Trong [1] các tác giả đề xuất sử dụng bộ sửa sóng phản hồi quyết định lấy nhiều mẫu nhằm nâng cao dung lượng của hệ thống CDMA. Sở dĩ bộ sửa sóng phản hồi quyết định lấy nhiều mẫu (mỗi ký hiệu được lấy nhiều mẫu) cho chất lượng hệ thống tốt hơn so với bộ sửa sóng phản hồi quyết định thông thường (mỗi ký hiệu lấy một mẫu) là vì tốc độ lấy mẫu của nó đủ cao để không xảy ra hiện tượng gập phổ trong vùng cuốn (roll-off) đồng thời nó tối ưu hoá về phương diện cực tiểu hoá trị trung bình bình phương lỗi. Tuy nhiên, về mặt xử lý việc lấy nhiều mẫu hơn ứng với cùng một khoảng thời gian đòi hỏi độ phức tạp cao hơn cho hệ thống [43].
Xét mô hình hệ thống CDMA sử dụng bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp lấy nhiều mẫu (mỗi chip lấy 2 mẫu).
Hình 3.2 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chip lấy nhiều mẫu
Với cấu trúc như trình bày ở hình 3.2 và các tính chất như đã được đề cập ở trên bộ sửa sóng phản hồi quyết định lấy nhiều mẫu tồn tại vấn đề của “tap-wandering”. Để giải quyết vấn đề này nhiều công trình nghiên cứu của các tác giả đã đề xuất nhiều mô hình tương đương cho bộ sửa sóng phản hồi quyết định lấy nhiều mẫu. Hai loại mô hình được sử dụng nhiều nhất là mô hình đa kênh và mô hình đa pha [44,45].
2 Kênh + FFF + 2 FBF ) ( 2kLl l kL xˆ l kL x ~ Tín hiệu CDMA l kL x FS DFE - +
Trong luận án này chúng tôi đề xuất bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới dựa trên bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chip lấy nhiều mẫu cho hệ thống CDMA. Mục tiêu của bộ sửa sóng mới này là làm giảm bớt độ phức tạp trong việc xử lý của bộ sửa sóng phản hồi quyết định lấy nhiều mẫu. Cấu trúc của bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chip mới được trình bày như ở hình dưới đây
Hình 3.3 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chip mới
Trong mô hình này chúng tôi hoán đổi vị trí của bộ hạ tốc với bộ lọc hướng tới. Với cách hoán đổi này, tín hiệu sau khi được hạ tốc sẽ đi qua bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp thông thường. Ta thấy ngay bộ lọc hướng tới (FFF) trong cấu trúc này (hình 3.3) có vận tốc xử lý chậm hơn hai lần so với vận tốc xử lý của bộ lọc hướng tới trong cấu trúc cổ điển (xem hình 3.2). Cấu trúc của bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp bắt buộc phần phản hồi phải hoạt động trên chíp vì vậy do tăng tốc trước khi phát đi nên ta phải hạ tốc tín hiệu trước khi được xử lý bởi phần phản hồi của bộ sửa sóng phản hồi quyết định. Ta thấy, đối với cấu trúc của FS DFE, bộ phận FFF phải làm việc nhanh gấp hai lần . Tuy nhiên về mặt cấu trúc thì chưa hẳn kênh sẽ có ảnh hưởng lớn lúc lấy vận tốc gấp đôi. Như thế, chúng tôi cảm nhận rằng hoán vị hai thiết bị FFF và bộ giảm tốc trong cấu trúc FS DFE sẽ có tác động lớn trong chất lượng toàn hệ thống.
2 Kênh + FFF + 2 FBF ) ( 2kLl l kL xˆ l kL x ~ Tín hiệu CDMA l kL x DFE
Chương tiếp theo sẽ phân tích chất lượng của cấu trúc mới này thông qua mô phỏng Monte Carlo. Nếu những dự báo dựa trên cơ sở vật lý và trực giác của chúng tôi được khẳng định thì kết quả mô phỏng thu được sẽ chỉ ra rằng cấu trúc mới này sẽ tốt hơn so với cấu trúc DFE và bằng hoặc tốt hơn so với cấu trúc FS DFE.
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 4.1 Các thông số mô phỏng
Chương này trình bày các kết quả mô phỏng về các vấn đề đã được đề cập trong chương 3. Các kết quả mô phỏng này được thực hiện bởi phần mềm Matlab, sử dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo.
Tín hiệu CDMA có thừa số trải phổ là 20 và chuỗi giả ngẫu nhiên được sử dụng là chuỗi Walsh-Hadamard với chiều dài 20. Công suất truyền được giả thiết là như nhau cho tất cả các người dùng.
Để thấy được tính chất hội tụ của các bộ sửa sóng, mỗi kết quả trong luận án được thực hiện đối với kênh tĩnh có chiều dài kênh cực đại là 4 và sau đó lần lượt thay đổi các giá trị để thu được các kênh khác nhau.
Với mỗi kết quả, luận án thực hiện với chuỗi bit dài 1.000.000 bít tức là khoảng 100.000 lần chạy Monte Carlo. Chuỗi hoa tiêu được dùng làm chuỗi huấn luyện. Chiều dài chuỗi huấn luyện trong mỗi lần chạy (1000 bít) là 100 bít.
Luận án khảo sát 3 loại bộ sửa sóng ở cấp độ chip sử dụng cho bộ thu CDMA, đó là: bộ sửa sóng tuyến tính, bộ sửa sóng phản hồi quyết định và bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới.
Đối với bộ sửa sóng phản hồi quyết định, luận án khảo sát hai giá trị khởi tạo cho bộ lọc phản hồi là 1 và -1. Nghĩa là, với bộ lọc phản hồi có chiều dài là 3 thì giá trị khởi tạo cho nó là { 1 1 1} hoặc { -1 -1 -1}. Các kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng của hệ thống thay đổi không đáng kể khi sử dụng chuỗi chíp 1 hay -1. Vì vậy luận án chọn giá trị 1 làm giá trị khởi tạo cho bộ lọc phản hồi. Ngoài ra, phương pháp lặp lại trong cấu trúc phản hồi của bộ lọc phản hồi quyết định có ảnh hưởng lớn đến chất lượng của hệ thống. Luận án
cũng khảo sát số lần lặp lại khác nhau để xét ảnh hưởng của phương pháp đến chất lượng của hệ thống.
Thuật toán thích nghi tối thiểu trị trung bình bình phương (LMS) được sử dụng để cập nhật các hệ số của bộ lọc hướng tới và bộ lọc phản hồi của bộ sửa sóng. Các phương trình tính các hệ số theo trị trung bình bình phương tối thiểu là: ) ( ) ( ) ( ) 1 (n f n e n r n f f ) ( ) ( ) ( ) 1 (n g n e n r n g b
với f(n) và g(n) là các vectơ hệ số của bộ lọc hướng tới và bộ lọc phản hồi tại thời điểm n; rf(n) là vectơ tín hiệu thu tại thời điểm n; rb(n) là vectơ các bit quyết định được sử dụng trong bộ lọc phản hồi; e(n) là lỗi tại thời điểm n;
là kích thước của bước. Luận án sử dụng có giá trị là 10-5
.
Luận án dùng đại lượng xác suất lỗi bit như là đại lượng để đánh giá chất lượng của hệ thống CDMA. Nhiều kết quả trong luận án xét sự phụ thuộc của xác suất lỗi bít theo tỉ số tín trên tạp. Ở đây năng lượng của tín hiệu được sử dụng là năng lượng chíp mà không phải là năng lượng của bít. Phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa tỉ số tín trên tạp theo năng lượng của bít và tỉ số tín trên tạp theo năng lượng của chíp như sau
c b E N P PG N E / 0 ' 0 với N0’
là mật độ phổ công suất của nhiễu đa người dùng và nhiễu nhiệt (ồn),
PG là độ lợi trải phổ và P+1 là số tổng số người dùng trong hệ thống. Với PG = L = 20, Ec/N0 = 8, 10, 12 dB và P = 5 thì (Eb/N0’
4.2 So sánh chất lượng của bộ thu sử dụng bộ sửa sóng tuyến tính và bộ sửa sóng phản hồi quyết định sửa sóng phản hồi quyết định
Hình 4. 1 So sánh giữa bộ sửa sóng tuyến tính và bộ sửa sóng phản hồi quyết định
Kết quả mô phỏng này được thực hiện cho hệ có 5 người dùng với bộ sửa sóng tuyến tính có chiều dài là 9, bộ sửa sóng phản hồi quyết định có bộ lọc hướng tới (feedforward filter) chiều dài là 3 và bộ lọc phản hồi chiều dài là 15. Bộ sửa sóng phản hồi quyết định sử dụng phương pháp lặp với số lần lặp là 10.
Hình 4.1 trình bày mối quan hệ giữa tỉ số tín trên tạp ( theo năng lượng
của chip) (tính theo đơn vị decibel) với xác suất lỗi bit. Có thể thấy rằng bộ sửa sóng phản hồi quyết định cho chất lượng tốt hơn so với bộ sửa sóng tuyến tính. Kết quả này có thể được giải thích là do bộ DFE có khả năng loại trừ ISI tốt hơn so với bộ LE. Bộ lọc hướng tới của bộ sửa sóng phản hồi quyết định cũng như bộ sửa sóng tuyến tính chỉ có tác dụng loại trừ một phần ISI sinh ra bởi kênh tán sắc. Bộ lọc phản hồi của bộ DFE (giả sử không có các quyết
định sai) phản hồi lại các tín hiệu không có lỗi để loại trừ thêm ISI. Tuy nhiên để đạt được chất lượng như vậy thì bộ DFE lại có độ phức tạp cao hơn so với bộ LE.
4.3 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới
Hình 4. 2 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định và bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới
Hình 4.2 thể hiện mối quan hệ giữa tỉ số tín trên tạp với xác suất lỗi bit của hệ CDMA có 5 người dùng. Đường (o) là đường biểu diễn cho bộ thu sử dụng bộ sửa sóng phản hồi quyết định có chiều dài của bộ lọc hướng tới là
3 và chiều dài của bộ lọc phản hồi là 15. Đường () là đường biểu diễn cho bộ thu sử dụng bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới có chiều dài bộ lọc hướng tới là 7 và chiều dài bộ lọc phản hồi là 3. Đối với hệ thống sử dụng bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới, tại đầu phát, tín hiệu được tăng tốc lên 2 lần, sau khi qua kênh tín hiệu được hạ tốc 2 lần tại đầu vào của bộ thu. Từ hình vẽ ta thấy rằng, ứng với giá trị EC/N0 từ 0 đến 8
dB, xác suất lỗi bit của bộ lọc phản hồi quyết định thông thường bé hơn so với bộ lọc phản hồi quyết định cấp độ chíp mới. Từ giá trị 8 dB đến 20 dB bộ lọc phản hồi quyết định có xác suất lỗi bít lớn hơn đáng kể so với bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới. Với kết quả này có thể khẳng định rằng chất lượng của hệ thống tăng đáng kể khi bộ thu sử dụng bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới so với bộ sửa sóng phản hồi quyết định thông thường.
Hình 4.3 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định lấy nhiều mẫu và bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới
Ngoài kết quả mô phỏng so sánh giữa bộ sửa sóng phản hồi quyết định thông thường và bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới, chúng tôi còn tiến hành mô phỏng so sánh ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống khi sử dụng bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới với bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp lấy nhiều mẫu (hình 4.3) để khẳng định những nhận định đã đưa ra.
Kết quả mô phỏng trình bày trên hình 4.3 cho thấy chất lượng của hệ thống thay đổi không đáng kể khi sử dụng 2 loại bộ sửa sóng khác nhau cho bộ thu của hệ CDMA.
Từ các kết quả này chúng tôi tạm giải thích một cách định tính là việc tăng tốc tín hiệu CDMA lên 2 lần tại đầu phát rồi truyền qua kênh đã làm giảm tác động của kênh đa đường lên tín hiệu. Và như thế tại phía đầu thu việc hạ tốc 2 lần tương đương với việc loại trừ đi các thành phần ít mang thông tin (hay thành phần tán sắc) và giữ lại các thành phần mang thông tin.
Như nhận định của chúng tôi đã đưa ra, kết quả mô phỏng hình 4.2 và
4.3 đã khẳng định rằng, bộ sửa sóng mới này đáp ứng yêu cầu nâng cao chất lượng của hệ thống (so với việc sử dụng bộ sửa sóng phản hồi quyết định thông thường) nhưng lại giải quyết được khó khăn trong việc phải xử lý nhiều mẫu của bộ sửa sóng phản hồi quyết định lấy nhiều mẫu.
4.4 Ảnh hưởng của phương pháp lặp lại đến chất lượng của hệ thống
Như đã trình bày ở chương 3, do cấu trúc kế thừa của bộ sửa sóng phản hồi quyết định, kỹ thuật lặp lại được đề xuất áp dụng [4] cho bộ thu sử dụng bộ sửa sóng phản hồi quyết định trong hệ thống CDMA. Kết quả mô phỏng này được thực hiện với bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới với số lần lặp lại lần lượt là 1, 2, 4 và 10 cho hệ thống có 5 người dùng.
Hình 4.4 cho thấy, khi tăng số lần lặp lại trong trong cấu trúc phản hồi
của bộ lọc phản hồi quyết định thì xác suất lỗi bít giảm. Có thể nhận xét rằng, khi không thực hiện vòng lặp, chất lượng tín hiệu thu được bằng phương pháp này kém hơn nhiều so với chất lượng tín hiệu thu được bằng cách sử dụng bộ DFE thông thường có số lần lặp là 10. Điều này thể hiện ở xác suất lỗi bit thu được của bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới khi không thực hiện vòng lặp lớn hơn đáng kể so với bộ sửa sóng phản hồi quyết định thông thường (như ở hình 4.1).
Khi thực hiện vòng lặp, chất lượng của hệ thống tăng lên. Với số lần lặp là 2 thì xác suất lỗi bít của tín hiệu thu được giảm đáng kể so với trường hợp không thực hiện vòng lặp đồng thời xác suất này cũng bé hơn so với trường hợp sử dụng bộ DFE thông thường (như ở hình 4.1). Xác suất lỗi bit càng giảm khi số lần lặp càng tăng. Kết quả này cho chúng ta thấy rằng quyết định sau bao giờ cũng tốt hơn quyết định trước. Điều này cho phép khẳng định: i) vai trò quan trọng của cấu trúc phản hồi quyết định trong bộ DFE và ii) việc áp dụng kỹ thuật lặp lại trong cấu trúc DFE là hợp lý. Tuy nhiên hạn chế của phương pháp lặp lại cũng phát sinh đồng thời cùng với ưu điểm của nó. Tức là, khi thực hiện lặp lại để làm tăng chất lượng của hệ thống thì độ phức tạp của hệ thống cũng tăng lên và do đó thời gian thực hiện bị kéo dài. Kết quả mô phỏng cho thấy, khi số lần lặp khoảng 3 hoặc 4 lần thì chất lượng của hệ thống được đảm bảo. Trong thực tế, cần phải cân nhắc giữa một bên là
chất lượng nhằm đảm bảo cho hệ thống hoạt động và một bên là độ phức tạp của hệ thống.
4.5 Ảnh hưởng của số người dùng đến chất lượng của hệ thống
Hình 4.5 Ảnh hưởng của số người dùng
Kết quả khảo sát ảnh hưởng của số người dùng đến xác suất lỗi bít được trình bày như trên hình 4.5. Tiến hành mô phỏng hệ thống có số người dùng từ 1 đến 9 với tỉ số tín (năng lượng chíp) trên tạp là 10 dB sử dụng bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới tại đầu thu với số lần lặp là 10. Ta biết rằng xác suất lỗi bít cỡ 10-2
là có thể chấp nhận được đối với hệ thống truyền tiếng nói. Và như thế, hệ với các thông số mô phỏng như trên có khoảng 7 người dùng là hệ đáp ứng được yêu cầu về xác suất lỗi bít.
KẾT LUẬN
Trong hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA ở thế hệ thứ ba, việc nghiên cứu đề tìm ra một giải pháp tối ưu cho bộ thu nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống trong đường truyền hướng xuống (từ trạm cơ sở đến thuê bao di động) đã và vẫn đang được tiếp tục. Do tính chất fading chọn lọc tần số của kênh truyền, tính trực giao của các chuỗi mã bị phá huỷ dẫn đến hiện tượng nhiễu đa người dùng trong tín hiệu CDMA. Bên cạnh đó, tính chất tán sắc của kênh truyền còn làm xuất hiện ISI trong tín hiệu thu được. Việc sử dụng bộ sửa sóng thích nghi cho bộ thu vừa khắc phục được những