Nâng cao dung lượng hệ thống cdma bằng phương pháp điều khiển mù trong dàn an

MỤC LỤC Phần mở đầu Chương Tổng quan giàn anten thích nghi 12 1.1 Dàn anten thẳng có khoảng cách cố định 12 1.2 Tạo mẫu xạ lọc không gian 12 1.3 Mẫu xạ khoảng cách 12 1.4 Giàn thích ứng 12 1.5 Tổng kết 12 Chương Tổng quan thuật tốn tạo mẫu xạ thích nghi 12 2.1 Giới thiệu 12 2.2 Thuật tốn thích nghi có huấn luyện 12 2.2.1 Giải pháp Wiener 12 2.2.2 Phương pháp đường độc 12 2.2.3 Thuật tốn trung bình bình phương tối thiểu 12 2.2.4 Thuật tốn bình phương tối thiểu đệ quy 12 2.3 Thuật tốn thích nghi mù 12 2.3.1 Thuật toán dựa việc ước lượng góc tới tín hiệu 12 2.3.2 Thuật tốn dựa kỹ thuật khơi phục giá trị 12 2.3.3 Thuật toán dựa đặc điểm phương pháp mã hoá 12 2.3.4 Một số thuật tốn thích nghi mù khác 12 2.4 Tổng kết 12 Chương Thuật toán tạo mẫu xạ dùng mô 12 3.1 Giới thiệu 12 3.2 Tạo mẫu xạ đa đích 12 3.3 Thuật tốn modul khơng đổi bình phương nhỏ đa đích 12 3.4 Thuật toán định trực tiếp 12 3.5 Giàn đa đích tái trải phổ, giải trải phổ bình phương nhỏ 12 3.6 Thuật tốn modul khơng đổi đa đích tái trải phổ, giải trải phổ bình phương nhỏ 12 3.7 Tổng kết 12 Chương Kết mô đánh giá 12 Tài liệu tham khảo xy Danh mục chữ viết tắt ACP AOA AWGN cộng BER BS CDMA CM DOA DPSK DS FIR FSK GSO LMS LS LS-DRMTCMA LS-DRMTA LSCMA MT-DD MT-LSDD MT-SDDD MT-LSCMA PN PSK Adaptive Control Processor - Bộ xử lý điều khiển thích nghi Angle of Arrival - góc tới Additive White Gaussian Noise- tạp âm Gauss trắng Bit Error Ratio - Tỷ lệ lỗi bit Base Station – Trạm gốc Code Division Multiple Access - Đa truy nhập phân chia theo mã Constant modulus - thuật tốn modul khơng đổi Direction of arrival - Hướng tới Differential phase-shift keying - Khoá dịch pha vi sai Direct Sequence – Chuỗi trực tiếp Frequency shift keying - Khoá dịch tần Gram-Schmidt orthogonalization - thủ tục trực giao Gram-Schmidt Least mean square - Trung bình bình phương nhỏ Least square - Bình phương nhỏ Least-squares despread respread multitarget constant modulus algorithm - thuật tốn modul khơng đổi tái trải, giải trải bình phương nhỏ least-squares despread respread multitarget array - giàn đa đích tái trải, giải trải bình phương nhỏ Least-squares constant modulus algorithm - thuật tốn modul khơng đổi bình phương nhỏ Multitarget decision directed - thuật tốn định trực tiếp đa đích Multitarget least-squares decision directed - thuật tốn định trực tiếp bình phương nhỏ đa đích Multitarget steepest-descent decision directed - thuật tốn định trực tiếp độc mức đa đích Multitarget least-squares constant modulus algorithm thuật tốn modul khơng đổi bình phương nhỏ đa đích Pseudo noise - Tạp âm giả ngẫu nhiên Phase shift keying - Khoá dịch pha Recursive least squares - Bình phương tối thiểu đệ quy Uniformly Linear Array - Giàn thẳng khoảng cách cố định Danh mục hình vẽ đồ thị RLS ULA 1.1 : Sóng phẳng tới giàn có khoảng cách cố định từ hướng  1.2 : Bộ tạo mẫu xạ băng hẹp 1.3 : Bộ tạo mẫu xạ băng rộng lấy mẫu không gian thời gian 1.4 : Bộ lọc FIR dùng miền thời gian 1.5 : Mẫu xạ tạo mẫu xạ co trọng số trường hợp có phần tử cách khoảng cách phần tử 1/2 bước sóng 1.6 : Mẫu xạ trường hợp trình bày toạ độ cực 1.7 : Một dàn thích nghi băng hẹp đơn giản 3.1 : Bộ tạo mẫu xạ thích nghi đa đích với M anten thành phần Q cổng 3.2 : Giàn thích nghi LS-CMA đa đích 3.3 : Thủ tục xếp MT-LSCMA hệ thống CDMA 3.4 : Cấu trúc tạo mẫu xạ sử dụng LS-DRMTA 3.5: Sơ đồ khối LS-DRMTA user thứ i 3.6 : Cấu trúc tạo mẫu xạ dùng LS-DRMTCMA 3.7 : Sơ đồ khối LS-DRMTCMA cho user thứ i 4.1: Giản đồ tăng ích giàn anten hệ thống 4.2: Giản đồ tăng ích giàn anten hệ thống biểu diễn toạ độ cực 4.3: Giản đồ tăng ích ứng với trọng số thứ 4.4: Giản đồ tăng ích ứng với trọng số thứ 4.5: Giản đồ tăng ích ứng với trọng số thứ 4.6: Sự hội tụ chuẩn véc tơ trọng số w1 w2 (SNR = 10) 4.7: Tỷ lệ lỗi bit hệ thống CDMA truyền thống MT-LSCMA CDMA Danh mục bảng: 4.1: Các mã Gold sử dụng chương trình mơ 4.2: Các tham số hệ thống Lời mở đầu Nhu cầu dịch vụ thông tin di động ngày tăng mạnh, phổ tần số vơ tuyến cấp không đổi thúc đẩy nghiên cứu nhằm tăng khả sử dụng tần số Cơng nghệ CDMA giàn Anten thích nghi hướng tiếp cận tới khả tăng hiệu sử dụng phổ Giàn anten thích nghi có khả tự động định hướng xạ theo hướng tín hiệu mong muốn triệt tiêu hướng nhiễu Sử dụng anten thích nghi hệ thống CDMA giảm số lượng nhiễu đồng kênh từ đối tượng sử dụng khác cell cell lân cận tức dung lượng hệ thống tăng lên Hiện có nhiều thuật tốn thích nghi dùng giàn anten thích nghi Tuy nhiên giàn thích nghi dùng hệ thống CDMA, nhiều đối tượng sử dụng chiếm dải tần số nên thuật tốn thích nghi phải có khả phân biệtvà tách đồng thờí tín hiệu đối tượng sử dụng Do thuật tốn thích nghi khơng dùng chuỗi huấn luyện ưu tiên sử dụng Các thuật tốn cịn gọi thuật tốn mù Hiện có số thuật tốn thoả mãn điều kiện Vì với thuật tốn tốn cần so sánh với thuật tốn cũ để chọn thuật tốn tối ưu Vơí mục đích trên, tơi làm luận văn “Ứng dụng Anten thơng minh mạng thông tin trải phổ CDMA” Mục tiêu luận văn phát triển thuật tốn thích nghi cho giàn anten dùng hệ thống CDMA Luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan giàn anten thích nghi Giới thiệu tổng quan giàn anten thích nghi, thuật ngữ khái niệm liên tới tạo mẫu xạ thích nghi Mối quan hệ tương quan tạo mẫu xạ băng hẹp với lọc FIR đề cập tới Chương 2: Tổng quan thuật toán tạo mẫu xạ thích nghi Giới thiệu thuật tốn tạo mẫu xạ thích nghi bao gồm thuật tốn có huấn luyện khơng có huấn luyện Đối với thuật tốn có huấn luyện, hai thuật toán LMS RLS đề cập Đối với thuật tốn khơng có huấn luyện, thuật tốn dựa việc ước lượng góc tới tín hiệu, thuật tốn dựa kỹ thuật khơi phục giá trị, thuật tốn dựa đặc điểm phương pháp mã hoá đề cập Chương : Thuật toán tạo mẫu xạ dùng mô Chương giới thiệu thuật tốn tạo mẫu xạ thích nghi mù đa đích dùng mơ MT-LSCMA, MTDD, LSDRMTA LS-DRMTCMA Trong LS-DRMTA LSDRMTCMA thuật tốn nghiên cứu luận văn Khơng giống MT-LSCMA MTDD, thuật toán sử dụng thơng tin tín hiệu trải đối tượng hệ thống CDMA để hiệu chỉnh vector trọng số giàn Chương 4: Kết mô đánh giá Chương trình bày kết mơ thuật tốn thích nghi khác Các thuật tốn so sánh dựa tiêu chí đánh giá tỷ số lỗi BER Ngoài ra, chương trình bày số đánh giá độ hội tụ thuật toán huấn luyện trọng số hệ thống MT-LSCMA CDMA Chương Tổng quan giàn anten thích nghi Một giàn anten bao gồm số lượng anten thành phần phân bố theo khơng gian vị trí cố định Bằng cách thay đổi pha biên độ dịng kích thích anten thành phần, qt chùm xạ theo hướng triệt tiêu hướng khác Các anten thành phần xếp theo kiểu khác nhau, phổ biến kiểu đường thẳng, vòng tròn hay mặt phẳng Trong trường hợp xếp thẳng hàng, tâm anten thành phần giàn gióng thành đường thẳng Nếu khoảng cách anten thành phần gọi giàn thẳng có khoảng cách cố định ULA Giàn anten gọi giàn tròn tâm anten thành phần nằm đường tròn Giàn anten gọi giàn phẳng tâm antenthành phần nằm mặt phẳng đơn Cả hai kiểu giàn tròn thẳng trường hợp đặc biệt giàn phẳng Các giàn anten khác anten thành phần xếp tương ứng với hình dạng khác có tên gọi tương ứng Kiểu phát xạ giàn anten xác định kiểu phát xạ, hướng liên quan vị trí anten thành phần, biên độ pha dịng ni Nếu thành phần giàn nguồn điểm đẳng hướng kiểu phát xạ giàn phụ thuộc hình dạng dịng ni giàn, kiểu phát xạ coi hệ số giàn Nếu thành phần giàn tương tự không đẳng hướng, kiểu phát xạ giàn tính tốn dựa hệ số giàn kiểu anten thành phần 1.1 Giàn thẳng khoảng cách cố định Xét giàn thẳng khoảng cách cố định với M thành phần hình 1.1 Trên hình 1.1, thơng số giàn gồm có d: khoảng cách thành phần giàn,  : hướng tới sóng phẳng tới giàn  gọi hướng tới DOA hay góc tới AOA tín hiệu nhận được, tính theo chiều kim đồng hồ từ bề mặt giàn Tín hiệu nhận anten thành phần : ~ x1  u (t ) cos(2f ct   (t )   ) (1.1) fc : tần số sóng mang tín hiệu điều chế ~ x : thành phần mang tin u (t ) : biên độ tín hiệu  : pha ngẫu nhiên x1  u (t ) exp{ j ( (t )   )} (1.2) ~ x1  Re[ u (t ) exp{ j ( (t )   )}] (1.3) Nếu tín hiệu xuất phát từ xa giàn truyền qua môi trường không tán sắc, gây trễ truyền dẫn, tín hiệu đầu thành phần khác biểu diễn thời gian trễ so với tín hiệu thành phần Từ hình 1.1 ta thấy mặt sóng phẳng thành phần phải truyền qua khoảng dsin() để tới thành phần thứ Thời gian trễ để tryuền khoảnh cách  d sin  c (1.4) C: vận tốc ánh sáng Súng phẳng mặt phẳng tới súng d sin   M i d Phần tử tham chiếu Hình 1.1 : Sóng phẳng tới giàn có khoảng cách cố định từ hướng  Khi tín hiệu nhận anten thành phần thứ ~ x (t)= ~x1 (t - ) = u(t - ) cos (2fc(t - ) + (t - ) + ) (1.5) Khi tín hiệu nhận anten thành phần thứ ~ x (t)= ~x1 (t - ) = u(t - ) cos (2fc(t - ) + (t - ) + ) (1.5) Nếu tần số tín hiệu sóng mang fc tương đương với băng thơng tín hiệu đến giàn, tín hiệu điều chế trường cận tĩnh khoảng thời gian  Biểu thức (1.5) biểu diễn thành x (t)= u(t) cos (2fct - 2fc  + (t) + ) (1.6) Đường bao phức x (t) tính theo cơng thức sau : x (t) = u(t) exp{j(- 2fc  + (t) + )} = x1 (t) exp{-j(2f c)} (1.7) Từ biểu thức (1.7) ta thấy ảnh hưởng trễ tín hiệu biểu diễn khái niệm dịch pha exp{-j(2fc)} Thay (1.4) vào (1.7) ta có : x (t)= x1 (t) exp{-j(2f c = x1 (t) exp{-j( 2  d sin  )} c d sin )} (1.8) Trong  bước sóngcủa sóng tới Tương tự, thành phần thứ i, ường bao phức tín hiệu nhận tính theo cơng thức : x i (t) = x1 (t) exp{-j( 2  (i-1) d sin  )} i=1, ,m (1.9) Đặt  x (t)   x (t)    x(t) =      x M (t) (1.10)   2 e - j  dsin  a() =   2 e - j  (M-1)dsin          (1.11) Khi biểu thức (1.9) biểu diễn dạng vector sau x(t)=a()x1 (t) (1.12) Vector x(t) gọi vector liệu vào hay vector nguồn, vector a() gọi véc tơ điều khiển Véc tơ điều khiển hay gọi véc tơ hướng, vector giàn, vector đáp ứng giàn, vector DOA, vector độ Trong trường hợp này, vector điều khiển đơn có chức góc tới Trong trường hợp tổng qt, vector điều khiển cịn có thêm chức đáp ứng phần tử thành phần, kết cấu giàn tần số tín hiệu Tập hợp vector điều khiển cho góc tần số gọi mảng manyfold Trong số giàn đơn giản giàn thẳng có khoảng cách cố định, mảng manyfold tính tốn tự động Trong thực tế, mảng manyfold xem đáp ứng nguồn điểm v i (1) v i (1) v i (1) v i (1) ViCM (3.28) v i (1) v i (1) Từ biểu thức (3.26) (3.22) ta có : D ( wi ) D H ( wi ) H XViCM ViCM XH XX H , (3.29) vi (1) D ( wi ) g wi XViCM v i ( 2) vi ( K ) vi (1) X vi (2) vi ( K ) (3.30) Xv i X ( yi (3.31) ri ) [vi (1), vi (2), , vi ( K )] T (3.32) y i [ y i (1), y i (2), , y i ( K )] (3.33) ri [ri (1), ri (2), , ri ( K )] T (3.34) Vector yi vector liệu đối tượng sử dụng i ri ước lượng dạng sóng tín hiệu đối tượng sử dụng i khoảng bit Thay (3.29) (3.31) vào (2.42) ta có: vi T wi (l 1) wi (l ) XX H wi (l ) XX H XX H X ( yi (l ) ri (l )) XX H wi (l ) XX H Xri (l ) (3.35) Xri (l ) yi(l) ri(l) vector liệu ước lượng dạng sóng tín hiệu khoảng bit tương ứng với vector trọng số wi lần lặp thứ l Tương tự với LS-CMA, LS-DRMTA hiệu chỉnh vector trọng số sử dụng khối liệu vào khác lần lặp Đặt : X (l ) x(1 lK ), x(2 lK ), , x((l 1) K ) l 0,1, ,L, (3.36) L số lần lặp cần thiết để thuật toán hội tụ K số mẫu liệu bit (NcNs) Trên hình 3.4, LS-DRMTA đối tượng sử dụng i tính theo biểu thức : yi (l ) wiH (l ) X (l ) T yi (1 lK ), yi (2 lK ), ,yi ((l 1)K ) (3.37) (1 l ) K ^ b il T sgn Re yi (k )ci (k k i) (3.38) k lK ^ ri (l ) b il [ci (1 lK k i ), ci (2 lK k i ), ci ((1 l ) K k i )]T (3.39) wi (l 1) [ X (l ) X H (l )] X (l )ri (l ), (3.40) c i(k) mẫu thứ k tín hiệu trải cảu đối tượng sử dụng i, k i số ^ mẫu tương ứng với thời gian trễ i, b il ước lượng bit thứ l đối tượng sử dụng Tổng tích lũy biểu thức (3.38) tương ứng với tích phân miền thời gian liên tục Ta tóm tắt LS-DRMTA sau : - Khởi tạo p vector trọng số w1, ,wp p vector cột đồng với thành phần thành phần khác - Tính tốn vector dàn biểu thức (3.37) - Giải trải tín hiệu đối tượng sử dụng i ược lượng bit liệu thứ n biểu thức (3.38) - Tái trải bit liệu ước lượng với mã PN đối tượng sử dụng i để ước lượng dạng sóng tín hiệu khoảng bit [(n-1)Tb,nTb] biểu thức (3.39) - Hiệu chỉnh vector trọng số wi đối tượng sử dụng i biểu thức (3.40) - Lặp lại bước từ tới thuật toán hội tụ Trong biểu thức (3.39), l=0 có số số nhỏ 0, nhiên chuỗi PN có chu kỳ T b tương đương với khoảng k miền thời gian rời rạc nên số k