CDMA
Trong phần này luận án cung cấp một vài nghiên cứu trước đây của một số tác giả sử dụng tính chất của đường truyền xuống CDMA để thiết kế bộ thu gần tối ưu và có độ phức tạp thấp. Nhiều bài trong số các bài báo này sử dụng những giải pháp về thích nghi cho bộ sửa sóng [30].
Anja Klein [15] đưa ra 3 giả thiết về đường truyền xuống:
(A1) Tất cả các tín hiệu của người dùng được truyền đi trên cùng một kênh truyền để đến bộ thu.
(A2) Chỉ chuỗi mã của người dùng mong muốn được biết trước bởi bộ thu. (A3) Độ phức tạp của việc tính toán tại thiết bị thu là thấp.
Sử dụng giả thiết (A1) và (A2) Klein đưa ra bộ sửa sóng cực tiểu hoá trị trung bình bình phương lỗi (MMSE). Kết quả của Klein đơn giản hơn so với bộ tách sóng đa người dùng tối ưu tuy nhiên yêu cầu cần phải nghịch đảo một ma trận có kích cỡ lớn nên rất khó để thực hiện trong thực tế.
Klein đưa ra giả thiết về mô hình xử lý khối. Theo Klein, ký hiệu dữ liệu của người dùng được sắp xếp thành một vectơ , b = [b(1)T, b(2)T,…,b(P)T
]T, với b(k) là vectơ ký hiệu của người dùng thứ k. Chuỗi mã trải đa tốc của các người dùng được xếp hàng thành một vectơ, C = [C(1),…,C(P)
], với ma trận trải của mỗi người dùng là một ma trận chéo.
) ( ) ( 2 ) ( 1 ) ( ... k N k k k c c c C với (k) n
c là mã trải phổ của bit thứ n, người dùng thứ k. Do đó tín hiệu truyền x
là: x = Cb (2.13) và vectơ thu y là y = Ht + (2.14) với là nhiễu cộng tính; H và ma trận chập Lc Lc Lc h h h h h h H ... ... : 0 0 0
P là số người dùng và Lc + 1 là số đường trong kênh đa đường
Ma trận sửa sóng của tín hiệu chip đa người dùng thu được, y, ứng với tiêu chuẩn ép về 0 là:
FZF = (HHH)-1HH (2.15)
Và ma trận sửa sóng của tín hiệu chip đa người dùng thu được, y, ứng với tiêu chuẩn cực tiểu hoá trị trung bình bình phương lỗi là
FMMSE = (HHH + σ2
Rx-1)-1HH (2.16)
với Rx = E[xxH]. Việc ước lượng ký hiệu của người dùng mong muốn được tính bằng cách nhân vectơ các hệ số của bộ sửa sóng thu được bởi ma trận sửa sóng (zero-forcing hoặc MMSE), và lọc tương thích với ma trận mã của người dùng mong muốn Fy C C C diag bˆ(k) ( ( (k)H (k)))1 (k)H (2.17)
Klein đã đơn giản hoá phép nghịch đảo của Rx trong phương trình (2.16) bằng giả thiết Rx = σt
2
hiệu truyền; tuy nhiên việc tính toán các phép nghich đảo trong phương trình (2.15) hoặc (2.16) để hình thành từng khối ma trận sửa sóng nhằm hình thành một khối ma trận có chiều dài lớn hơn là một công việc rất phức tạp và đòi hỏi phải biết trước đặc tính của kênh.
Nghiên cứu của Klein rất khác biệt so với các nghiên cứu trước vì Klein đã đề xuất quá trình sửa sóng các chíp thu được trước khi tiến hành giải trải phổ. Nghiên cứu của Klein đã không thử ước lượng kênh hay thiết kế một giải pháp thích nghi nào; tất các các mô phỏng đều giả thiết rằng thông tin về trạng thái kênh hoàn toàn được biết trước.
Ghauri và Slock đã chỉ ra rằng tín hiệu đường truyền xuống được trải phổ bởi chuỗi mã trực giao và được xáo trộn bởi một chuỗi dài và rằng tính chất trực giao của mã Walsh-Hadamard ngắn bị phá huỷ khi tín hiệu đi qua một kênh đa đường [10]. Bộ sửa sóng của họ áp dụng cho trường hợp đa kênh và nhằm mục đích khôi phục lại tính chất trực giao của tín hiệu đa người dùng để từ đó loại trừ nhiễu đa truy nhập MAI bằng cách giải trải phổ bằng chuỗi mã (ngắn) của người dùng mong muốn. Họ cũng xác định được chiều dài tối thiểu cần thiết của bộ sửa sóng để đáp ứng tiêu chuẩn zero-forcing.
Slock cũng là đồng tác giả của nhiều bài báo liên quan đến quá trình sửa sóng trong đường truyền CDMA xuống. Các nghiên cứu này bao gồm: Bộ thu rake loại bỏ nhiễu liên tế bào [23], bộ loại bỏ nhiễu trong tế bào sử dụng thuật toán giả mù [37], bộ thu sử dụng thuật toán mù để cực đại hoá SINR [36], bộ loại bỏ nhiễu trong tế bào sử dụng mã mở rộng [24], so sánh giữa lược đồ phân tập đường truyền xuống cho bộ thu rake với bộ thu cực đại hoá SINR [25], và bộ thu cực đại hoá SINR có cấu trúc rake [26].
Werner và Lilleberg cũng có nhiều nghiên cứu về bộ sửa sóng sử dụng trong đường truyền xuống. Trong nghiên cứu [39] các tác giả cũng dựa trên các giả thiết giống như của Ghauri và Slock [10] cho đường truyền xuống
trong hệ CDMA, tuy nhiên họ xét bộ sửa sóng được lấy mẫu ở tốc độ chíp chứ không xét đến các bộ sửa sóng lấy mẫu với tốc độ cao hơn như trong [10]. Werner và Lilleberg là người đầu tiên đề xuất thuật toán thích nghi, có dạng giống như RLS. Tuy nhiên, bộ sửa sóng của họ hoạt động trên các khối mẫu tín hiệu thu được (giống như của Klein [15]) và các mô phỏng về tính toán của họ chỉ xét đối với các kênh tĩnh. Một vài bài báo sau đó đưa ra các giải pháp thích nghi đơn giản hơn như: [13], [16], [17], [14]. Thuật toán Grifith là sự bổ sung cho LMS dựa vào việc ước lượng kênh.
Krauss và Zoltowski cũng đã đóng góp một vài bài báo về quá trình sửa sóng đối với hệ CDMA đồng bộ sử dụng mã dài. Họ sử dụng điều kiện ép về 0 (zero-forcing) cho bộ sửa sóng hai kênh và đưa ra kết quả mô phỏng nghiên cứu sự so sánh giữa bộ sửa sóng zero-forcing và bộ thu rake [41]. Sau đó họ kết hợp hiệu quả các kết quả nghiên cứu của Ghauri và Slock [10] và Frank [9], bằng cách đưa ra bộ sửa sóng MMSE đa kênh, và so sánh bộ sửa sóng MMSE lý thuyết với bộ thu ép về 0 và bộ thu rake [18]. Bằng cách sử dụng định lý ma trận nghịch đảo, họ chỉ ra rằng bộ sửa sóng MMSE trung bình
H H I H e
f* t2 t2 H w2 1 H (2.18)
có thể được viết lại thành
H HH I e
f* t2 H t2 H w2 1 (2.19)
Với SNR bé bộ sửa sóng MMSE giống như một bộ thu tương thích
e H
f* H (2.20)
và với SNR lớn nó giống như một bộ sửa sóng zero-forcing
HH e
H
f* H t2 H 1 (2.21)
Trong [19] bộ sửa sóng MMSE và zero-forcing được nghiên cứu trong trường hợp chuyển vùng mềm được đặc trưng bởi ký hiệu dữ liệu di động nhận được đồng thời từ hai trạm cở sở và do đó bộ thu phải chịu nhiễu ngoài tế bào. Bộ sửa sóng MMSE thể hiện chất lượng tốt trong các trường hợp này
bởi vì nó có khả năng triệt nhiễu không trắng. Các kết quả mô phỏng được thực hiện với bộ thu MMSE và rake lý tưởng trong [20], [21].
Bộ sửa sóng mức độ chip, mức độ ký hiệu và mức độ ký hiệu bị ràng buộc bởi không gian con được đưa ra trong [22], [42]. Bộ sửa sóng mức độ chíp cực tiểu hoá trị trung bình bình phương lỗi giữa tín hiệu phát và tín hiệu sau khi đi qua bộ sửa sóng; bộ sửa sóng MMSE mức độ ký hiệu cực tiểu hoá MSE giữa bit ước lượng và bit mong muốn, và bộ sửa sóng bị ràng buộc bởi không gian con thực hiện việc chiếu tín hiệu thu được trước khi vào bộ sửa sóng lên không gian con được mở rộng bằng cách dịch các mã trộn và nhân với mã người dùng mong muốn được nghịch đảo về thời gian. Vì việc ước lượng bit là một hàm của mã trộn, bộ sửa sóng mức độ ký hiệu và bộ ràng buộc không gian con thay đổi từ bit này sang bit khác. Một vài giả thiết được đặt ra để làm đơn giản việc tính toán cho bộ sửa sóng mức độ ký hiệu, tuy nhiên các kết quả mô phỏng chỉ ra rằng chất lượng thu được hai loại sửa sóng này không bằng so với bộ sửa sóng mức độ chip.
Chowdhury và Zoltowski nghiên cứu bộ sửa sóng đối với kênh có đặc tính không liên tục (sparse) trong [6], [7], [8]. Trong nghiên cứu này bộ lọc Wiener (MSNWF) nối tầng thích nghi theo khối được sử dụng và bộ lọc này cho thấy nó có khả năng hội tụ tốt trong trường hợp kênh tĩnh [6], [7]. Phương pháp này cũng chiếu tín hiệu thu được lên một không gian con ít chiều hơn trước khi đưa vào bộ MSNWF để tăng tốc độ hội tụ. Phương pháp này được gọi là “sửa sóng cấu trúc giả mù”. Sự không liên tục (sparse) của kênh ngụ ý rằng đáp ứng kênh nằm trong một vùng không gian được mở rộng bởi một vài cột của ma trận nhân chập định dạng xung. Để xác định không gian con thì cần phải biết trước vị trí đỉnh của kênh. Bộ sửa sóng cấu trúc giả mù có chất lượng tốt hơn so với bộ sửa sóng LMS và RLS sử dụng kênh hoa
tiêu làm chuỗi huấn luyện trong trường kênh có đặc tính không liên tục thay đổi theo thời gian [8].
L.Mailaender của Lucent đã nghiên cứu các kỹ thuật tính toán hiệu quả cho bộ sửa sóng MMSE giả sử biết trước các tính chất của kênh [29]. Mailaender giả sử rằng bộ sửa sóng MMSE được tính toán với tốc độ bằng nghịch đảo với khoảng thời gian để đơn vị di động đi được 1/10 bước sóng. Các kỹ thuật tính toán bao gồm kỹ thuật Khối -Toeplitz, Đa pha và các khối lặp lại Gauss-Seidel. Các nghiên cứu được thực hiện trong môi trường kênh không có fading.
Bộ sửa sóng mù được phát triển bởi Li và Liu thoả mãn tiêu chuẩn sau [27]: 2 0 ( ) min arg ˆ EC Y n f f H f (2.22)
với điều kiện E c1HY(n)f 2 1
với C0là không gian con trực giao với mã người dùng, tức là mã trội; c1 là mã người dùng mong muốn; và Y(n)f là tín hiệu thu đã đi qua bộ sửa sóng. Thuật toán thích nghi sử dụng cho việc huấn luyện f cũng được đưa ra trong nghiên cứu này. Cần chú ý rằng thuật toán này sử dụng trong trường hợp mã ngắn cũng như cho trường hợp mã dài bởi tín tín hiệu tốc độ chip được sửa sóng trước khi thực hiện chiếu. Mã trộn được sử dụng tại bộ phát làm quay không gian mã từ ký hiệu này sang ký hiệu khác nhưng mã vẫn giữ được tính trực giao bởi vì việc trộn mã được thực hiện là duy nhất. Bộ sửa sóng mù (2.22) đẩy năng lượng của tín hiệu thu về lại không gian mã theo hướng của người dùng mong muốn vì vậy quá trình giải trải phổ sẽ loại bỏ nhiễu đa truy nhập. Slock và Ghauri chỉ ra rằng bộ sửa sóng mù (2.22) là cực đại hoá SINR trong trường hợp mã trộn ngẫu nhiên [36].
Một số bài báo của các nhà nghiên cứu tại trung tâm Interuniversity Micro-Electronics, Bỉ đề xuất bộ sử sóng RLS sử dụng tín hiệu hoa tiêu tốc
độ bit giống như nghiên cứu của Frank và Visotsky [9]. Kết quả cho thấy bộ sửa sóng được lấy mẫu tốc độ cao hơn tốc độ baud có chất lượng tốt hơn bộ sửa sóng lấy mẫu ở tốc độ baud [31]. Tiếp theo đó phương pháp bán mù đề xuất để dùng cho bộ sửa sóng khi tín hiệu thu đã được sửa sóng được chiếu lên không gian con trực giao với mã người dùng , tín hiệu chiếu gần giống với tín hiệu hoa tiêu về mặt bình phương tối thiểu [32]. Việc xử lý khối và các thuật toán thích nghi được suy ra dựa trên mô hình có ít nhất là 2 kênh thu. Nếu ký hiệu hoa tiêu xuất hiện trong chuỗi bit của người dùng mong muốn thì bộ sửa sóng bán mù thể hiện được ưu điểm của nó [33].
Từ năm 1993, Bottomley của Ericcson đã chỉ ra rằng bộ thu rake chỉ gần tối ưu trong đường truyền CDMA xuống bởi vì sự xuất hiện của nhiễu liên tế bào (không phải là nhiễu trắng) trên cùng kênh truyền với người dùng mong muốn [2]. Bộ thu rake (bộ lọc tương thích) là tối ưu trong trường hợp truyền thông ký hiệu đơn (single-symbol) với nhiễu Gauss trắng cộng tính. Bằng giả thiết rằng nhiễu ngoài tế bào được xem như nhiễu Gauss, Bottomley suy ra bộ thu rake tổng quát có khả năng tối ưu hoá SINR [3]. Trọng số của nhánh trong bộ thu rake giống hệt nghiệm của bộ sửa sóng MMSE. Bộ thu rake tổng quát cũng cho thấy rằng nó có thể triệt nhiễu trong tế bào [38].
Monisha Ghosh của nhóm nghiên cứu Phillip chỉ ra rằng bộ sửa sóng MMSE được huấn luyện bởi tín hiệu hoa tiêu đã được giải trải phổ là gần tối ưu theo nghĩa cực đại hoá SINR của chuỗi bit ước lượng của người dùng mong muốn [11]. Tác giả cũng chỉ ra rằng hệ DS-CDMA sử dụng nhiều chuỗi hoa tiêu có thể dễ dàng bắt kịp sự thay đổi của kênh fading nhanh bằng cách sử dụng thuật toán thích nghi bình phương tối thiểu cho chuỗi hoa tiêu biết trước.
Nhiều phương pháp sửa sóng quyết định phản hồi cũng đã được đề xuất. Majeed Abdurahman và cộng sự [1] là những người đầu tiên nghiên cứu
cấu trúc DFE sử dụng trong hệ thống CDMA. Trong nghiên cứu này các tác giả sử dụng hai loại cấu trúc bộ sửa sóng phản hồi, loại thứ nhất sử dụng các bộ lọc nhánh mà mỗi nhánh là một bộ lọc tương thích với người dùng mong muốn được dịch đi; loại thứ hai thực hiện lấy mẫu tín hiệu tại đầu ra của bộ lọc tương thích với tốc độ lấy mẫu bằng một số nguyên lần chu kỳ ký hiệu. Trong nghiên cứu này, đầu thu chỉ cần biết trước chữ ký của người dùng mong muốn.
Bộ sửa sóng DFE do Roesler và cộng sự nghiên cứu trước tiên giải mã tín hiệu thu được để cung cấp ước lượng bit đa người dùng tin cậy phục vụ cho việc trải phổ lại và đưa vào đầu vào bộ xử lý DFE cấp độ chip để xử lý lại[34]. Việc giải mã trước khi trải phổ lại là cần thiết bởi vì các bít ước lượng được tạo ra bởi tín hiệu hoa tiêu cho qua bộ sửa sóng là không tối ưu.
Zhi Tian và cộng sự đề xuất bộ sửa sóng phản hồi sử dụng các điều kiện ràng buộc thích hợp đối với các vectơ trọng số của bộ thu để khắc phục lỗi trễ truyền tại pha ban đầu và khi môi trường truyền sóng thay đổi đột ngột. Các điều kiện ràng buộc này được xây dựng từ chuỗi mã trải (chữ ký) của người dùng mong muốn. Bằng cách sử dụng các điều kiện ràng buộc này bộ sửa sóng có thể không cần dùng đến chuỗi huấn luyện. Thuật toán thích nghi RLS cũng được sử dụng để cập nhật các thành phần của vectơ hệ số của các bộ lọc.
Trong [5] Li – Men Chen và Bor-Sen Chen đưa ra bộ sửa sóng phản hồi sử dụng thuật toán lọc Kalman để ước lượng đáp ứng kênh cho mục đích thích nghi với điều kiện biết trước một phần tính chất thống kê của kênh truyền. Bộ lọc feedforward và bộ lọc phản hồi được thiết kế không chỉ bởi việc ước lượng đáp ứng kênh mà còn bởi độ bất định và ước lượng hiệp phương sai lỗi của kênh.
Jinho Choi và cộng sự [4] đề xuất sử dụng kỹ thuật lặp lại cho bộ sửa sóng phản hồi cấp độ chip dùng trong kênh truyền xuống của hệ CDMA. Trong nghiên cứu này các tác giả sử dụng hàm định giá ở cấp độ ký hiệu để tối thiểu hoá giá trị trung bình bình phương lỗi. Các tác giả cũng suy ra nghiệm gần đúng với giá trị tối ưu của bộ sửa sóng phản hồi theo tiêu chuẩn MMSE ở cấp độ chip. Ngoài phương pháp quyết định cứng, nghiên cứu còn sử dụng phương pháp quyết định mềm làm đầu vào cho bộ lọc phản hồi. Nghiên cứu chỉ ra rằng kỹ thuật lặp lại làm tăng chất lượng của hệ thống. Tuy nhiên, bộ thu sử dụng bộ sửa sóng phản hồi quyết định này đòi hỏi phải biết trước chữ ký của tất cả các người dùng.
Yang và Li đề xuất bộ DFE sử dụng bảng chữ cái hữu hạn các ký hiệu