4.1 Giới thiệu
Các kỹ thuật thích ứng đang dùng hiện nay có mục đích là tối ưu hóa tốc độ truyền dữ liệu theo sự thay đổi của kênh truyền. Các nghiên cứu gần đây cho thấy một sự cải thiện đáng kể về độ tin cậy của kênh truyền bằng cách dùng các kỹ thuật thích ứng kết hợp với các kỹ thuật phân tập dùng phương pháp tận dụng hai hay nhiều kênh liên lạc. Ở đây sẽ nói về kỹ thuật phân tập giữa các đường tín hiệu độc lập. Có nhiều cách để có được những đường fading độc lập trong một hệ thống vô tuyến. Có thể dùng nhiều antenna thu và nhận còn gọi là antenna mảng khi từng nguyên tố antenna được phân chia theo khoảng cách không gian. Loại phân tập này được gọi là phân tập không gian. Phương pháp thứ hai để có được sự phân tập bằng cách dùng một trong hai antenna phát hoặc ăng ten thu với sự phân cực khác nhau (ví dụ phân cực sóng ngang hoặc sóng đứng). Phân tập tần số có được bằng cách chuyển phát cùng tín hiệu băng hẹp ở những tần số sóng mang khác. Kĩ thuật này đòi hỏi công suất tín hiệu thêm vào để gửi dữ liệu qua dãi đa tần.
Phân tập thời gian có được bằng việc chuyển phát cùng tín hiệu ở những thời gian khác nhau, khi mà sự khác biệt thời gian lớn hơn thời gian kết hợp của kênh truyền. Trong đề tài này chúng ta tập trung vào phân tập không gian. Kĩ thuật tổ hợp sẽ được xem như là chức năng của một ăng ten mảng. Ta không đi sâu phân tích các kỹ thuật phân tập mà chỉ dùng một số kết quả có sẵn. Có nhiều kỹ thuật phân tập khác nhau. Ở đây có thể kể đến các phương pháp phân tập sau
Conventional SC là kỹ thuật phân tập bằng cách tìm đường có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR lớn nhất. Vì chỉ một nhánh được dùng ở cùng một thời điểm, SC thường yêu cầu chỉ một máy thu được kết nối vào nhánh antenna tích cực. Kỹ thuật phân tập SC có đường tín hiệu ngõ ra từ bộ tổ hợp có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR bằng với SNR cực đại của tất cả các nhánh. Hơn thế nữa, vì chỉ một nhánh tín hiệu ra được dùng, sự cùng pha của nhiều nhánh là không cần thiết, do đó kĩ thuật này có thể được dùng với điều
chế vi phân. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu trung bình ngõ ra của phương pháp này được cho bởi [15] ̅ ∫ ( ) ∫ ̅ [ ⁄̅] ⁄̅ ̅ ∑ ( )
MRC (Maximum Ratio Combining) là kỹ thuật phân tập bằng cách kết hợp tất cả các kênh, nhưng độ lợi mỗi kênh được tính tỷ lệ thuận với giá trị hiệu dụng của tín hiệu và tỷ lệ nghịch với phương sai nhiễu. MRC được dùng trên càng nhiều kênh thì độ phức tạp càng cao. Chính vì lý do đó, SC/MRC chính là kỹ thuật ra đời nhằm dung hòa giữa độ phức tạp và chất lượng của bộ thu. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu trung bình ngõ ra của phương pháp này được cho bởi [15]
∑
( )
EGC (Equal Gain Combining) là kỹ thuật phân tập bằng cách kết hợp tất cả các đường phân tập với độ lợi bằng nhau. Đây là ký thuật ra đời cũng nhằm giảm độ phức tạp của hệ thống. Trên mỗi nhánh phân tập chỉ thực hiện tính toán pha và không cần tính toán biên độ của tín hiệu thu được. Các nhánh phân tập như vậy được cộng lại với độ lợi bằng nhau. Độ phức tạp của máy thu MRC và EGC tùy thuộc vào số đường phân tập khả dụng và có thể khá cao, đặc biệt với phân tập đa đường của tín hiệu CDMA băng rộng. Máy thu MRC nhạy với lỗi ước lượng kênh truyền và những lỗi này thường xuất hiện khi SNR tức thời thấp. Mặt khác, SC chỉ dùng một đường trong số nhiều đường khả dụng L và vì thế không khai thác hết số đường phân tập cung cấp bởi kênh truyền. Gần đây, có nhiều nghiên cứu để tìm sự tương nhượng giữa hai kỹ thuật phân tập này (MRC/EGC và SC) bằng việc đưa ra kỹ thuật phân tập GSC, có thể kết hợp thích ứng (theo luật của MRC hay EGC) LC đường tốt nhất trong số L đường khả dụng. Ta kí hiệu những mô hình lai này là SC/MRC hay SC/EGC-LC/L. SC/MRC (Selective combining/Maximum Tatio Combining) là kỹ thuật phân tập bằng cách chọn LC đường có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR lớn nhất, sau đó kết hợp với độ lợi tốt nhất như MRC,
tương tự như vậy trong trường hợp SC/EGC là các đường có tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất được kết hợp theo kiểu EGC.
Trong hệ thống CDMA băng rộng kết hợp, những mô hình này làm cho máy thu ít phức tạp hơn máy thu MRC RAKE thông thường vì chúng có số lượng cố định các đường phân tập được sử dụng trong số nhiều đường. Kỹ thuật SC/MRC được thực hiện để đạt được đặc tính của MRC, trong khi đó SC/EGC được thực hiện để làm tốt hơn trong một vài trường hợp EGC truyền thống trước đây vì nó ít nhạy hơn với mất mát do kết hợp của những đường truyền có nhiều nhiễu tạp âm (SNR thấp).
SSC (Switch and Stay Combining) đây là kỹ thuật mà chỉ dùng một bộ thu, nhưng bộ thu đó sẽ kiểm tra tuần tự tất cả các nhánh. Nhánh đầu tiên được kiểm tra có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR cao hơn mức ngướng sẽ được chọn. Sau đó nếu SNR trên nhánh đó giảm thấp hơn mức ngưỡng thì bộ thu sẽ chuyển ngẫu nhiên sang một nhánh khác. Có thể có nhiều tiêu chuẩn để chọn nhánh tiếp theo. Kỹ thuật này không dùng nhiều bộ thu, sẽ cho hiệu quả về sử dụng phần cứng.
MS-GSC (Minimum Selection-Generalized Selective Combining) với phương pháp này thì bộ thu sẽ chỉ chọn lấy số nhánh cực tiểu mà làm cho SNR cao hơn mức ngưỡng. Điều này có ý nghĩa về mặt công suất. Sử dụng càng nhiều nhánh thì đồng nghĩa với việc tiêu hao nhiều công suất hơn cho bộ thu. Các nghiên cứu về kỹ thuật này nhằm tạo ra một mô hình kết hợp Rake thích ứng để tiết kiệm công suất tiêu thụ của máy thu Rake di động cho hệ thống băng rộng CDMA. Mô hình MS-GSC dự kiến cho thấy một sự chênh lệch nhỏ về tiêu chuẩn xác suất lỗi bit . Các nghiên cứu cho thấy rằng mô hình kết hợp thích ứng được đưa ra giảm thiểu công suất tiêu thụ của máy thu Rake di động đến 67,8% chủ yếu bằng việc bỏ những đường không được chọn lựa trong mô hình Rake.
Trong thực tế, số đường trong máy thu Rake là khoảng từ hai đến năm. Thay vì chọn lựa tất cả các đường chính yếu như đối với trường hợp của kết hợp tỉ số cực đại (MRC), phương pháp kết hợp chọn lựa suy rộng (GSC) chọn một số đường chính yếu
là một trường hợp đặc biệt của GSC khi mà số đường chọn lựa là cố định đối với L. Có một số cách tiếp cận khác trong đó số đường được chọn biến đổi tự động, dựa trên một mức ngưỡng tuyệt đối (AT-GSC) chọn những đường chính có hệ số SNR cao hơn mức ngững cho trước. Ngoài ra có thể chọn những đường chính có hệ số SNR cực đại trong số tất cả những đường lớn hơn mức ngưỡng cho trước (NT-GSC) .Ta có thể thấy các phương pháp phân tập GSC hướng đến tiết kiệm phần cứng và công suất tiêu tán. Các phân tích gần đây cho thấy là có thể cải thiện hiệu suất phổ bằng cách dùng kết hợp kỹ thuật điều chế thích ứng và tổ hợp phân tập AMDC (Adaptive Modulation and Diversity Combining). Có nhiều kỹ thuật AMDC được sử dụng. Có thể kể đến là ba kỹ thuật, AMDC lợi về công suất, AMDC lợi về băng thông và AMDC lợi về băng thông và công suất. Kỹ thuật AMDC lợi về công suất thì cho hiệu suất về công suất cao, AMDC lợi về băng thông thì cho hiệu suất phổ cao. AMDC lợi về băng thông và công suất thì cho cả hiệu suất phổ và công suất cao nhưng lại có tỷ lệ lỗi cao hơn. Mô hình AMDC lợi về băng thông và công suất sẽ được phân tích ở chương sau.
4.2 Điều chế thích ứng kết hợp tổ hợp phân tập
4.2.1 Mô hình tín hiệu và kênh truyền
Ta giả thiết rằng các khoảng an toàn được sử dụng đối với tín hiệu được truyền. Trong suốt những khoảng an toàn này, bộ thu sẽ tiến hành các hoạt động như ước lượng các đường, so sánh tỷ số tín hiệu trên nhiễu với mức ngưỡng SNR được định trước. Sau khi quyết định kiểu điều chế thích ứng và cấu trúc bộ tổ hợp phân tập được sử dụng tiếp theo, bộ thu báo cho bộ phát thông qua đường hồi tiếp trước khi kết thúc khoảng an toàn. Ta giả thiết hệ số fading là hằng số trong mỗi khoảng khối dữ liệu. 4.2.2 Mô hình AMDC lợi về băng thông
Với mô hình AMDC lợi về băng thông, bộ thu cố gắng để đạt được hiệu suất phổ là cao nhất. Nghĩa là bộ thu sẽ dùng đường có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR lớn nhất, so sánh với giá trị (là giá trị SNR ngưỡng ứng với kiểu truyền truyền lớn nhất, ta có
các kiểu truyền truyền là ), nếu giá trị này cao hơn thì bộ thu sẽ tổ hợp thêm đường có SNR lớn thứ nhì.
Cứ như vậy cho đến khi tất cả các đường được tổ hợp. Nếu cuối cùng mà SNR tổ hợp không cao hơn giá trị SNR ngưỡng, thì bộ thu sẽ dựa vào các vùng tương ứng với các kiểu truyền để chọn ra kiểu truyền truyền cao nhất có thể mà vẫn đảm bảo đạt được một tỷ lệ bit lỗi cho trước. Nếu không có kiểu truyền truyền nào đảm bảo được tỷ lệ bit lỗi cho trước, ta có hai option. Với option 1 thì ta sẽ truyền kiểu truyền truyền thấp nhất, bất kể tỷ lệ bit lỗi. Với option 2 thì ta sẽ không truyền kiểu truyền nào, và chờ cho đến khi điều kiện kênh truyền tốt hơn. Hình 4.1 vẽ cụ thể giải thuật lựa chọn số đường tổ hợp phân tập và tính toán tỷ số tín hiệu trên nhiễu ngõ ra cho mô hình này.
Hình 4.1 Mô hình AMDC lợi về băng thông.
4.2.3 Mô hình AMDC lợi về công suất
Với mô hình AMDC lợi về công suất, bộ thu cố gắng để đạt được công suất tiêu thụ bé nhất. Ở đây công suất tiêu thụ bé nhất nghĩa là sử dụng ít đường phân tập nhất, vì mỗi đường phân tập sẽ cần thêm một bộ tính toán cho đường phân tập đó. Nghĩa là bộ
Kết thúc Đúng Đúng Sai Sai Chọn kiểu truyền Bắt đầu Ước lượng Tính lại
thu sẽ dùng đường có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR lớn nhất, so sánh với giá trị (là giá trị SNR ngưỡng ứng với kiểu truyền truyền bé nhất), nếu giá trị này thấp hơn thì bộ thu sẽ tổ hợp thêm đường có SNR lớn thứ nhì. Cứ như vậy cho đến khi tất cả các đường được tổ hợp. Ngay khi giá trị SNR ngõ ra cao hơn mức ngưỡng thì quá trình tổ hợp dừng lại và bộ thu sử dụng số đường phân tập như đã tính toán. Nếu không có kiểu truyền truyền nào đảm bảo được tỷ lệ bit lỗi cho trước, ta có hai option như mô hình AMDC lợi về băng thông. Hình 4.2 vẽ cụ thể giải thuật lựa chọn số đường tổ hợp phân tập và tính toán tỷ số tín hiệu trên nhiễu ngõ ra cho mô hình này. Điểm khác biệt so với mô hình lợi về băng thông là giá trị so sánh là kiểu truyền bé nhất.
4.2.4 Mô hình AMDC lợi về băng thông và công suất
Với mô hình AMDC lợi về băng thông và công suất, bộ thu ưu tiên đạt được hiệu suất phổ cao nhất. Nghĩa là bộ thu sẽ dùng đường có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR lớn nhất, so sánh với ngưỡng , nếu mức ngưỡng lớn hơn thì bộ thu sẽ tổ hợp thêm đường có SNR lớn thứ nhì. Cứ như vậy cho đến khi tất cả các đường được tổ hợp. Nếu cuối cùng mà SNR tổ hợp không cao hơn giá trị SNR ngưỡng, thì bộ thu sẽ dựa vào các vùng tương ứng với các kiểu truyền truyền để chọn ra kiểu truyền truyền cao nhất có thể mà vẫn đảm bảo đạt được một tỷ lệ bit lỗi cho trước. Nếu không có kiểu truyền truyền nào đảm bảo được tỷ lệ bit lỗi cho trước, ta có hai option như mô hình AMDC lợi về băng thông.
Hình 4.2 Mô hình AMDC lợi về công suất. Đúng Sai Bắt đầu Ước lượng Tính lại Kết thúc Đúng Sai Chọn kiểu truyền
Hình 4.3 Mô hình AMDC lợi về băng thông và công suất.
Điều đáng lưu ý là khi các đường đã chọn thỏa một giá trị kiểu truyền truyền nào đó, bộ thu sẽ bớt đi đường có tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR nhỏ nhất và kiểm tra lại xem (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bắt đầu Ước lượng Tính lại Đúng Đúng Đúng Sai Sai Sai Tính lại Chọn kiểu truyền Tính lại Kết thúc Sai
kiểu truyền truyền đó có còn thỏa hay không. Nếu không thỏa thì bộ thu sẽ thêm lại đường đã bỏ. Hình 4.3 vẽ cụ thể giải thuật lựa chọn số đường tổ hợp phân tập và tính toán tỷ số tín hiệu trên nhiễu ngõ ra cho mô hình này. Trong đề tài này ta chỉ phân tích phương pháp AMDC option 2 lợi về băng thông và công suất và phân tích lỗi đường hồi tiếp đồng thời đưa ra giải thuật bù lỗi cho bộ thu trong chương kế tiếp.