2.3.1.1 Thiết bị triệt nhiễu nhiều tầng
Các công nghệ hiệu quả để giảm MAI và MPI trong quá trình thu tín hiệu đ−ờng lên tại BS gồm có thiết bị triệt nhiễu và tách sóng nhiều thuê bao hay còn gọi là tách sóng đa thuê bao (MUD). Đã có rất nhiều báo cáo nghiên cứu và kết quả phát triển về các công nghệ này. Hình 2.23 trình bày sự phân loại các thiết bị triệt nhiễu. Quá trình thu tín hiệu của một thuê bao đơn không cần các mã trải phổ hoặc thông tin về tín hiệu thu từ các thuê bao khác. Bộ lọc trực giao đã đ−ợc biết đến do nó thực hiện việc cập nhật bằng cách sử dụng thuật toán lỗi bình ph−ơng trung bình (ph−ơng sai) cực tiểu ( MMSE)nhờ đó bản sao mã trải phổ đ−ợc sử dụng cho việc giải trải phổ sẽ trực giao với mã trải phổ của các tín hiệu ở các thuê bao khác (bao gồm cả các tín hiệu đa đ−ờng). Mặc dù bộ lọc trực giao có cấu hình đơn giản hơn cấu hình thu tín hiệu của nhiều thuê bao đ−ợc bàn đến ở phần sau, nh−ng vấn đề là bộ lọc này không thể ứng dụng đ−ợc cho các mã ngẫu nhiên có chu kỳ t−ơng tác dài hơn độ dài của ký hiệu (các mã dài). Ng−ợc lại, kỹ thuật thu tín hiệu của nhiều thuê bao sử dụng các tín hiệu thu và chuỗi số liệu giải mã của các thuê bao để giảm nhiễu từ các thuê bao khác theo cách xử lý phụ thuộc lẫn nhau, đó là một ph−ơng pháp phù hợp cho quá trình thu bởi BS. Mạch giải t−ơng quan tính toán ma trận nghịch đảo của ma trận t−ơng quan chéo của mã trải phổ sử dụng cho thuê bao và nhân nó với các tín hiệu của các thuê bao sau khi giải trải phổ. Mặc dù ph−ơng pháp này không chịu tác động bởi quá trình −ớc tính kênh, nh−ng quá trình tính toán ma trận nghịch đảo vẫn trở nên cực kỳ phức tạp khi số thuê bao tăng. Một trong số những ph−ơng pháp đ−ợc đề xuất là sử dụng thiết bị triệt nhiễu nhiều tầng (MSIC), thiết bị này tạo ra bản sao MAI và MPI tại phía thu dựa trên đ−ờng bao phức hợp pha đinh thu −ớc tính theo tín hiệu thu của nhiều thuê bao và dữ liệu quyết định, sau đó loại bỏ chúng khỏi tín hiệu thu để tăng SIR và cải thiện các đặc tính thu. MSIC giảm liên tục nhiễu của các thuê bao khác trong các tầng và là một giải pháp thực tế. Hiệu suất của MISC phụ thuộc vào độ chính xác của máy thu trong khả
trình −ớc tính kênh với độ chính xác cao và giảm các lỗi dữ liệu liệu quyết định trong các kênh pha đinh đa đ−ờng ( pha đinh nhiều tia) thực tế là vấn đề rất quan trọng.
Hình 2.23 Phân loại các thiết bị triệt nhiễu DS-CDMA
Một giải pháp đã đ−ợc tán thành là sử dụng thiết bị triệt nhiễu nhiều tầng nhất quán (COMSIC), thiết bị này cập nhật liên tục giá trị −ớc tính kênh ở mỗi tầng sử dụng các ký hiệu hoa tiêu. COMSIC cập nhật liên tục giá trị −ớc tính kênh để chuỗi tín hiệu có SIR tốt hơn, trong đó nhiễu đ−ợc loại bỏ tại mỗi tầng sử dụng các ký hiệu hoa tiêu (trong tr−ờng hợp lý t−ởng, việc loại bỏ MAI sẽ loại bỏ tất cả trừ các tín hiệu của thuê bao). Việc cập nhật này còn nhằm tăng độ chính xác trong quá trình −ớc tính kênh và nhờ đó cải thiện độ chính xác trong việc tạo ra các bản sao của nhiễu, giúp nâng cao hiệu quả của việc giảm nhiễu và tăng dung l−ợng đ−ờng truyền. COMSIC có thể đ−ợc chia thành hai loại: loại nối tiếp (còn đ−ợc gọi là loại liên tục) và loại song song. Hình 2.24a và 2.24b minh họa sơ đồ khối t−ơng ứng của COMSIC loại nối tiếp và loại song song.Cả hai loại COMSIC đều bao gồm các khối tạo nhiễu và −ớc tính kênh nhiều tầng (CEIGUs), khối này thực hiện xử lý −ớc tính kênh trên mỗi đ−ờng thuê bao, kết hợp các tín hiệu thu RAKE, quyết định dữ liệu và tạo ra các bản sao của nhiễu. Đầu tiên COMSIC loại nối tiếp sẽ đo SIR thu đ−ợc tại đầu ra MF và xếp hạng các thuê bao dựa trên SIR thu đ−ợc theo thứ tự giảm dần. CEIGU thực hiện giải điều chế và tạo ra các bản sao của nhiễu theo thứ tự này, bắt đầu từ các thuê bao có thứ hạng cao hơn có SIR thu lớn hơn. Giả sử rằng số thuê bao là K và số các CEIGU trong mỗi tầng cũng là K. Tín hiệu thu MF ở đ−ờng truyền thứ l ( 1 ≤l ≤Lk) của thuê bao thứ k ( 1≤k≤K) trong tầng thứ p ( 1 ≤p ≤P ) là I(p) k,l , và giá trị −ớc tính đ−ợc là
∧
I(p)
k,l. Trong tầng đầu tiên, bản sao nhiễu của các thuê bao có thứ hạng cao hơn của thuê bao đang chiếm kênh
Thiết bị triệt nhiễu Tách thuê bao đơn Tách nhiều thuê bao Bộ lọc trực giao Bộ triệt nhiễu nhiều tầng Tách t−ơng quan Phi tuyến Tuyến tính
∧
I (p)
k,l sẽ đ−ợc loại khỏi chuỗi tín hiệu thu và loại khỏi tín hiệu đầu vào CEIGU của thuê bao đang chiếm kênh. Tín hiệu đầu vào CEIGU của thuê bao có thứ hạng thấp nhất là tín hiệu còn lại sau khi loại bỏ các bản sao nhiễu của tất cả các thuê bao ra khỏi tín hiệu thu. Trong các tầng tiếp theo, các bản sao nhiễu của các thuê bao khác có thứ hạng cao hơn thứ hạng của thuê bao đang chiếm kênh đã đ−ợc tạo ra trong tầng này sẽ đ−ợc loại khỏi chuỗi tín hiệu thu, ng−ợc lại các bản sao nhiễu của các thuê bao có thứ hạng thấp hơn thuê bao đang chiếm kênh đã đ−ợc tạo ra trong các tầng tr−ớc sẽ đ−ợc loại bỏ tại chính tầng đang xét. Bằng cách đó các bản sao nhiễu đ−ợc tạo ra có sự tham chiếu tới định thời thu của mỗi đ−ờng thu tổ hợp RAKE đ−ợc −ớc tính bởi máy thu, giá trị −ớc tính kênh và dữ liệu quyết định. Tuy nhiên, các bản sao nhiễu cũng bị ảnh h−ởng xấu bởi lỗi, đặc biệt là khi chúng đã đ−ợc tạo ra với các lỗi trong giá trị −ớc tính kênh. Do đó, một giá trị điều chỉnh tải thực tế nhỏ hơn 1 đ−ợc gọi là hệ số tải trọng chống nhiễu (IRW) βp, đ−ợc lấy ra từ bản sao tín hiệu nhiễu, giá trị này đ−ợc sử dụng để làm giảm ảnh h−ởng của các lỗi trong quá trình −ớc tính kênh trong việc tạo ra bản sao tín hiệu nhiễu và cải thiện các đặc tính BER trong COMSIC. Ng−ợc lại, COMSIC dạng song song thực hiện giải điều chế và tạo ra các bản sao nhiễu cho tất cả các thuê bao theo cách song song (đồng thời). Trong tầng đầu tiên, tín hiệu thu sẽ đ−ợc đ−a thẳng đến CEIGU nh− trong tr−ờng hợp thu RAKE dựa trên MF. Trong các tầng tiếp
theo của CEIGU, các bản sao nhiễu của tất cả các thuê bao khác ∧
I (p-1)
k,l đã tạo ra trong tầng tr−ớc đó sẽ đ−ợc tham chiếu với các tín hiệu thu đã đ−ợc điều chỉnh bởi hệ số IRW βp và các tín hiệu kết quả sẽ đ−ợc đ−a vào. Nh− đã giải thích ở phần tr−ớc, COMSIC dạng nối tiếp lấy ra các bản sao tín hiệu nhiễu của các thuê bao có thứ hạng cao hơn thuê bao đang chiếm dụng kênh từ các tín hiệu thu ở ngay trong tầng đầu tiên, điều này cho phép tạo ra các bản sao nhiễu có độ chính xác cao hơn so với COMSIC dạng song song. Vì thế, với giả thiết số tầng là bằng nhau thì COMSIC dạng nối tiếp có thể đảm bảo các đặc tính BER cao hơn so với dạng song song. Hạn chế của COMSIC dạng nối tiếp là nó phải chịu sự gia tăng đáng kể thời gian trễ trong quá trình giải điều chế khi số thuê bao tăng vì nó thực hiện giải điều chế và tạo ra các bản sao nhiễu theo trật tự giảm dần của công suất thu. Khi cân nhắc đến thời gian trễ trong quá trình giải điều chế thì COMSIC dạng song song có tính thực tế hơn dạng nối tiếp.
Hình 2.24 Cấu hình của thiết bị triệt nhiễu nhiều tầng
2.3.1.2 Thiết bị triệt nhiễu nhiều tầng −ớc tính kênh t−ơng tác
Nh− đã đề cập ở trên, COMSIC dạng song song phải tạo ra các bản sao nhiễu dựa trên việc thu MF và không có bất cứ quá trình loại bỏ nhiễu nào ở tầng đầu tiên. Do đó, độ chính xác trong các bản sao nhiễu đ−ợc tạo ra bởi COMSIC dạng song song là kém hơn COMSIC dạng nối tiếp, vì sự chính xác trong quá trình −ớc tín kênh là thấp hơn và có nhiều lỗi trong việc quyết định số liệu hơn. Một giải pháp đã đ−ợc đề xuất để giúp cho các bản sao nhiễu đ−ợc tạo ra bởi COMSIC dạng song song có cùng độ chính xác
Bộ lọc thích ứng Trễ Mạch phát hiện mức Xếp hạng kênh Trễ Trễ Trễ Trễ Tín hiệu thu từ Anten Tín hiệu thu từ Anten
Tới tầng tiếp theo
Tới tầng tiếp theo
(a) Loại nối tiếp
(b) Loại song song
Tầng thứ nhất Tầng thứ nhất Tầng thứ hai Tầng thứ hai CEIGU cho thuê bao 1 CEIGU cho thuê bao K CEIGU cho thuê bao 1 CEIGU cho thuê bao K CEIGU cho thuê bao 1 CEIGU cho thuê bao 1 CEIGU cho thuê bao K CEIGU cho thuê bao K Trễ
nh− đ−ợc tạo ra bởi COMSIC dạng nối tiếp đó là thực hiện −ớc tính kênh t−ơng tác và quyết định số liệu trong mỗi tầng sử dụng các ký hiệu hoa tiêu và các ký hiệu số liệu phản hồi quyết định cho COMSIC dạng song song. Hình 2.25 minh họa cấu hình của CEIGU thực hiện −ớc tính kênh t−ơng tác sử dụng các ký hiệu hoa tiêu và số liệu phản hồi quyết định tr−ớc hoặc sau quá trình giải mã sửa lỗi. Các tín hiệu đầu vào MF
Hình 2.25 Cấu hình của CEIGU để −ớc tính kênh t−ơng tác
thu đ−ợc qua h−ớng truyền lan đa đ−ờng đầu tiên của thuê bao thứ k trong tầng thứ p là các tín hiệu thu trong đó các bản sao nhiễu của tất cả các thuê bao khác và các bản sao nhiễu của các tín hiệu thu đa đ−ờng khác tín hiệu của thuê bao đang chiếm kênh đều đ−ợc loại bỏ. Đầu tiên, quá trình −ớc tính kênh đ−ợc thực hiện trên mỗi đ−ờng sử dụng các ký hiệu hoa tiêu đ−ợc đ−a qua khối kết hợp tín hiệu thu RAKE. Các tín hiệu đã kết hợp RAKE đ−ợc giải xen kẽ và sau đó đ−ợc giải mã sữa lỗi. B−ớc thứ hai, số liệu quyết định nhị phân sau khi giải mã sửa lỗi đ−ợc đ−a tới mã hóa sửa lỗi và thực hiện xen kẽ lại (mã hóa kênh). Chuỗi số liệu ra đ−ợc sử dụng để lấy ra các thành phần điều chế số liệu trong các tín hiệu đầu ra MF ( giải điều chế). Các ký hiệu số liệu tin tức đ−ợc cộng với các ký hiệu hoa tiêu để thực hiện −ớc tính kênh lại và sẽ đ−ợc sử dụng trong quá trình −ớc tính kênh để tạo ra các bản sao nhiễu và kết hợp RAKE. Việc lặp lại quá trình −ớc tính kênh cùng với sử dụng các ký hiệu hoa tiêu và chuỗi số liệu phản hồi quyết định sau khi giải mã sửa lỗi sẽ hạn chế tối thiểu các lỗi quyết định, nâng cao độ chính xác trong quá trình −ớc tính kênh, giúp cải thiện triệt để độ chính xác trong việc
Tín hiệu đầu vào CEIGU đối với Anten
Các bản sao nhiễu của mỗi đ−ờng truyền Bộ −ớc tính kênh Kết hợp RAKE Giải đan xen Sắp xếp lại Giải mã thuật toán Viterbi Mã hoá và đan xen lại Số liệu Đ−ờng Đọc số liệu Đ−ờng
khi kết hợp tín hiệu thu RAKE làm cho thời gian trễ trong quá trình xử lý tín hiệu ngắn hơn khi sử dụng số liệu quyết định sau khi giải mã sữa lỗi, nh−ng các đặc tính chống nhiễu sẽ bị giảm do có nhiều lỗi quyết định số liệu. Việc ứng dụng quá trình −ớc tính kênh t−ơng tác trên COMSIC dạng song song kết hợp với sử dụng các ký hiệu hoa tiêu và số liệu phản hồi quyết định sau khi giải mã sửa lỗi cho phép đạt đ−ợc hiệu quả chống nhiễu t−ơng đ−ơng và thời gian trễ trong quá trình giải điều chế ngắn hơn so với COMSIC dạng nối tiếp.
Hình 2.26 cho thấy số thuê bao đ−ợc chuẩn hoá bởi độ lợi xử lý Pg ứng với tỷ số Eb/N0 tại BER = 10-3 khi sử dụng COMSIC dạng song song ba tầng có −ớc tính kênh t−ơng tác. Giả sử kiểu truyền lan sóng là hai đ−ờng có công suất trung bình bằng nhau và chịu ảnh h−ởng của pha đinh rơ le ( Rayleigh fading) độc lập tại tần số fD = 80 Hz. Để so sánh, hình vẽ cũng minh hoạ các đặc tính của ph−ơng pháp thu kết hợp RAKE dựa trên MF sử dụng phân tập không gian hai đ−ờng. Hình vẽ cho thấy rằng trong một môi tr−ờng có công suất tạp âm thực tế, các ảnh h−ởng của COMSIC bị giới hạn trong việc tăng dung l−ợng, ng−ợc lại trong các vùng có công suất nhiễu cao hơn và tỷ số Eb/N0 lớn thì dung l−ợng có thể tăng đ−ợc rất nhiều. Loại COMSIC tạo ra các bản sao nhiễu dựa trên quá trình −ớc tính kênh chỉ sử dụng các ký hiệu hoa tiêu có thể làm tăng dung l−ợng lên xấp xỉ 1,6 lần so với ph−ơng pháp thu kết hợp RAKE dựa trên MF. Loại COMSIC có −ớc tính kênh t−ơng tác ( hệ số t−ơng tác = 2) kết hợp với sử dụng số liệu quyết định sau khi giải mã sửa lỗi cộng thêm với sử dụng các ký hiệu hoa tiêu có thể làm tăng dung l−ợng lên khoảng 2,5 lần so với ph−ơng pháp thu kết hợp RAKE dựa trên MF.
Hình 2.26 Các đặc tính dung l−ợng của một ô độc lập sử dụng COMSIC dạng song song