nghiên cứu, thiết kế kỹ thuật phân tập không gian - thời gian cho đường xuống của tín hiệu WCDMA

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông nghiên cứu, thiết kế kỹ thuật phân tập không gian - thời gian cho đường xuống của tín hiệu WCDMA

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMAGiới thiệu chung

Trong những năm gần đây, công nghệ không dây là chủ đề được nhiều chuyêngia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông Trong thời gian này côngnghệ này được rất nhiều người sử dụng và đã trải qua rất nhiều thay đổi Quá trìnhthay đổi thể hiện qua các thế hệ:

 Thế hệ không dây thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệđa truy cập phân chia theo tần số (FDMA).

 Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ đa truy cập phân chia theothời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).

 Thế hệ thứ 3 ra đời đánh giá sự nhãy vọt nhanh chóng về cả dung lượng vàứng dụng so với các thế hệ trước đó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ đa phơngtiện gói.

1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1

Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử

dụng kỹ thuật điều chế tương tự để mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụngphương pháp đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) Với FDMA, khách hàngđược cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số Sơđồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn để hoạt động thìnó dò sóng tìm đến kênh điều khiển dành riêng cho nó Nhờ kênh này, MS nhậnđược dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng ngườidùng Trong trường hợp số thuê bao nhiều hơn số lượng kênh tần số có thể, thì mộtsố người bị chặn lại không được truy cập.

Phổ tần số quy định cho liên lạc di động được chia thành 2N dải tần số kế tiếp, vàđược cách nhau bởi một dải tần số phòng vệ Mỗi dải tần số được gán cho mộtkênh liên lạc N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phâncách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống.

Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced MobilePhone System) Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản.Tuy nhiên, hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cảdung lượng và tốc độ Vì thế, hệ thống di động thứ 2 ra đời được cải thiện về cảdung lượng và tốc độ.

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2

Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên côngnghệ số.

Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số và sửdụng 2 phương pháp đa truy cập :

- Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.- Đa truy cập phân chia theo mã CDMA.

Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:

Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tầnliên lạc này được dùng cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời giantrong chu kì một khung Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen khethời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung.

Đặc điểm:

- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số

- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trongđó một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di độngvà một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến trạm gốc Việcphân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt động cùngmột lúc mà không có sự can nhiễu lẩn nhau.

- Giảm số máy thu ở BTS.- Giảm nhiểu giao thoa.

Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống di động toàn cầu GSM Máy di động kỹthuật số TDMA phức tạp hơn FDMA Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MStương tự có khả năng xử lý không quá 106 lệnh trong 1 giây, còn trong MS sốTDMA phải có khả năng xử lý 50.106 lệnh trong 1 giây.

Đa truy cập phân chia theo mã CDMA:

Trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sửdụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà khôngsợ gây nhiễu lẫn nhau Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờmã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, được cấp phát khác nhau cho mỗi người sử dụng.

2

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3:

Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của người sửdụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệthứ 3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 đưa ra các muctiêu chính sau:

- Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cậpInternet nhanh hoặc các dịch vụ đa phương tiện.

- Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện thoạivệ tinh Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng của các hệthống thông tin di động.

- Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự pháttriển liên tục của thông tin di động.

3G hứa hẹn tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh , 384 Kbpscho người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto Công nghệ3G dùng sóng mang 5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz như của CDMAnên 3G nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G Nhiều tiêu chuẩn cho hệthống thông tin di động thế hệ 3 ITM-2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thốngWCDMA và cdma-2000 đã được ITU chấp thuận và đang được áp dụng trongnhững năm gần đây Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này chophép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô tuyến.

1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (GSM) lênWCDMA

Hình 1.1 Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên

Để đảm bảo ứng dụng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hìnhảnh đồng thời đảm bảo tính kinh tế , hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sẽ đượcchuyển đổi sang thế hệ 3 Quá trình đó được tổng quát trên hình 1.1.

Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA như sau:

WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia

theo mã băng rộng) là một trong những hệ thống thông tin di động thế hệ 3, sử dụngcông nghệ CDMA Công nghệ CDMA ( Code Division Multiple Access: Đa truycập phân chia theo mã), là một công nghệ không dây, số sử dụng kỹ thuật trải phổđể phân tần tín hiệu vô tuyến trong một dãi tần số rộng Trong công nghệ CDMA,nhiều người sử dụng chung một thời gian và tần số Mã PN (giả ngẫu nhiên) với sựtương quan chéo thấp, được ấn định cho mỗi người sử dụng Người sử dụng truyềntín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định Đầu thu tạo ramột dãy PN như đầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngượccác tín hiệu đồng bộ thu được Cũng giống như TDMA, WCDMA là một trongnhiều công nghệ chủ đạo để mạng thông tin di động hoạt động Nó cũng được biếtnhư là một giao diện vô tuyến hay công nghệ đa truy xuất WCDMA là một giaodiện vô tuyến phức tạp và tiên tiến trong lĩnh vực thông tin di động WCDMA có 2chế độ khác nhau là FDD và TDD Khả năng làm việc được ở cả hai chế độ FDD vàTDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau.

FDD (Frequency Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đótruyền dẫn đường lên và đường xuống sử dụng hai tần số riêng biệt Ở FDD đường

lên và đường xuống sử dụng hai băng tần khác nhau Hệ thống được phân bố mộtcặp băng tần riêng biệt

TDD (Time Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đó đườnglên và đường xuống được thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử dụng nhữngkhe thời gian luân phiên Ở TDD các khe thời gian trong các kênh vật lý được chiathành hai phần : phần phát và phần thu Thông tin đường xuống và đường lên đượctruyền dẫn luân phiên.

Ba thông số cơ bản của mạng WCDMA:

 Lớp truy nhập: được tạo ra bởi các trạm gốc (node B) và các bộ điều khiểnmạng vô tuyến khác nhau để phân tích và điều khiển lưu lượng vô tuyến.

 Mạng lõi có hai vai trò chính :

 Giải quyết việc định hướng hay định tuyến đến nơi mà cuộc gọi hoặc số liệugửi đến Phương tiện cơ bản là sử dụng hệ thống chuyển mạch để định tuyến thôngtin qua một số máy chủ khác nhau xung quanh mạng.

 Là một mạng đường trục và giải quyết các chức năng kỹ thuật, khả năng truynhập thuận tiện tới mạng số liệu gói khác, cung cấp một giao diện với Internet vàphân loại thông tin tính cước và bảo mật.

 Lớp dịch vụ điều khiển các ưu tiên, các đặc tính và khả năng truy nhập cơbản của thuê bao tới các dịch vụ nâng cao đã làm cho 3G có một vị trí tuyệt vời.

Đường lên

Đường xuống

Đường lênĐường xuống

1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA

 WCDMA là một phương pháp đa truy xuất vô tuyến phân chia theo mã trảiphổ trực tiếp dải rộng, nghĩa là các bit thông tin của các user được trải đều ra trênmột dải thông rộng bằng việc nhân dữ liệu của user với các mã ngẫu nhiên (gọi làchip) nhận được trải phổ trong WCDMA.

 Tốc độ chip 3.84Mcps được sử dụng cho ghép dải thông sóng mang xấp xỉtới 5MHz Dải thông sóng mang của WCDMA rộng như thế gắn liền với tốc độ dữliệu của uesr cao và còn có hiệu quả nâng cao khả năng phân tập tần số Các nhàquản lý mạng có thể tăng dung lượng nhờ dải thông của sóng mang là 5MHz.Khoảng cách các sóng mang có thể chọn trên những khoảng 200KHz giữa khoảng4.4 đến 5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang.

 WCDMA cung cấp tốc độ khả biến cho các user rất cao, hiểu theo cách khácchính là dải thông theo yêu cầu cũng được cung cấp Mỗi user được cung cấp mộtkhung giây có chu kỳ 10ms trong khi tốc độ dữ liệu vẫn giữ nguyên không đổi Tuynhiên dung lượng dữ liệu có thể thay đổi từ khung này đến khung khác.

 WCDMA cung cấp hai chế độ hoạt động cơ bản là FDD và TDD TrongFDD các khoảng tần số sóng mang 5MHz được sử dụng cho sóng mang hướng lênvà hướng xuống riêng rẽ, trong khi đó TDD chỉ có một khoảng 5MHz được dùngcho cả hướng lên và hướng xuống.

 WCDMA cung cấp hoạt động bất đồng bộ cho các trạm gốc và do đó khônggiống như hệ thống đồng bộ IS-95 CDMA, nó không cần thời gian chuẩn trên toàncầu GPS.

 WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho hướng lên và hướng xuống nhờ các kýhiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, dẫn tới tăng dung lượng và vùng phủ sóng

 WCDMA được thiết kế để phát triển nâng cấp cho chuẩn GSM vì vậy có thểchuyển giao giữa mạng GSM và mạng WCDMA.

Phương thức đa truy xuất DS-CDMA.Phương pháp ghép song công FDD/TDD.

Tách sóng Tách sóng kết hợp nhờ sử dụng kênh hoatiêu.

1.5.2 Những đặc điểm then chốt của WCDMA

6

Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống cónhững đặc tính đáp ứng nhu cầu của thế hệ thứ 3 Những đặc điểm chủ yếu trong hệthống WCDMA là :

 Cải thiện những hệ thống thế hệ thứ 2 bao gồm: cải thiện dung lượng, cảithiện vùng phủ sóng, bao gồm cả khả năng di chuyển những dịch vụ thế hệ thứ 2sang thế hệ thứ 3.

 Tính linh hoạt cao của dịch vụ bao gồm: Có các dịch vụ tốc độ bit cực đạitrên 2 Mb/s và các dịch vụ ghép song song trên một kết nối.

 Thực hiện truy nhập gói hiệu quả và tin cậy.

 Tính linh hoạt cao của vận hành bao gồm: Hỗ trợ hoạt động không đồng bộgiữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều môi trường Hỗ trợ một cáchcó hiệu quả dạng hoạt động khác chẳng hạn cấu trúc ô có bậc Sử dụng kỷ thuật tiếnbộ như phối hợp anten dàn và tách người dùng Mô hình TDD được thiết kế để hoạtđộng hiệu quả trong môi trường không kết hợp.

 Cải thiện dung lượng: Độ rộng băng tần lớn của WCDMA làm tăng hiệu suấtvốn có trên các hệ thống tế bào trước đó do nó làm giảm fading của tín hiệu vôtuyến Ta biết rằng WCDMA sử dụng điều chế kết hợp ở đường lên, đây là tínhnăng không thể thực hiện được ở trong các hệ thống CDMA tế bào Điều khiểncông suất chắc chắn ở đường xuống sẽ có hiệu suất hoàn hảo, đặc biệt ở môi trườngtrong nhà và môi trường ngoài trời có tốc độ thấp.

Nói chung, đối với dịch vụ thoại, sự cải thiện này là một bước tiến vì đây là mộttrong hai yếu tố làm tăng dung lượng cell của WCDMA

1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA

Trong kênh thông tin vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tínhiệu đến trực tiếp Song, trong thực tế điều đó là không thể xảy ra, tín hiệu sẽ bịthay đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu thu được sẽ là sự kết hợp các thànhphần khác nhau: tín hiệu suy giảm, khúc xạ, nhiễu xạ của các tín hiệu khác…WCDMA là hệ thống di động vô tuyến nên sẽ bị ảnh hưởng bởi điều đó Sau đây làmô hình của hai loại nhiễu chính, đó là nhiễu fadinh nhiều tia và nhiễu giao thoa.

Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường

Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa

Để làm giảm các ảnh hưởng của các loại nhiễu trên, trong WCDMA có nhiều kỹthuật xử lý đó là: mã hoá kênh, điều chế, trải phổ, phân tập…Trong đồ án này ta sẽđi nghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu

1.5.4 Tính đa dạng phân tập trong WCDMA

Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều chế FM tương tự ,sử dụng trong hệthống thông tin di động tổ ong đầu tiên thì tính đa đường tạo nên fading nghiêmtrọng Tính nghiêm trọng của đa đường fading được giảm đi trong điều chế CDMAbăng rộng ,vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu nhận một cách độc lập.Nhưng hiện tượng đa đường xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do fadingđa đường không thể loại trừ hoàn toàn được vì với các hiện tượng fading xảy ramột cách liên tục đó thì bộ điều chế không thể xử lí tín hiệu thu một cách độc lậpđược Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading,có 3 loại phân tập là theotần số ,theo thời gian và theo khoảng cách Phân tập theo thời gian đạt được nhờ sửdụng việc chèn và mã sữa sai Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tấtcả các hệ thống có tốc độ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa sai yêu cầu Hệ thống

8

CDMA băng rộng ưứngduụngviệc phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năngbáo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên hợp với tần số thường có ảnhhưởng đến băng tần báo hiệu(200-300kHz) Nhưng với một băng tần rộng thì fadingít ảnh hưởng đến tín hiệu hơn Phân tập theo khoảng cách hay đường truyền thườngđạt được theo 3 phương pháp sau:

-Thiết lập nhiều đường báo hiệu(chuyển vùng mềm) để kết nối máy di động với2 hoặc nhiều trạm gốc BTS.

-Sử dụng môi trường đa đường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu quétthu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian.

-Đặt nhiều anten tại BS (anten mảng).

Phân tập theo khoảng cách có thể dễ dàng được áp dụng đối với hệ thốngTDMA và FDMA Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất cả các hệthống số có tốc độ mã truyền dẩn cao mà thủ tục sữa sai yêu cầu Phân tập theo tầnsố có thể dể dàng được áp dụng cho hệ thống CDMA.

Bộ điều khiển đa đường tách dạng sóng nhờ sử dụng bộ tương quan song song.Máy di động sử dụng 3 bộ tương quan ,BTS sử dụng 4 bộ tương quan Máy thu cóbộ tương quan song song gọi là máy thu quét (Rake), nó xác định tín hiệu thu theomỗi đường và tổ hợp, giải điều chế tất cả các tín hiệu thu được Fading có thể xuấthiện ở các đường tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường tínhiệu thu.Vì vậy tổng các tính hiệu thu được có độ tin cậy cao vì rất ít có fading đồngthời giữa cá đường tín hiệu thu được.

Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thốngthông tin có 2 BTS sao cho có thể thực hiện chuyển vùng mềm cho thuê bao diđộng.

Các kỹ thuật phân tập:

 Phân tập thời gian: Đây là phương pháp phân tập cơ bản nhất, dùng nhữngkhe thời gian tại những thời điểm khác nhau để truyền cùng một tín hiệu ban đầu,như vậy tại đầu thu ta có thể nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiềuthời điểm Hoặc cùng một tín hiệu thu, có thể được thu theo nhiều khoảng thời giantrễ khác nhau để chọn ra được tín hiệu thu tốt nhất.

 Phân tập tần số: Nguyên lý cơ bản của bất kỳ loại sóng nào (cả sóng cơ vàsóng điền từ ) thì chỉ giao thoa với nhau khi có cùng tần số hay vùng tần số lân cận.Phân tập tần số dựa vào đặc tính này, dùng nhiều tần số khác nhau để truyền cùngmột tín hiệu, như vậy tại đầu thu sẽ thu được cùng một tín hiệu tại nhiều tần số khácnhau.

 Phân tập không gian ( hay phân tập anten ): Trong kiểu phân tập này chúngta dùng nhiều anten đặt tại nhiều vị trí khác nhau, có độ phân cực khác nhau đểtruyền hay thu cùng một tín hiệu Phương pháp này sẽ không làm mất độ rộng băngthông của hệ thống.

Kết luận chương

Chương này đã giới thiệu tổng quan về các thế hệ thông tin di động, đặc biệt là hệthống WCDMA, các ảnh hưởng của nhiểu trong hệ thống di động Cuối chương làphần giới thiệu về các kỹ thuật phân tập để giảm bớt nhiễu trong hệ thống vô tuyến.Trong chương tiếp theo sẽ đi sâu nghiên cứu về kỹ thuật phân tập không gian vàthời gian.

10

Mảng anten thích nghi [3] có khả năng chống lại nhiễu fading hay MAI chỉ bằngcách xử lý không gian Khi các thuê bao của hệ thống mạng trao đổi thông tin từnhững địa điểm khác nhau, mỗi thuê bao sẽ có một thông tin không gian duy nhấtliên quan tới thuê bao đó Mảng anten thích nghi có thể dựa vào đặc tính không giancủa tín hiệu để giảm bớt nhiễu MAI Việc xử lý này được thực hiện bởi bộBeamformer Beamformer có thể là một giải pháp hữu hiệu để cải thiện cho hệthống CDMA hoạt động tốt trong các kênh tín hiệu giao thoa với nhau Dung lượngcủa hệ thống CDMA có thể được tăng lên bằng cách giảm bớt nhiễu giao thoa co-channel.

2.2 Anten Mảng

Anten mảng là tập hợp gồm nhiều anten thành phần được bố trí tại những vị tríkhác nhau trong không gian mảng Các anten thành phần này có thể được sắp xếptheo các cấu trúc hình học bất kỳ Tuỳ theo cách sắp xếp đó mà mảng có thể làmảng đường ,mảng tròn hay mảng phẳng Mảng đường và mảng tròn là trường hợpđặc biệt của mảng phẳng Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vào gócphát xạ của các anten thành phần , vào sự định hướng , vào vị trí của các anten , vàobiên độ và pha của tín hiệu đến Nếu các anten của mảng là đẳng hướng thì góc phátxạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và tín hiệu đếnmảng [3] Trong trường hợp này góc phát xạ của mảng được gọi là hệ số mảng Nếu

các phần tử của mảng giống nhau nhưng không đẳng hướng thì góc phát xạ củamảng được tính theo hệ số mảng và các góc phát xạ thành phần

fc : Tần số sóng mang của tín hiệu

γ(t) : Hàm biểu thị sự biến đổi tín hiệu.

Ta giả thiết rằng tín hiệu có dạng sóng phẳng được truyền đến mảng từ một khoảngcách rất xa và trong môi trường truyền đồng chất Lúc này tín hiệu đến các phần tửtrong mảng sẽ có sự sai biệt về thời gian Tín hiệu đến phần tử thứ 2 trong mảng sẽ

chậm hơn phần tử thứ nhất một

Hình 2.1 Mảng anten ULA

12

khoảng thời gian là  ,tương tự phần tử thứ N sẽ trễ một khoảng là N Như thế tacó thể biểu diễn tín hiệu thu được tại các phần tử khác trong mảng theo biểu thức tínhiệu thu được tại phần tử thứ nhất Trong hình vẻ trên ta có thời gian trễ là :

2( ) ( ) {2 )}

a  = [1 2sin}dj

e …… 2(1)sin}

là đẳng hướng ,thì vector đáp ứng của mảng chỉ phụ thuộc vào AOA (góc tín hiệuđến mảng) Lúc này vector tín hiệu nhận được từ mảng có thể được viết như sau :

Để có được các điều trên thì ta phải giả thiết băng thông của tín hiệu phải nhỏhơn nhiều lần thời gian truyền tín hiệu qua mảng Giả thiết cho hiện tượng này đượcgọi là narrowband, tức là các tín hiệu thu được trong các phần tử của mảng sẽ có sựsai pha lẩn nhau ,song sự sai pha này có thể là nhỏ Vì thế mô hình narrowband vẫnchính xác cho những tín hiệu biến thiên dạng hình sin, đặc biệt là ở những tín hiệucó băng thông rất nhỏ so với thời gian truyền sóng qua mảng Cũng vì lí do đó màkhi thực hiện mô hình Beamformer để giảm thiểu sự giao thoa thì phải nằm tronggiới hạn cho phép của hiện tượng narrowband Trong toàn bộ luận văn này chúng tagiả thiết rằng tín hiệu W-CDMA thoả mãn narrowband

Thời gian trễ trong quá trình truyền sóng từ phần tử đầu tiên đến phần tử cuốicùng của mảng được tính như sau :

(N 1)cdsinmax

Nếu mảng có 4 phần tử và fc =2GHz

14

các phần tử trong mảng được tổng hợp lại rồi chọn ra tín hiệu có chất lượng tốtnhất Hình dưới mô tả nguyên lý chung của một bộ Beamformer.

Hình 2.2a Mô hình Beamformer Hình 2.2b Búp sóng anten dãy

Nếu có tất cả K tín hiệu đến mảng với góc tới của mỗi tín hiệu được xác định riêngbiệt Lúc đó vector tín hiệu nhận được có dạng như sau :

( ) ( ) ( ) ( )

Với w=[ w1 w2 … wN]T là vector trọng số của mảng

Thông thường vector trọng số được chọn để phù hợp cho từng kỷ thuật Beamformerkhác nhau Các kỹ thuật Beamformer thường có là MMSE, MSINR, MSNR, CMA,ML…sẽ được đề cập ở các chương sau

2.3.1 Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer với mảng ULA

Bây giờ ta chỉ xét một ví dụ thật đơn giản để diển tả nguyên lí củaBeamforming Giả thiết rằg tín hiệu của thuê bao truyền đến mảng ULA với gócAOA là 0o , và giả thiết rằng phần tín hiệu nhiễu do giao thoa được thu ở góc AOAlà 45o Vector đáp ứng của mảng cho tín hiệu hữu ích trong trường hợp này là :

(2.17)

Bộ thu Beamformer phải tăng cao hệ số khuếch đại đối với tín hiệu mong muốnđồng thời giảm thiểu tối đa hệ số khuếch đại đối với tín hiệu nhiễu giao thoa Vì thếvector đáp ứng của mảng phải thoả mãn các điều kiện sau :

Từ trên ta tính được

Hàm đặc trưng của Beamformer tương ứng với góc  được cho như sau : g() wHa()

16

Hình 2.3 Đồ thị bức xạ của anten dãy đối với góc đến tín hiệu là 0ovà nhiễu giao thoa là 45o.

Từ ví dụ trên ta nhận thấy rằng:

 Mặc dầu có thể đặt null trực tiếp đến hướng đến của tín hiệu nhiễu giao thoa,song từ đồ thị bức xạ (hình 2.3) ta thấy độ lợi của anten không cực đại tại hướngđến của tín hiệu hữu ích Như vậy, cần phải có nhiều sự cải tiến trong giải pháp kỹthuật của beamformer Trong chương sau sẽ đề cập đến các giải pháp kỹ thuậtbeamformer khác nhau đó.

 Nếu chúng ta ngầm giả thiết là đã nhận biết được mảng vector đáp ứng chonhiều users khác nhau Thì trong vùng một cell đô thị, mỗi tín hiệu đa đường sẽ đếnmảng với những góc tới khác nhau, vì thế sẽ có rất nhiều hướng giải quyết cho mỗiđường tính hiệu này Trong trườnghợp này, rất khó để xác định chính xác góc tínhiệu đến mảng và như vậy sự đánh giá vector đáp ứng của mảng là rất không xácthực Điều đó cho thấy sự cần thiết phải đánh giá góc đến AOA để tìm ra vector đápứng của mảng Ngoài ra kỹ thuật trên cần yêu cầu số lượng tín hiệu đến mảng (baogồm tín hiệu giao thoa co-channel) phải ít hơn số lượng các phần tử trong mảng.Điều này không thể có được trong mạng WCDMA Kỹ thuật Eigen-Beamforming,được xét đến ở phần sau, là giải pháp thích hợp, không cần phải biết được vectorđáp ứng của mảng cũng như không cần phải đánh giá rõ ràng góc tới AOA

2.4 Nguyên tắc lấy mẫu tín hiệu trong xử lý không gian

Những nguyên lý lấy mẫu trong miền thời gian có thể được áp dụng trong hệthống xử lý không gian do giữa hai hệ thống này cũng có sự tương quan với nhau.Xét tín hiệu trong miền thời gian và tần số, mẫu tín hiệu lấy theo nguyên tắc lấymẫu Nyquist Tức là, tín hiệu được lấy mẫu với tần số (tốc độ lấy mẫu) lớn hơn 2

lần tần số lớn nhất của tín hiệu Trường hợp tần số lấy mẫu nhỏ hơn 2f được gọi là

aliasing Tương tự trong miền không gian, để tránh hiện tượng aliasing thì khốibeamformer phải thoã mãn điều kiện sau :

Điều này được gọi là nguyên lý lấy mẫu trong miền không gian Điều kiện đó giúpcho khối beamforming tránh được hiện tượng aliasing, khoảng cách giữa các phầntử trong mảng phải nhỏ hơn hay bằng nửa bước sóng sóng mang của tín hiệu Tuynhiên khoảng cách giữa các phần tử trong mảng cũng không được nhỏ quá để tránhsự tác động lẫn nhau giữa các phần tử trong mảng Vì vậy, trong thực tế khoảngcách giữa các phần tử trong mảng bằng nữa bước sóng sóng mang là tốt nhất Trongđồ án này ta giả thiết khoảng cách giữa các phần tử trong mảng ULA bằng nữabước sóng sóng mang

2.5 Lợi ích của phân tập không gian

Một mãng anten thích nghi có thể có được nhiều cấu trúc không gian khác nhauvà làm giảm được nhiễu fading nhiều tia Mảng này có khả năng lái búp sóng củamảng về phía tín hiệu cần nhận và tránh hướng đến của tín hiệu nhiễu Tín hiệu thuđược tại các phần tử trong mảng có rất ít sự tương quan lẫn nhau Vì thế nếu tínhiệu tại một phần tử của mảng là tín hiệu nhiễu fading, tín hiệu này sẽ khác nhiềutín hiệu thu được tại các phần tử khác trong cùng thời gian đó Vì thế luôn có mộttín hiệu tốt nhất thu được một trong các phần tử của mảng Nên việc tổ hợp các tínhiệu thu được từ các phần tử trong mảng sẽ làm tăng tỷ số SNR và tăng độ trungthực của tín hiệu thu

2.6 Phân tập thời gian: Bộ thu Rake trong CDMA

Trong một kênh có chọn lọc tần số ,có nhiều bản sao tín hiệu được truyền đếnmáy thu, chúng đi qua nhiều đường khác nhau Những bản tin sao chép này đượctổng hợp lại tại đầu thu để cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR Khi các tín hiệunày được truyền theo nhiều đường khác nhau, sẽ có một đường truyền không (hoặcít) chịu ảnh hưởng bởi nhiễu fading Điều này có nghĩa là nếu mỗi đường truyền đềubị ảnh hưởng bởi fading, các tín hiệu đi theo các đường khác nhau sẽ có sự khácbiệt rõ rệt Tại đầu thu sẽ luôn thu được một kênh tín hiệu có độ trung thực chấpnhận được Trong hệ thống CDMA, bộ thu tín hiệu có thể chứa nhiều thiết bị tươngquan nhau để phân chia tín hiệu thành nhiều bản giống nhau và làm giảm nhiễufading Bộ thu này được gọi là bộ thu Rake, nó đã được dùng nhiều trong hệ thốngmạng thông tin di động CDMA thế hệ 2 Quá trình xử lý thời gian trong bột huRake giúp cho hệ thống CDMA giãm ảnh hưởng của nhiễu fading Có nhiều kỹ

18

Trong trường hợp kênh truyền Fading, có thể áp dụng hàm (2.22) cho scs :   x LLcscsxxxeF  Pr1 , , 1  /

2.6.1.2 Bộ tổ hợp tỷ số tối đa (MRC)

Tín hiệu ra

MRC là một bộ tổ hợp tối ưu Trong bộ tổ hợp MRC, trọng số của các đường tínhiệu được xác định bởi sự tổ hợp của các đường fading MRC là một bộ tổ hợp tốiưu Ngõ ra của bộ tổ hợp MRC, mrc

 được đánh giá bởi hàm cdf sau:   

2.7 Bộ thu Beamformer_Rake

Beamformer_Rake là sự kết hợp giữa Beamformer với Rake để xử lý tín hiệutrên cả 2 miền thời gian và không gian Hình 2.5 mô tả cấu trúc và nguyên lý hoạtđộng của bộ thu Beamformer-Rake Nó chứa một mảng các anten thu, tín hiệu thuđược từ mảng được đưa đến các bộ tổ hợp không gian để thực hiện beamformingcho những tín hiệu đa đường, mỗi đường tín hiệu sẽ được nhân với một vector trọngsố khác nhau trước khi vào bộ tổ hợp Tín hiệu ra khỏi bộ tổ hợp không gian đượcđưa tới các finger sau đó được kết hợp lại bởi bộ tổ hợp Rake

Kết luận chương:

Chương này đã xét đến hai kỹ thuật phân tập chính là phân tập không gian vàphân tập thời gian và sự kết hợp hai kỹ thuật phân tập này thành kỹ thuật phân tậpchung là kỹ thuật phân tập Không gian-Thời gian Trong đó, kỹ thuật phân tậpkhông gian được thực hiện bởi bộ thu Beamformer, thực hiện bằng cách tổ hợp tínhiệu từ nhiều anten thu để có được tín hiệu thu tốt nhất Kỹ thuật phân tập thời gianđược thực hiện bởi bộ thu Rake, thực hiện bằng cách phân chia tín hiệu thu thànhnhiều khoảng thời gian trễ khác nhau sau đó dùng kết cấu tổ hợp để tổ hợp tín hiệuchọn ra tín hiệu tốt nhất Mục đích của bộ thu Beamformer là làm giảm ảnh hưởngcủa nhiễu giao thoa còn bộ thu Rake là làm giảm ảnh hưởng của nhiễu đa đường Vìthế, sự kết hợp giữa hai bộ thu này tạo thành bộ thu Beamformer-Rake, là một kếtcấu tốt để làm giảm ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và nhiễu fading lên tín hiệu thu.Trong chương tiếp sẽ giới thiệu các kỹ thuật khác nhau để xử lý phân tập khônggian trong bộ thu Beamformer.

Tổ hợp không gian W1

Tổ hợp không gian

W2

Tổ hợp không gian W

CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING3.1 Giới Thiệu

Trong chương này sẽ giới thiệu những kỹ thuật khác nhau có thể được áp dụngcho Beamforming trong hệ thống mạng thông tin di động tổ ong CDMA và hệthống OFDM Ba kỹ thuật chính được giới thiệu trong chương này là: tối ưu tỉ số tínhiệu trên nhiễu (MSNR),tối ưu tỉ số tín hiệu /nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt(MSINR) và kỹ thuật tối thiểu trung bình bình phương sai lệch (MMSE) Mở đầuchương với việc đi tìm hiểu kỹ thuật MSNR với giải pháp giá trị riêng đơn giản SE.Sau đó xét đến kỹ thuật MSINR với giải pháp nhóm các giá trị riêng GE Tiếp theosẽ nghiên cứu kỹ thuật MMSE Beamforming Sau đây là nội dung của chương

3.2 Kỹ thuật MSNR Beamforming

Kỹ thuật MSNR được dùng để làm cho giá trị SNR tại đầu ra của beamformer làcực đại Để làm được điều đó, cần phải xác định được vector trọng lượng của antenmảng, sao cho khi nhân vector tín hiệu thu với vector trọng lượng thì sẽ có tín hiệuđầu ra có SNR cực đại Vector trọng lượng cần xác định chính là là vector riêngtương ứng với giá trị riêng lớn nhất của của ma trận hiệp phương sai tín hiệu thu.Điều kiện tốt nhất cho kỹ thuật này chính là: nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt lànhiễu không gian trắng

3.2.1 Cực đaị tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSNR)

Trong kỹ thuật này, để có tỷ số tín hiệu SNR là cực đại, ta giả thiết rằng nhiễutác động vào tín hiệu là nhiễu trắng Khi đó, tín hiệu thu được có thể viết như sau :

Giá trị của

giới hạn trong giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của các giá trị riêngcủa ma trận Rss , với giá trị riêng lớn nhất là maxthì ta có:

 chính là giá trị lớn nhất của SNR Vector riêng wMSNR tương ứng với giá trị

 là vector trọng số tối ưu làm cực đại SNR tại đầu ra của mảng

Như vậy, giải pháp MSNR để tìm ra vector đáp ứng tối ưu được thực hiện bằngcách tìm ra vector riêng (tương xứng với giá trị riêng lớn nhất) từ chuổi các giá trịriêng đơn giản, phương pháp này được gọi là phương pháp SE (simple Eigenvalue):

Kỹ thuật Beamforming thực hiện theo cách trên được gọi là Eigen_Beamforming.Nếu có tín hiệu đi đến mảng từ một góc d,vector tín hiệu có thể được viết như sau:

s(k)d(k)a(d) (3.10)

Với d ký hiệu chỉ tín hiệu đến, k mẫu index tín hiệu bất kì và a(d)là vector đápứng của mảng ứng với góc tới d Vì thế ta có thể viết lại như sau :

22

 2 () H( d)

Từ (3.8) ta có :

 dMSNRMSNRH

Từ phương trình (3.13) ta nhận thấy Nếu không có nhiễu tác động vào thì bằngphương pháp định pha cho từng tín hiệu đến các phần tử của mảng, ta sẽ xác địnhđược giá trị lớn nhất của SNR Ngoài ra MSNR beamforming có thể được hỗ trợbởi các giải pháp tính toán trực tiếp (DF) Tuy nhiên kỹ thuật DF không được ápdụng rộng rãi Hơn thế nữa kỹ thuật DF luôn luôn đòi hỏi số lượng tín hiệu đến (baogồm cả nhiễu giao thoa phải ít hơn số lượng anten trong mảng ) Điều này khôngthể đáp ứng được trong hệ thống mạng tổ ong CDMA

3.2.2 Phương thức cải tiến SE cho Beamforming

Từ phương trình 3.9 ta thấy cần phải xác định ma trận hiệp phương sai (Rss)của tín hiệu đến để thực hiện bài toán SE Tuy nhiên rất khó để tách tín hiệu khỏinhiễu và tính Rss Nếu như có thể tách được tín hiệu khỏi nhiễu thì lúc đó ta khôngcần phải có Beamforming nữa Vì thế, có một kỹ thuật thay thế mà không cần đòihỏi phải lượng tính ma trận hiệp phương sai của tín hiệu Rss Nếu tín hiệu độc lậpvới nhiễu thì trường tín hiệu nhận được theo thống kê có thể được viết như sau : RxxRssN2IN

Nếu nhiễu lấn át tín hiệu, thì giá trị riêng lớn nhất sẽ không đáp ứng cho tín hiệuđược nữa và đối với vector riêng ở biểu thức (3.16) cũng không còn là vector trọng

số đối với MSNR nữa Tuy nhiên trong môi trường CDMA, điều này không thườngxảy ra bởi vì đã có quá trình xử lý độ lợi và kỹ thuật điều khiển công suất Các bộthu trong CDMA là những thiết bị có nhiều bộ tương quan với nhau Đầu ra của cácbộ tương quan này chứa tín hiệu băng hẹp (narrowband) cùng với nhiễu giao thoavà nhiễu Gauss Vì thế ma trận hiệp phương sai có thể được tính được tại ngỏ ra củacác bộ tương quan từ đó tìm được MSNR cực đại.

Trong phần trước chúng ta đã phân tích về tín hiệu nhiễu và tiếng ồn ,và giả thiếtrằng nhiễu đó là nhiễu trắng Chúng ta có thể chia tín hiệu nhiễu trong biểu thức(3.1) thành hai thành phần như sau :

Trong đó n' là nhiễu trắng không gian và thời gian ,i là nhiễu giao thoa Nếunhiễu giao thoa là nhiễu trắng, vector trọng số MSNR là tốt nhất Còn nếu chúngkhông phải là nhiễu trắng, thì vector riêng đáp ứng cho giá trị riêng lớn nhất của tínhiệu thu được không đáp ứng được cho vector trọng số MSNR Tuy nhiên vấn đềnày được đề cập đến một khi cấu trúc không gian của tín hiệu giao thoa được tínhđến và vector trọng số tối ưu sẽ đựơc xác định để làm cực đại tỷ số tín hiệu trênnhiễu giao thoa và tiếng ồn (SINR) Việc xácđịnh giá trị lớn nhất của SINR sẽ đượcđề cập sau.

3.2.3 Pha tín hiệu trong Eigen-Beamforming

Trước khi đi nghiên cứu các kỹ thuật beamforming khác ,chúng ta sẽ xét đếnmặt hạn chế trong khả năng xử lý pha tín hiệu của kỹ thuật Eigen-Beamforming,hay gọi là sự nhập nhằng về pha trong kỹ thuật Eigen-Beamforming Trong khiBeamformer xác định giá trị tối ưu của SNR, ta thấy không có sự ràng buộc nào vềpha của tín hiệu Việc dùng vector trọng số MSNR để tìm SNR theo như biểu thức(3.9) thì SNR tại ngõ ra của beamformer được cho như sau :

24



 HMSNR

Vì vậy vector trọng số 

w cũng làm cực đại giá trị SNR và không có liên quanđến pha của tín hiệu Như thế sự nhập nhằng về pha vẫn tồn tại trong MSINREigen-Beamformer.Vì vậy trong Eigen-Beamforming không có bộ điều chế pha ,không có bộ tách sóng coherent.

3.3 Kỹ thuật MSINR Beamforming

Phần này ta sẽ đề cập đến kỹ thuật Eigen-Beamforming xác định MSINR tạiđầu ra của beamformer Trong phần trước chúng ta đã nói đến kỹ thuật MSNR vớiđiều tốt nhất là tín hiệu giao thoa và nhiễu là không gian trắng Nhưng trong hệthống mạng WCDMA, các user khác nhau có data rate khác nhau, với hệ số trãi phổkhác nhau Trong cùng một thời gian chúng sẽ có BER khác nhau Vì thế, các userscó data rate cao yêu cầu phải hoạt động ở mức công suất cao hơn các users có datarate thấp hơn và như vậy các tín hiệu nhiễu giao thoa không thể là nhiễu không giantrắng như đã giả thiết trong kỹ thuật MSNR được nữa Kỹ thuật MSINRbeamforming là một tiêu chí kỹ thuật đáp ứng tốt cho trường hợp này, nó hoạt độngtốt trong trường hợp nhiễu không phải là nhiễu trắng Không giống như MSNR,MSINR là một kỹ thuật xử lý tín hiệu với một chuổi bài toán giá trị riêng đơn giảnhay còn gọi là bài toán nhóm các giá trị riêng GE Sau đây là nội dung của kỹ thuật.

3.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR) Vector tín hiệu thu được có dạng như sau :

Ở đây  H

R  là ma trận hiệp phương sai của vector tín hiệu s

Tương tự, năng lượng của tín hiệu không mong muốn tại ngỏ ra của mảng là: PEwHuwHRuuw

Để tìm vector trọng số tối ưu làm cực đại SINR tại ngõ ra, ta tiến hành đạo hàm vếphải của biểu thức (3.23) theo H

w và gán biểu thức đó bằng 0 ta được : Rw

Giá trị của wwRRww

giới hạn trong bởi giá trị riêng lớn nhất và nhỏ nhất của ma

(3.25) Đó cũng chính là giá trị lớn nhất của SINR Vector riêng wMSINR đáp ứng với giátrị max là vector trọng số tối ưu làm cho giá trị SINR tại ngõ ra của mảng là lớnnhất.

Vì vậy ,giải pháp MSINR cho vector trọng số tối ưu được tính bởi vectorriêng tương ứng với các giá trị riêng tổng quát sau:

RsswMSINR RuuwMSINR. (3.26)Chúng ta có thể thấy rằng ma trận hiệp phương sai của nhiễu giao thoa và tiếng ồnđã được giới thiệu trong biểu thức trước được dùng để xác định cấu trúc không giancủa tín hiệu nhiễu Ma trận Ruucũng được dùng trong việc xác định vector trọng sốbằng cách giải bài toán giá trị riêng Rssww.MSINR beamforming có thể đượcxem là kỹ thuật xác định giá trị lớn nhất của SNR trong trường hợp nhiễu tác độnglà nhiễu màu, hay MSNR beamforming là trường hợp đặc biệt của MSINR trongđiều kiện nhiễu tác động là nhiễu không gian trắng.

Trong việc phân tích sau đây, nếu tín hiệu đến được xác định bởi góc tới là d

,ma trận hiệp phương sai của tín hiệu được biết như sau :  2 () H( d),

Từ (3.26) ta có thể viết lại như sau

26

Ta đặt 

wMSINR Ruu1a(0).

Một lần nữa ta có thể nhận thấy rằng ma trận hiệp phương sai (của nhiễu giao thoavà tiếng ồn ) cùng với vector trọng số MSNR được dùng để tính trọng số MSINR.Như thế biểu thức cho vector trọng số dễ dàng được thay đổi theo góc tới của cácđường tín hiệu khác nhau.

3.3.2 Xác định giá trị cực đại của tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSINR)

Nếu tín hiệu thu được bao gồm cả nhiễu giao thao và tiếng ồn, ma trận hiệpphương sai của tín hiệu thu được biểu diễn như sau :

Giải pháp MRSINR dùng phương pháp vector riêng để tìm ra vector trọnglượng tối ưu của chuổi các giá trị riêng đơn giản (GE: Generalized Eigenvalue):

RxxwMRSINR RuuwMRSINR. (3.32)Phương trình (3.32) là phương trình đầy đủ cho trường hợp nhiễu tác động vào tínhiệu là nhiễu màu (noise colored) Trong trường hợp này việc xác định MSNR dựavào việc phân chia ma trận hiệp phương sai của tín hiệu thu thành 2 không gian contrực giao và tìm giá trị vector riêng sao cho nó trực giao với thành phần nhiễu vàđáp ứng với thành phần tính hiệu cần thu Hai không gian con trong trường hợp nàycủa MRSINR beamforming chúng trực giao với nhau và là không gian con của matrận hiệp phương sai tín hiệu với nhiễu Điều này cho phép dễ dàng điều chỉnhvector trọng số sao cho phù hợp với cấu trúc không gian của tín hiệu không mongmuốn.

3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming

Kỹ thuật MMSE (Minimum Mean Squared Error) được dùng để tìm ra giá trịcủa vector trọng lượng wMMSE mà làm cực tiểu sự sai lêch giữa tín hiệu mẫu banđầu với tín hiệu tổ hợp Sự sai đó được định nghĩa bởi phương trình sau :

e(k) d(k) wHx(k),

Với d là một mẫu tín hiệu tại anten đầu tiên,w là vector trọng lượng của mảng,

x là vector tín hiệu thu được tại mảng anten , k biểu thị cho mẩu tín hiệu đang xét

Vì thế MMSE được cho như sau  2

E dkdkxHkdkwHxkwHxkxHkw

E dk  rwwrwHRxxw

() 2

Với REx(k)xH(k)

xx  là ma trận hiệp phương sai của tín hiệu ,

Erxd 

Là vector tương quan chéo giữa vector tín hiệu thu được x và tín hiệu mẫu d MSEJ nhỏ nhất khi (J)0 Với gradient vector được định nghĩa như sau :

()2*

28

So sánh 2 biểu thức (3.43) với biểu thức (3.29), ta thấy vector trọng số MMSE chỉkhác MSINR bởi một số thực vô hướng Khi SINR tại ngõ ra của beamformerkhông phụ thuộc vào số thực vô hướng này, vector trọng số của MMSE sẽ làm cựcđại SINR.

3.5 So sánh MSINR và MMSE Beamforming trong một trường hợp đơn giản

Phần này sẽ tiến hành so sánh việc thực hiện 2 phương pháp MSINR vàMMSE trong một trường hợp đơn giản Tín hiệu truyền đi bị ảnh hưởng bởi 2 nhiễugiao thoa và nhiêu nhiệt, với bộ thu tín hiệu dùng anten ULA 4 phần tử, khoảngcách giữa các anten là nữa bước sóng sóng mang Với góc đến của tín hiệu là 30o ,hai nhiễu truyền đến với góc đến là 60o và -60o Sau đây là biểu đồ minh hoạ cho 2phương pháp:

Hình 3.1 Biểu đồ thể hiện đồ thị bức xạ của anten ULA theo các kỹ thuật MSINR và MMSE

Hình 3.2 Giản đồ BER theo các kỹ thuật MSINR và MMSE

Kết luận chương

Trong chương này chúng ta đã nghiên cứu các kỹ thuật khác nhau trong bộBeamfermer Các kỹ thuật đó là MSNR, MSINR và MMSE Trong đó hai kỹ thuậtMSNR và MSINR đều dùng phương pháp giải bài toán tìm giá trị riêng của ma trận,còn kỹ thuật MMSE thì dựa vào tính tương quan giữa tín hiệu thu và tín hiệu mẫu.Mục đích chính của 3 kỹ thuật trên đều là làm giảm tỷ số tín hiệu/nhiễu tại đầu racủa bộ thu Beamformer Mỗi kỹ thuật trên đều có những lợi điểm khác nhau ở cấpđộ tính toán Trong chương tiếp chúng ta sẽ nghiên cứu các thuật toán khác nhaucho từng kỹ thuật trên.

30

CHƯƠNG 4

CÁC THUẬT TOÁN BEAMFORMINGGiới thiệu chương

Chương này chúng ta sẽ đi sâu tìm hiểu các thuật toán khác nhau để giải bài

toán tìm vector trọng lượng w của mảng anten theo các kỹ thuật khác nhau đó là kỹ

thuật MSNR ,MSINR và MMSE Đối với 2 kỹ thuật MSNR và MSINR thì việc giải

bài toán tìm w được thực hiện bằng cách tìm vector riêng của ma trận (bài toán SE

đối với kỹ thuật MSNR và bài toán GE đối với kỹ thuật MSINR), còn đối với kỹ

thuật MMSE thì thực hiện theo nguyên lý tìm w sao cho trung bình bình phương sai

lệch giữa tín hiệu thu và tín hiệu mẫu là nhỏ nhất Có nhiều phương pháp để thựchiện các kỹ thuật trên Sau đây ta sẽ nghiên cứu các phương pháp đó.

4.1 Định nghĩa ma trận đánh giá độ phức tạp tính toán

Trước khi đi nghiên cứu các thuật toán để giải quyết vấn đề các giá trị riêng đơngiản, chúng ta cần định nghĩa một chuẩn hay còn gọi là một đơn vị để đánh giá độphức tạp trong tính toán của những thuật toán đó

Xét 2 vector x và y có dạng như sau:

 N TimagN

phép tính scalar, với  là số lần thực hiện tích tích scalar, N là kích thước của

vector Trong tài liệu này chúng ta sẽ sử dụng O( N) làm đơn vị để so sánh độphức tạp trong tính toán của các thuật toán.

4.2 Thuật toán cho kỹ thuật MSNR

Trong kỹ thuật MSNR có 3 phương pháp chính để giải bài toán giá trị riêng đơngiản đó là :

 Phương pháp sức mạnh (power)

 Phương pháp bội số nhân Lagrange

 Phương pháp Liên hợp Gradien

Sau đây là nội dung từng phương pháp.

 f gọi là hệ số bỏ quên, với f được chọn sao cho 0< f <1.

Từ trên, ta nhận thấy rằng vector riêng là điểm mấu chốt để thực hiệnBeamforming, chúng ta có thể định nghĩa phương trình tính toán cho phương pháp

power như sau (dùng phương pháp lặp).

32

Chú ý rằng tham số lặp i đã suy giảm thành tham số snapshot index k Tuy lúc nàykhông cần phải tính giá trị riêng đáp ứng cho từng tích số thực scalar Song, ta nhậnthấy rằng độ phức tạp trong tính toán của phương pháp power là O(N2+N) với N là

số lượng các phần tử trong vector phức hợp Chúng ta có thể có thuật toán khác để

cập nhật ma trận hiệp phương sai với mức độ phức tạp trong tính toán là O(1.5N2)

Để thực hiện phương pháp này, trước tiên ta phải chọn một giá trị bắt đầu choviệc tính toán các giá trị lặp Mỗi một tín hiệu nào trong không gian N tín hiệu đềucó thể được biểu diễn bởi một dãy tổ hợp các vector riêng như sau :



Ở đây 0,1,2, ,1

q là những vector riêng tương ứng với các giá trị riêng

 Nếu điều kiện ban đầu a0 0, thì phương pháp power sẽ được

hội tụ (tìm được vector riêng và giá trị riêng thích hợp), và để cho quá trình nhanhchóng được hội tụ thì giá trị dự đoán ban đầu q0 phải phù hợp, trong trường hợp

này thì hệ số a0 phải khác nhiều so với các hệ số khác Tín hiệu tại ngõ ra của cácbộ tương quan trong CDMA sẽ đáp ứng được diều đó do có sự điều khiển độ lợi.

Như vậy, chọn (0) ((00))

w  là giá trị bắt đầu tốt nhất cho các thuật toán lặp đểgiải quyết bài toán SE Với s(0) là mẫu đầu tiên của vector tín hiệu tại ngỏ ra củabộ giải trải phổ (despreader) Trong đồ án này chúng ta sẽ dùng điều kiện ban đầutrên trong tất cả các thuật toán dùng để giải bài toán SE cũng như GE dựa vàoEigen-Beamforming

Nếu chúng ta dùng giá trị tức thời của ma trận hiệp phương sai

ss  (đã có sẵn ở đầu ra của bộ thu), phương pháp power có thể

được cho bằng các biểu thức sau :

kskwk

4.2.2 Phương pháp bội số Lagrange

Phương pháp này dùng để tính toán vector trọng số tối ưu bởi việc xử lý đơngiản các giá trị riêng Với mục đích là tìm vector trọng số w làm cực đại giá trị

với ràng buộc wHw1

Như thế ta có hàm như sau : J(w) wRw (1 wHw),

Với  là bội số nhân lagrange cho sự ràng buộc wHw 1

Như thế, phương pháp này sẽ tìm giá trị cực đại của hàm J w với sự ràng buộc

Nếu như có sử dụng phương pháp lặp để tìm vector trọng số w sao chonó làm cho cực đại J w , chúng ta có thể viết như sau :

wk w k  k

Ở đây  là một số thực dương được chọn cho sự hội tụ của thủ tục trên , là

gradient vector của hàm J w với tham số đáp ứng H

w Vì thế phương trình cậpnhật cho vector trọng số được có như sau :

wk1w k Rss k  kIw k (4.10)Với I là ma trận đơn vị N N Ta nhận thấy phương trình (4.10) có dạng mộtcấp số nhân, để đảm bảo cho sự hội tụ về một giá trị của vector trọng số w thì phảithoả mãn điều kiện sau :

0 2 ,1,2, ,10

 là những giá trị riêng của ma trận hiệp phương sai Rss.

Một khi sự ràng buộc đã được thoả mãn tại mỗi bước lặp, trong biểu thức (4.10)ta có thể dùng phương trình ràng buộc wHk1 wk1 1 Do đó ta có thể đưa ragiải pháp để giải quyết  k như sau [11]:

34

 

Với abw  kR    kwkss

cw  kR    kwkw  kR    kwkss

Ma trận hiệp phương sai của tín hiệu bây giờ cũng giống như biểu thức (4.4) R (k) fR (k 1) s(k)sH(k)

Đầu tiên, chọn giá trị ban đầu    000

w  Vector trọng số w k sẽ được tìmra sau nhiều lần lặp Hình (4.1) mô tả lưu đồ thuật toán của phương pháp bội số

Hình 4.1 Lưu đồ thuật toán của phương pháp bội số lagrange

Giá trị đầu

   kRfkRHksks

ss 1

 

 

dkwk

 kcy k  s k  y kw    ksky

Ban đầu, chọn    000

w  sau đó giá trị của vector trọng số sẽ được tính lạisau mỗi lần lặp.

Sau đây là lưu đồ thuật toán của phương pháp bội số lagrange đã được cải tiến

36Giá trị đầu

Vector tín hiệu mới

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán của phương pháp bội số lagrange đã được đơn giản.