Kỹ thuật xử lý nhiễu trong hệ thống truyền thông di động WCDMA

Những đặc điểm then chốt của WCDMA

 Cải thiện những hệ thống thế hệ thứ 2 bao gồm: cải thiện dung lượng, cải thiện vùng phủ sóng, bao gồm cả khả năng di chuyển những dịch vụ thế hệ thứ 2 sang thế hệ thứ 3.  Cải thiện dung lượng: Độ rộng băng tần lớn của WCDMA làm tăng hiệu suất vốn có trên các hệ thống tế bào trước đó do nó làm giảm fading của tín hiệu vô tuyến. Điều khiển công suất chắc chắn ở đường xuống sẽ có hiệu suất hoàn hảo, đặc biệt ở môi trường trong nhà và môi trường ngoài trời có tốc độ thấp.

Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA

 Tính linh hoạt cao của vận hành bao gồm: Hỗ trợ hoạt động không đồng bộ giữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều môi trường. Nói chung, đối với dịch vụ thoại, sự cải thiện này là một bước tiến vì đây là một trong hai yếu tố làm tăng dung lượng cell của WCDMA. Để làm giảm các ảnh hưởng của các loại nhiễu trên, trong WCDMA có nhiều kỹ thuật xử lý đó là: mã hoá kênh, điều chế, trải phổ, phân tập…Trong đồ án này ta sẽ đi nghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu.

Tính đa dạng phân tập trong WCDMA

Fading có thể xuất hiện ở các đường tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường tín hiệu thu.Vì vậy tổng các tính hiệu thu được có độ tin cậy cao vì rất ít có fading đồng thời giữa cá đường tín hiệu thu được.  Phân tập thời gian: Đây là phương pháp phân tập cơ bản nhất, dùng những khe 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 nhiều thời điểm.  Phân tập không gian ( hay phân tập anten ): Trong kiểu phân tập này chúng ta dùng nhiều anten đặt tại nhiều vị trí khác nhau, có độ phân cực khác nhau để truyền hay thu cùng một tín hiệu.

PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN

• Anten Mảng
• Phân tập thời gian: Bộ thu Rake trong CDMA

Anten mảng là tập hợp gồm nhiều anten thành phần được bố trí tại những vị trí khác nhau trong không gian mảng .Các anten thành phần này có thể được sắp xếp theo các cấu trúc hình học bất kỳ .Tuỳ theo cách sắp xếp đó mà mảng có thể là mảng đường ,mảng tròn hay mảng phẳng. Mảng đường và mảng tròn là trường hợp đặc biệt của mảng phẳng .Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vào góc phát xạ của các anten thành phần , vào sự định hướng , vào vị trí của các anten , vào biên độ và pha của tín hiệu đến. Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng đường thẳng bằng nhau thì mảng được gọi là mảng anten dãy (ULA) .Hình vẽ sau mô tả một mảng ULA gồm N phần tử .Khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là d .Góc tín hiệu truyền đến mảng là θ (còn gọi là góc AOA).

Vector đáp ứng của mảng là một trường các giá trị phụ thuộc vào góc tín hiệu truyền đến mảng, vào cấu trúc hình học của mảng, cách bố trí các phần tử trong mảng và phụ thuộc vào tần số của tín hiệu đến mảng .Chúng ta giả thiết rằng trong phạm vi thay đổi của tần số sóng mang thì Vector đáp ứng của mảng không thay đổi .Khi cấu trúc của mảng không thay đổi (ví dụ mảng ULA) và các phần tử của mảng là đẳng hướng ,thì vector đáp ứng của mảng chỉ phụ thuộc vào AOA (góc tín hiệu đến mảng). Để có được các điều trên thì ta phải giả thiết băng thông của tín hiệu phải nhỏ hơn nhiều lần thời gian truyền tín hiệu qua mảng .Giả thiết cho hiện tượng này được gọi là narrowband, tức là các tín hiệu thu được trong các phần tử của mảng sẽ có sự sai pha lẩn nhau ,song sự sai pha này có thể là nhỏ. Trường hợp số lượng tín hiệu đến mảng vượt quá số phần tử của mảng gọi là overloaded .Tuy nhiên quá trình xử lý khuếch đại tín hiệu trong bộ thu của hệ thống CDMA có sự liên kết lớn để chống lại sự quá tải trong mảng, đồng thời việc bố trí không gian các phần tử của mảng cũng góp phần nâng cao khả năng xử lý của hệ thống.

Vì thế nếu tín hiệu tại một phần tử của mảng là tín hiệu nhiễu fading, tín hiệu này sẽ khác nhiều tín hiệu thu được tại các phần tử khác trong cùng thời gian đó .Vì thế luôn có một tín hiệu tốt nhất thu được một trong các phần tử của mảng .Nên việc tổ hợp các tín hiệu thu được từ các phần tử trong mảng sẽ làm tăng tỷ số SNR và tăng độ trung thực của tín hiệu thu. Trong hệ thống CDMA, bộ thu tín hiệu có thể chứa nhiều thiết bị tương quan nhau để phân chia tín hiệu thành nhiều bản giống nhau và làm giảm nhiễu fading .Bộ thu này được gọi là bộ thu Rake, nó đã được dùng nhiều trong hệ thống mạng thông tin di động CDMA thế hệ 2 .Quá trình xử lý thời gian trong bột hu Rake giúp cho hệ thống CDMA giãm ảnh hưởng của nhiễu fading. Có nhiều kỹ thuật khác nhau được dùng để tổ hợp tín hiệu tương quan .Nếu việc kết hợp tín hiệu có những trọng số phù hợp với từng kênh riêng lẽ và có hệ số khuếch đại tương xứng với những bộ phận nhiều đường tương ứng ,quá trình này gọi là tổ hợp tỷ lệ tối đa (MRC).

Nó chứa một mảng các anten thu, tín hiệu thu được từ mảng được đưa đến các bộ tổ hợp không gian để thực hiện beamforming cho những tín hiệu đa đường, mỗi đường tín hiệu sẽ được nhân với một vector trọng số khác nhau trước khi vào bộ tổ hợp. Chương này đã xét đến hai kỹ thuật phân tập chính là phân tập không gian và phân tập thời gian và sự kết hợp hai kỹ thuật phân tập này thành kỹ thuật phân tập chung là kỹ thuật phân tập Không gian-Thời gian. Kỹ thuật phân tập thời gian được thực hiện bởi bộ thu Rake, thực hiện bằng cách phân chia tín hiệu thu thành nhiều khoảng thời gian trễ khác nhau sau đó dùng kết cấu tổ hợp để tổ hợp tín hiệu chọn ra tín hiệu tốt nhất.

CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING

• Kỹ thuật MSNR Beamforming
• Kỹ thuật MSINR Beamforming

Vì vậy, bằng việc áp dụng vector trọng số ,beamformer thực hiện một hàm biến đổi theo tín hiệu làm cho không gian con (của tín hiệu và nhiễu )chỉ trực giao đến tín hiệu nhiễu. Nếu nhiễu lấn át tín hiệu, thì giá trị riêng lớn nhất sẽ không đáp ứng cho tín hiệu được nữa và đối với vector riêng ở biểu thức (3.16) cũng không còn là vector trọng số đối với MSNR nữa. Nếu nhiễu giao thoa là nhiễu trắng, vector trọng số MSNR là tốt nhất .Còn nếu chúng không phải là nhiễu trắng, thì vector riêng đáp ứng cho giá trị riêng lớn nhất của tín hiệu thu được không đáp ứng được cho vector trọng số MSNR.

Tuy nhiên vấn đề này được đề cập đến một khi cấu trúc không gian của tín hiệu giao thoa được tính đến và vector trọng số tối ưu sẽ đựơc xác định để làm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao thoa và tiếng ồn (SINR). Trước khi đi nghiên cứu các kỹ thuật beamforming khác ,chúng ta sẽ xét đến mặt 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. Vì thế, các users có data rate cao yêu cầu phải hoạt động ở mức công suất cao hơn các users có data rate thấp hơn và như vậy các tín hiệu nhiễu giao thoa không thể là nhiễu không gian trắng như đã giả thiết trong kỹ thuật MSNR được nữa.

MSINR beamforming có thể được xem là kỹ thuật xác định giá trị lớn nhất của SNR trong trường hợp nhiễu tác động là nhiễu màu, hay MSNR beamforming là trường hợp đặc biệt của MSINR trong điều kiện nhiễu tác động là nhiễu không gian trắng. Một lần nữa ta có thể nhận thấy rằng ma trận hiệp phương sai (của nhiễu giao thoa và tiếng ồn ) cùng với vector trọng số MSNR được dùng để tính trọng số MSINR. Như vậy việc làm cực đại giá trị RSINR sẽ làm cực đại SINR, và như thế sẽ không có sự phân biệt giữa 2 giá trị này trong phương pháp tìm giá trị của vector trọng lượng.

Phương trình (3.32) là phương trình đầy đủ cho trường hợp nhiễu tác động vào tín hiệu là nhiễu màu (noise colored) .Trong trường hợp này việc xác định MSNR dựa vào việc phân chia ma trận hiệp phương sai của tín hiệu thu thành 2 không gian con trực giao và tìm giá trị vector riêng sao cho nó trực giao với thành phần nhiễu và đáp ứng với thành phần tính hiệu cần thu. Tín hiệu truyền đi bị ảnh hưởng bởi 2 nhiễu giao thoa và nhiêu nhiệt, với bộ thu tín hiệu dùng anten ULA 4 phần tử, khoảng cách giữa các anten là nữa bước sóng sóng mang. Trong đó hai kỹ thuật MSNR 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.