế user với hệ số tương quan chéo thấp với user ngưỡng Thuật tốn EM có kết tốt SNR thấp Khả kháng cự lại tượng gần-xa tốt AM giống DE trường hợp Cũng với kênh Rayleigh Fading xem xét trường hợp phân bố biên độ pha khoảng [0 2] Tần số Doppler cao kết Thuật toán DE có khả chống lại gần xa tốt Thuật tốn AM khơng thể cung cấp kết thoả mãn môi trường fading Kết EM đạt giống DE số điều kiện Thuật tốn AM rõ ràng khơng phải lựa chọn tốt phương pháp ước lượng công suất Thuật tốn DE có độ tính tốn phức tạp cao hiệu tốt tình cố định Thuật toán EM lựa chọn tốt thuật tốn ước lượng cơng suất hệ thống CDMA đa người dùng, ứng dụng cho phương pháp ước lượng thông số khác ước lượng trễ cho hệ thống đồng 91 Tài liệu tham khảo [1] Vũ Đức Thọ, “Tớnh toỏn mạng thụng tin di động số Cellular“- Nhà xuất giỏo dục, 2001 [2] Vũ Đức Thọ “Thụng tin di động số Cellular”, Nhà xuất giỏo dục, 1997 [3] Tống Văn Luyờn “ Tổng quan thụng tin di động số cellular CDMA”, Đồ ỏn tốt nghiệp, thỏng – 2002 [4] A Radovic and B Aazhang, “Iterative Algorithms for Joint Data Detection and Delay Estimation for Code Division Multiple Access Communication Systems,” in Proceedings of the 31st Annual Allerton Conference on Commucation, Control and Computing, Allerton House, Monticello, IL, September 19-October 1993, pp 1–10 [5] A.dit Kurrniawan, “Predictive Power Control in CDMA System,” institute for Telecommunication Technology February 2003 [6] thesis [7] Z Liu and M E Zarki, “SIR-based call admission control for DS-CDMA cellular systems,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 12, no 4, pp 638-644, May 1994 [8] C W Sung and W S Wong, “A distributed fixed-step power control algorithm with quantization and active link quality protection,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 48, no 2, pp 553-562, March 1999 [9] A Kurniawan, S Perreau, J Choi, and K Lever, “Closed loop power control in CDMA systems with antenna arrays,” in Proceedings of the 3rd International Conference on Information, Communications, and Signal Processing, October 2001, CD ROM 2A1-1 [10] J Choi, “Low complexity adaptive long-range prediction of fading signals,” unpublished paper Contact: j.choi@unsw.edu.au 92 Phụ lục MATLAB PROGRAMS %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Chuong trinh chinh cua kenh AWGN %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%% num_user – so user %%% G - processing gain %%% H - cross-Ma tran tuong quan cheo %%% SNR – Ti so tin hieu tren nhieu %%% len_data – Chieu dai chuoi du lieu %%% c – Chuoi ngau nhien PN clear all jj=1; num_user=4; G=63; SNR=10; %%% Load H matrix, PN sequences load gold63_63user H=H(1:num_user,1:num_user) c=c(1:num_user,:); %%% Tai chuoi bit ngau nhien PN data(1:num_user,:)=rand(num_user,len_data)>0.50000; %%% Chuyen nhi phan tin hieu hai cuc data=data*2-1; %%% Dat muc cong suat khoi dau diff_power=0; ii=1; p(ii,1)=1/H(ii,ii); for i=1:num_user if i~=ii p(i,1)=10.^((10*log10(p(ii,1))-diff_power)/10)/p(ii,1)/H(i,i); end end A=sqrt(p); %%% Dau sau qua bo loc matched filters [r,rec_seq,y,yy]=awgn63(data,G,c,H,SNR,A); %%% Xu ly thong ke for bit_index=1:len_data R=c*r((bit_index-1)*G+1:bit_index*G)’; %%% Decorrelating estimator A_est_d(:,bit_index)=inv(H)*R; P_est_d(:,bit_index)=A_est_d(:,bit_index).^2; %%% Averaging method 93 A_est_a(:,bit_index)=R./diag(H); P_est_a(:,bit_index)=A_est_a(:,bit_index).^2; %%% Thuat toan EM %%% Co dinh so vong lap va gia tri khoi dau bang %%% Cho gia tri ban dau A_est(1:num_user,1)=zeros(num_user,1); for n=1:20 for i=1:num_user beta(i)=1/num_user; y(i)=0; for j=1:num_user y(i)=y(i)+A_est(j,n)*H(i,j); end A_est(i,n+1)=A_est(i,n)+beta(i)*R(i)/H(i,i) -beta(i)*y(i)/H(i,i); end A_em(:,bit_index)=A_est(:,n+1); end end P_em=A_em.^2; %%% Tinh Mean Square Error (MSE) for i=1:num_user MSE_P_D_user(i,jj)=sum((P_est_d(i,:)-p(i)).^2)/len_data; MSE_P_A_user(i,jj)=sum((P_est_a(i,:)-p(i)).^2)/len_data; MSE_P_em_user(i,jj)=sum((P_em(i,:)-p(i)).^2)/len_data; end mse_a(jj)=sum(MSE_P_A_user(:,jj)); mse_d(jj)=sum(MSE_P_D_user(:,jj)); mse_em(jj)=sum(MSE_P_em_user(:,jj)); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%% %%% Thuat toan EM voi gia tri nguong va gia tri khoi dau co dinh %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% %%%%%%%%%%%%% %%% Nguong th=10^-3; %%% Khoi dau A_est(1:num_user,1)=10^(-4)*ones(num_user,1); n=1; n_stop=500; while n