Điều khiển công suất trong các hệ thống thông tin di động MC CDMA và ABS MC CDMA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRẦN VĂN GIÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG MC-CDMA VÀ ABS MC-CDMA LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội, 2006 MỤC LỤC Trang Lời cảm ơn Mục lục Danh mục hình vẽ, đồ thị MỞ ĐẦU Chương I: Tổng quan MC-CDMA xử lý tín hiệu số MCCDMA I Giới thiệu MC-CDMA, sơ đồ MC-CDMA, cấu trúc phát thu 1 Kết hợp trải phổ miền tần số điều chế đa sóng mang Kết hợp trải phổ miền thời gian điều chế đa sóng mang So sánh hệ thống .9 II Xử lý tín hiệu hệ thống MC-CDMA 10 A Mô hình thời gian liên tục 10 Đồng kênh đa người dùng MC-CDMA .10 Tách sóng đơn người sử dụng MC-CDMA 14 B Mô hình kênh MC-CDMA thời gian rời rạc 18 Điều chế FFT 18 Đơn giản hóa kênh MC-CDMA sử dụng đại số ma trận 21 Nhiễu giao thoa đa người dùng (MUI) kênh MC-CDMA 24 Bộ thu MU dựa vào tách sóng giải tương quan 27 C Các kết mô 30 Chương II: Điều khiển công suất hệ thống MC-CDMA I Giới thiệu .35 II Điều chế đa sóng mang hệ thống CDMA 36 III Các mô hình hệ thống MC-CDMA 38 IV Cô chế điều khiển công suất hệ thống MC-CDMA 44 V Các kết mô .50 VI Kết luận 53 Chương III: Các hệ thống MC-CDMA lựa chọn băng tần thích nghi I Giới thiệu .54 II Truyền liệu băng tần thích nghi 55 1.Tốc độ bit độ lợi xử lý 56 Tổng công suất phát 57 III Truyền liệu tin tức tín hiệu chuẩn 58 IV SNR hệ thống ABS MC-CDMA .61 V Phân tích BER 62 BER hệ thống N/N 1/N .62 Giới hạn giới hạn BER hệ thống M/N 65 VI Các luật định hệ số lựa chọn băng tần 67 Các hệ số lựa chọn băng tần tối ưu 68 Luật dựa vào SNR hệ số lựa chọn băng tần 69 Luật dựa vào công suất hệ số lựa chọn băng tần .70 Độ xác việc lựa chọn băng tần 70 Chất lượng hệ thoáng ABS MC-CDMA 76 Cấp phát lại băng tần cho người sử dụng dùng chuỗi trải phổ 78 Phân tích BER 82 Các kết mô 84 Chu kyø cập nhật lựa chọn băng tần hệ thống ABS MC-CDMA 87 10 Điều khiển công suất hệ thống ABS MC-CDMA .89 11 Kết luận .94 Chương IV: Xây dựng hệ điều khiển công suất hệ thống thông tin di động MC- CDMA logic mờ đánh giá ưu nhược điểm hướng phát triển đề tài 95 I Sơ lược hệ điều khiển mờ .95 Cấu trúc hệ mờ .95 Nguyên lý điều khiển mờ luật điều khiển mờ 98 Các bước để thiết kế điều khiển mờ 99 Phương pháp điều khiển mờ .100 Các điều khiển mờ động .102 II Xây dựng hệ điều khiền công suất hệ thống thông tin di đông MC-CDMA logic mờ, 106 Đặt vấn đề 106 Cấu trúc hệ thống điều khiển công suất logic mờ cho hệ thống thông tin di động MC-CDMA 107 Quaù trình xây dựing điều khiển mờ 109 Phân tích hoạt động hệ thống điều khiển công suất dùng logic mờ, nhận xét kết quả, đánh giá ưu nhược điểm đề tài 134 5.Hướng phát triển đề tài Taøi liệu tham khảo 137 Phuï luïc -1– CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MC-CDMA VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU TRONG CÁC HỆ THỐNG MC-CDMA I Gíơi thiệu MC-CDMA, sơ đồ MC-CDMA, cấu trúc phát thu: OFDM thiết thực fading lựa chọn tần số, nhiên có vài nhược điểm khó khăn việc đồng sóng mang phụ, nhạy offset tần số khuyếch đại khơng tuyến tính Do sơ đồ MCCDMA chắn có số mặt hạn chế Tuy nhiên, kết hợp OFDM với CDMA có ưu điểm lớn tốc độ ký tự sóng mang phụ giảm hay chu kỳ ký tự dài hơn, việc đồng trở nên dễ dàng Các sơ đồ MC-CDMA chia thành hai nhóm Nhóm thứ trải phổ luồng liệu ban đầu mã trải phổ cho trước sau điều chế chip sóng mang phụ khác (hay cịn gọi trải phổ miền tần số) Nhóm thứ hai trải phổ luồng liệu chuyển đối từ nối tiếp sang song song sử dụng mã trải phổ cho trước sau điều chế luồng liệu lên sóng mang phụ khác ( hay gọi trải phổ miền thời gian) Kết hợp trải phổ miền tần số điều chế đa sóng mang Sơ đồ MC-CDMA: Máy phát MC- CDMA trải phổ luồng liệu ban đầu qua sóng mang phụ khác sử dụng mã trải phổ cho trước miền tần số hay nói cách khác phần nhỏ ký hiệu tương ứng với chip mã trải phổ phát sóng mang phụ Ở kênh truyền vơ tuyến hướng xuống có -2– thể sử dụng mã Hadamard Walsh trực giao tối ưu, khơng ý đến tính tự tương quan mã trải phổ Hình 1.1a 1.1b minh họa phát MC-CDMA người sử dụng thứ j sử dụng sơ đồ CBPSK phổ cơng suất tín hiệu phát, với GMC độ lợi (t ) j j j xử lý, NC số sóng mang phụ, C j = C1 C2 CGMC  mã trải phổ người sử dụng thứ j Trong sơ đồ giả sử số sóng mang phụ với độ lợi xử lý ( tức NC=GMC) -3– j C1 C2j j C3 CGj mc C1j cos(2π f1t ) C2j cos(2π f 2t ) ∑ N c = GMC j S MC (t ) aj j GMC aj f1 f2 f3 fGMC cos(2π f1t ) J q11 cos(2π f 2t ) J q12 cos(2π fGMC t ) cos(2π fGMC t ) ∑ J D1 J q1GMC Hình 1.1: Sơ đồ MC-CDMA: a)Bộ phát; b) Phổ cơng suất tín hiệu phát; c) Bộ thu -4– Tuy nhiên, không thiết phải chọn NC=GMC thực tốc độ ký hiệu ban đầu đủ lớn để trở thành đối tượng fading lựa chọn tần số trước tiên tín hiệu cần phải chuyển đổi từ nối tiếp sang song song trước trải phổ qua miền tần số Sở dĩ định fading khơng lựa chọn tần số qua sóng mang phụ việc trưyền đa sóng mang Hình 1.2 minh họa hiệu chỉnh để đảm bảo fading không lựa chọn tần số, với Ts khoảng thời gian ký hiệu ban đầu trước tiên chuỗi liệu ban đầu chuyển đổi thành P chuỗi song song, chuỗi xếp vào sóng mang phụ GMC ( NC=P x GMC) -5– cos(2π f1t ) C1j J a1 ∑ CGj MC cos(2π f1t + (GMC − 1) / Ts )t ) J ap GMC NC = PxGMC Hình 1.2 Sơ đồ MC-CDMA hiệu chỉnh: a)Bộ phát; b)Phổ cơng suất tín hiệu phát; Việc lựa chọn thích hợp số sóng mang phụ khoảng bảo vệ quan trọng để làm tăng khả chống lại fading lựa chọn tần số Kết hợp trải phổ miền thời gian điều chế đa sóng mang: Có sơ đồ tương ứng với loại kết hợp Trong hai sơ đồ cho số sóng mang phụ chúng trở thành sơ đồ DS-CDMA thơng thường -6– a) Sơ đồ DS-CDMA đa sóng mang: j j C1 C3 C2j CGj mc C j (t ) cos(2π f1t ) C j (t ) cos(2π f 2t ) ∑ cos(2π f Nc t ) C j (t ) f1 f2 f3 j S MD (t ) f Nc cos(2π f1t ) C j (t ) cos(2π f 2t ) C j (t ) cos(2π f Nc t ) C j (t ) Hình 1.3: Sơ đồ MC – CDMA: a) Bộ phát; b) Phổ công suất tín hiệu phát; c)Bộ thu Máy phát DS-CDMA đa sóng mang trải phổ luồng liệu chuyển đổi từ nối tiếp sang song song sử dụng mã trải phổ cho trước miền - 134 – Việc điều khiển công suất bước (phương pháp điều khiển BangBang) khơng khắc phục fading sâu sau chu kỳ cập nhật lệnh điều khiển công suất lượng cơng suất phát MS thay đổi từ 0.5 – 1.0 dB Chính vậy, ta sử dụng phương pháp điều khiển mờ Nét đặc trưng điều khiển mờ khắc phục fading sâu, tăng tính ổn định hệ thống Trong q trình xây dựng luật điều khiển mờ, ta thấy phạm vi thay đổi lượng công suất điều chỉnh từ -6dB đến +6dB Khoảng thay đổi rộng so với khoảng thay đổi 05dB – 1.0dB phương pháp điều khiển thơng thường Vì thời gian đáp ứng hệ thống điều khiển mờ nhanh xác trình điều khiển Do chất môi trường truyền dẫn thay đổi chịu nhiều ảnh hưởng fading nhiều tia suy hao Cho nên phân tích hoạt động hệ thống, ta chia làm hai trường hợp: • Mơi trường truyền thay đổi không chịu ảnh hưởng fading Giả sử tổng suy hao tăng ích đường truyền -20dB Khi MS bắt đầu mở máy, chưa nhận kênh lưu lượng đường xuống (chứa bit điều khiển cơng suất) nên phát mức công suất mặc định thấp Mức công suất cộng với suy hao đường truyền (-20dB) nên máy thu trạm gốc công suất thu nhỏ so với giá trị thiết lập (e dương nhiều, e = LP) đồng thời sai số ∆e SP, lúc vào giá trị e ∆e, kết hợp với luật điều khiển mờ điều khiển mờ cho đáp ứng ∆p LP (dương lớn) yêu cầu tăng công suất phát máy MS lên lượng tương ứng với LP (ở khoảnh +6dB) Trên kênh lưu lượng đường xuống, bit điều khiển công suất đưa vào phát xuống cho máy di động MS Sau khoảng thời gian trễ truyền dẫnTp trễ xử lý, MS nhận yêu cầu tăng công suất lên (+6dB) tiến hành thực q trình tăng cơng suất phát yêu cầu Chúng ta lưu ý MS kết hợp điều khiển cơng suất - 135 – vịng hở (dự đoán suy hao đường truyền theo kênh đường xuống) điều khiển cơng suất vịng kín (điều khiển mờ) để đưa công suất phát cuối Quá trình điều khiển lặp lặp lại sau chu kỳ lấy mẫu tín hiệu điều khiển cơng suất (khoảng 1.25 ms theo chuẩn IS-95), cho công suất thu trạm gốc gần với giá trị thu danh định (0dB chẳng hạn) Do trường hợp này, thay đổi suy hao đường truyền nhỏ nên không quan tâm đến giá trị ∆e Tuy nhiên, trường hợp mơi trường thay đổi có fadng nhiều đường ∆e đóng vai trị quan trọng việc dự đốn có khả xảy fading sâu hay khơng để từ đưa cơng suất phát cho MS đảm bảo bù lượng suy hao fadng sâu suy hao đường truyền lớn • Mơi trường thay đổi nhiều có fading nhiều đường Khi mở máy di động, trình điều khiển công suất thực tương tự Lúc mức công suất thu trạm gốc gần lý tưởng Tuy nhiên, đặc tính di động chất lượng tín hiệu mức cơng suất thường thay đổi đột ngột Một ví dụ đơn giản máy di động ngồi tịa nhà cao tầng khơng chịu ảnh hưởng hiệu ứng che khuất nên MS phát công suất vừa đủ cho BS mà đảm bảo chất lượng tín hiệu Nhưng MS vào tịa nhà cao tầng ảnh hưởng hiệu ứng che khuất, công suất phát giảm đáng kể từ làm giảm chất lượng dịch vụ Căn vào e ∆e mà BS biết MS cần tăng công suất phát Bộ điều khiển mờ dựa vào ∆e, biết đường bao cơng suất có khuynh hướng xuống (suy hao tăng mạnh) Từ đưa đáp ứng ∆p tương ứng yêu cần MS tăng công suất phát Do khả bù trừ suy hao fading đường truyền tốt có thời gian đáp ứng nhanh, lượng công suất bổ sung lớn khoảng thay đổi rộng Còn trường hợp máy di động khỏi tòa nhà, lúc MS phát mức công suất cao, không yêu cầu MS giảm nhanh - 136 – mức cơng suất phát xảy tượng vượt mức công suất thu định mức (overshoot) Khi mức công suất thu trạm gốc qua mức 0dB (giá trị định mức thu) Bô điều khiển mờ dựa vào dấu ∆e (dương hay âm) mà biết đường bao cơng suất có khả lên hay xuống Nếu ∆e>0, mức công suất thu xuống chậm, ∆e >>0 xuống tương đối nhanh ∆e >>>0 cơng suất giảm mạnh (có khả xảy fading sâu) Ngược lại, ∆e < cơng suất tăng nhẹ, ∆e Chỉ Pn có giá trị âm đạt SNR G , cơng suất có giá trị vơ hạn đạt K −1 G Do đạt SNR chuẩn với giá trị SNR chuẩn γ out = K −1 G công suất hữu hạn trừ SNR chuẩn có giá trị nhỏ K −1 chuẩn γ out > - 143 – x SNRn = f snr ( Pn )  → γ out ≥ G < Pn < ∞ K −1 Theo định nghĩa SNR chuẩn có giá trị lớn G K −1 đạt SNR chuẩn với công suất hữu hạn hệ thống CDMA tương ứng không ổn định PHỤ LỤC C LẤY ĐẠO HÀM BIÊN TRÊN SỬ DỤNG BER Dưới điều kiện kênh truyền fading Rayleigh AWGN, xác suất lỗi bit cho bỡi αi là:   2σ ( K − 1) σ  −0.5    G.P + P(e α i ) = Q  α i  = Q  α i  α  , 2   − + ( K 1) P G G.P   σ σ α     ∞ −t2 /2 với Q[·] hàm Q định nghĩa sau: Q(x) = ∫e dt 2π x với x > Dưới điều kiện kênh truyền fading Rayleigh, SNR xác định sau: −1  ( K − 1) 2.σ α2 P σ2  = + SNR =  , 2.σ α2 ( K − 1).P σ  G G.2σ α2 P  + G G 2.σ ( K − 1) σ + Đặt y = α tích phân P(e α i ) theo α i , xác suất G G P lỗi bit là:   P(e) = ∫ P(e αi ) f (αi )dαi = 1−   1+ y.σα2  ∞ Nếu công suất tín hiệu mong muốn tiến đến vơ xác suất lỗi bit tốt đạt sau: 2.σ α2 ( K − 1) y ' = lim y = , G p →∞ - 144 –   1   p ( e ) < = − 1−   ,  1+ y '.σα−2   1+ y.σα2  1 G = = > 1+ y '.σα2 G + 2(K −1) 1+ 2(K −1) 1+ G SNR Từ bất phương trình trên, biên SNR đạt là: SNR < G K −1 PHỤ LỤC D CÁC MỨC QUYẾT ĐỊNH CỦA LỆNH ĐIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT XÉT THEO KÍCH CỠ BƯỚC NHẢY Xét sơ đồ điều khiển công suất băng tần ổn định sử dụng loại bit lệnh: tăng công suất, giảm công suất khôn thay đổi Nếu SNR gần SNR mong muốn trạm gốc gửi lệnh điều khiển công suất không thay đối Lệnh điều khiển công suất định sau: Lệnh điều khiển công suất= -1, SNRi(k) ≥ γ + ε dB, 0, γ – ε ≤ SNRi(k) < γ + ε dB, 1, γ – ε > SNRi(k) dB với ε băng tần ổn định Giả sử nhiễu giao thoa từ người sử dụng khác số vùng ổn định SNR ban đầu chọn ngẫu nhiên, MSE nhận từ vùng ổn định - 145 – Hình D.1: Giá trị SNR vùng ổn định Trong sơ đồ điều khiển công suất bước cố định có loại bit lệnh, biến ngẫu nhiên X hình D.1 có phân bố đồng đoạn [0, (1-10-0.1∆p).γ*], với PDF X sau: f x ( x) = γ *.(1 − 10−0.1∆p ) đoạn [0, (1-10-0.1∆p).γ*] Khi SNR có hai giá trị sau: SNRab= γ*-X , với 0.5 (γ*-X).100.1∆p , với 0.5 SNR theo thang dB là: 10log10(γ*-X) , với 0.5 10log10(γ*-X)+∆p , với 0.5 SNRdB= { Do sai số bình phương trung bình SNR theo thang dB } MSE ( SNRdB − γ *dB ) SNRdB (0) < γ *dB , ε = 2    γ * − X     γ * − X  = E 10 log10    + ∆p.E 10 log10     + 0.5.(∆p) γ γ * *         - 146 – Định nghĩa biến ngẫu nhiên Z = γ *−X ; Z có phân phối γ* đồng đoạn [10-0.1∆p,1], với PDF Z là: fz (z) = [10-0.1∆p,1] −0.1.∆p − 10 Đặt Y = 10.log10Z, Z = 100.1Y Z’ = 0.1loge(10).100.1Y Do PDF Y là: f y ( y) = log e (10) 100.1.Y [-∆p.0] 10.(1 − 10−0.1∆p ) MSE có từ giá trị E[Y] E[Y2] Vì { } MSE ( SNRdB −γ *dB ) SNRdB (0) < γ *dB,ε = = E[Y2] +∆pE [Y]+0.5.(∆p)2 Biến ngẫu nhiên Y định nghĩa lại để tính tốn MSE trường hợp băng tần ổn định ε nhỏ không Y= Y1 Y2 Y3 ε ≤ Y < ∆p – ε ≤ Y < ε ∆p – ε ≤ Y < ∆p PDF Y1, Y2, Y3 sau: log e (10) 100.1.Y1 f y ( y1 ) = 0.1( 0.1.ε ∆p −ε ) 10.(10 − 10 ) f y2 ( y ) = fy3 (y3) = log e (10) 100.1.Y2 0.1.ε 10.(10 − 1) loge (10) 100.1.Y3 0.1.∆p 0.1.(∆p−ε ) 10.(10 −10 ) đoạn [ε, ∆p – ε], đoạn [0, ε], đoạn [∆p – ε,∆p] Sai số bình phương trung bình với SNRdB(0) viết lại sau: MSE1 = Pr(Y = Y1 ).MSE (Y1 ) + Pr(Y = Y2 ).MSE (Y2 ) + Pr(Y = Y3 ).MSE (Y3 ) , với MSE (Y1 ) = E[Y12 ] − ∆p.E[Y1 ] + 0.5.(∆p ) , MSE (Y2 ) = E[Y22 ] , MSE (Y3 ) = E[Y32 ] − 2∆p.E[Y3 ] + ( ∆p ) Trong trường hợp SNR ban đầu nhỏ SNR mong muốn ta có kết giống cách lấy đối xứng Do sai số bình phương trung bình xác định bởi: MSE(ε,∆p) - 147 –     20(10 − ∆p.ln(10)) + ( ∆p.ln(10))  10 0.1.∆p − 20 0.1.∆p 10 −   ln(10)   ∆p  0.1.∆p − ((∆p − ε )ln(10) −10).100.1( ∆p −ε ) −  [ ∆p.ln(10) −10].10 ln(10)  = { }   0.1.∆p − (100.1ε −100.1(∆p−ε ) )  −[ε ln(10) −10].100.1ε  +(∆p) 10     Cực tiểu hóa hàm MSE: Đặt MSE hàm chi phí phải làm cực tiểu, cực tiểu hóa kích cỡ bước theo ε sau: MSE (ε , ∆p) , ε với giả thuyết ε ≥ ∆p > Lấy đạo hàm lần thứ MSE(ε,∆p) theo ε ta được: ∂MSE (ε , ∆p ) ∂ε = ∆p 10 0.1 ∆p   −1  −100.1(∆p−ε ) −[ ∆p.ln(10) −ε.ln(10) −10].0.1.100.1(∆p−ε )  +100.1ε + [ε ln(10) − 10] 0.1.100.1ε  − ∆p ln(10).(100.1ε − 100.1( ∆p −ε ) )  20  ∆p.100.1ε ln(10)  ∆p  0.1(∆p−2ε ) = 0.1.∆p +ε − 1−100.1(∆p−2ε)  (ε −∆p).10 10 −1 10   Khi ∂MSE (ε , ∆p ) ∆p = ε = , ta có điểm dừng ε = 0.5∆p ∂ε Lấy đạo hàm lần thứ hai: ∂2MSE(ε, ∆p) ∆p ln(10)  =  100.1(∆p−ε ) −0.1ln(10).ε.100.1(∆p−ε ) 0.1.∆p ∂ε 10 −1 10  +0.1.ln(10).∆p.100.1(∆p−ε ) +100.1ε + 0.1.ln(10).ε.100.1ε  −0.05.ln(10).∆p.100.1ε −0.05.ln(10).∆p.100.1(∆p−ε )   Đặt Z1 = 10 0.1( ∆p −ε ) Z = 0.1.ln(10).∆p.100.1( ∆p −ε ) , Z = 0.1ln(10).ε 100.1( ∆p −ε ) , Z = 10 0.1ε , Z = 0.1.ln(10).ε 10 0.1ε , , Z = 0.05.ln(10).∆p.100.1ε Z = 0.05.ln(10).∆p.100.1( ∆p −ε ) ; độ lồi hàm chi phí minh họa sau: Trường hợp I: ∆p > 2ε ∆p < 20 - 148 – Khi Z4 – Z6 > 0, Z3 – Z2 > Z1 – Z7 > 0, ∂ MSE (ε , ∆p) >0 ∂ 2ε Trường hợp II: ∆p > 2ε ∆p > 20 Khi Z3 – Z2 – Z7 > Z1 + Z4 + Z5 – Z6 >0, ∂ MSE (ε , ∆p) >0 ∂ 2ε Trường hợp III: ∆p < 2ε ∆p < 20 ∂ MSE (ε , ∆p) >0 Khi Z4 – Z6 > 0, Z5 – Z2 > Z1 – Z7 > 0, ∂ 2ε Trường hợp IV: ∆p < 2ε ∆p > 20 Khi Z5 – Z6 – Z7 > Z1 + Z3 + Z4 – Z2 > 0, ∂ MSE (ε , ∆p) >0 ∂ 2ε Trường hợp V: ∆p = 2ε ∆p = 20, ∆p = 2ε ∆p < 20, ∆p = 2ε ∆p > 20 Rõ ràng ∂ MSE (ε , ∆p) > Khi hàm chi phí hàm lồi, hàm MSE đạt ∂ 2ε cực tiểu ε = 0.5∆p ... hệ thống ABS MC- CDMA 87 10 Điều khiển công suất hệ thống ABS MC- CDMA .89 11 Kết luận .94 Chương IV: Xây dựng hệ điều khiển công suất hệ thống thông tin di động MC- CDMA logic... dụng hệ thống CDMA có dạng giống hệ thống MC- CDMA dựa băng tần IV Cơ chế điều khiển công suất hệ thống MC- CDMA: Dung lượng hệ thống MC- CDMA bị giới hạn nhiễu người sử dụng khác hệ thống CDMA. .. Các điều khiển mờ động .102 II Xây dựng hệ điều khiền công suất hệ thống thông tin di đông MC- CDMA logic mờ, 106 Đặt vấn đề 106 Cấu trúc hệ thống điều khiển công suất