Tách sóng đa truy nhập trong hệ thống CDMA doc

Tách sóng đa truy nhập trong hệ thống CDMA
Multiuser Detection for CDMA system
ThS. Phạm Hùng Kim Khánh

Tóm tắt
Bài này giới thiệu một phương pháp đa truy nhập sử dụng cho hệ thống CDMA. Cấu trúc của no
gồm một nhóm các bộ lọc thích hợp, mỗi bộ lọc ứng với một user. Kết quả mô phỏng biểu diễn BER của bộ tách
sóng này.
Abstract
This paper introduces a multiuser methods for CDMA system. The structure of the receiver consists
of a bank of matched filters. Computer simulation results are presented to show bit error rate of the
conventional multiuser detector.

I. GIỚI THIỆU
Trong thời gian gần đây, hệ thống thông tin trải phổ (Spread Spectrum Communication
System) đã được xem xét rộng rãi do quá trình thực hiện đã dễ dàng hơn. Hệ thống thông tin SS có
khả năng chống fading đa đường và chống nhiễu cao. CDMA (Code Division Multiple Access) là
một ứng dụng của hệ thống trải phổ.
Hệ thống CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ nhằm thực hiện cho các hệ thống thông tin có
khả năng chố
ng phá sóng cao. Kỹ thuật trải phổ là ứng dụng trực tiếp của lý thuyết thông tin của
Shannon, đã trở nên rất quan trọng trong các hệ thống thông tin do có nhiều tính năng ưu việt như
giảm mật độ công suất, độ định vị cao, độ phân giải cao,…
Trong hệ thống CDMA, nhiều user sử dụng chung miền thời gian và tần số, các mã giả
ngẫu nhiên (PN - Pseudo Noise) với sự tương quan chéo thấp được ấn
định cho mỗi user. Tốc độ
bit của chuỗi PN phải đủ lớn để trải phổ tín hiệu trên toàn băng thông. User truyền tín hiệu bằng
cách trải phổ tín hiệu truyền sử dụng chuỗi PN đã được ấn định. Máy thu sẽ tạo lại một chuỗi giả
ngẫu nhiên như ở máy phát và khôi phục lại tín hiệu nhờ việc dồn phổ các tín hiệu đồng bộ thu
được.

II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Giả sử tín hiệu gốc của một user là:
v(t) = Ad(t)cosω
0
t (1)
thì tín hiệu trải phổ DS là:
s(t) = g(t)v(t) = Ag(t)d(t)cosω
0
t (2)
trong đó:
A: biên độ tín hiệu
d(t): chuỗi dữ liệu truyền đi
g(t): chuỗi giả ngẫu nhiên
Để dồn phổ tín hiệu, phải nhân tín hiệu đã trải phổ với chuỗi giả ngẫu nhiên (lọc thích hợp
– MF: matched filter):
v'(t) = g(t)s(t) = g
2
(t)v(t) = v(t) (3)
Xét kênh truyền có K user với nhiễu cộng Gaussian thì tín hiệu trên kênh truyền:
y(t) =
K
kkk
k1
A d s (t) n(t)
=
+σ
∑
, t ∈ [0,T] (4)
trong đó T: chu kỳ symbol

s
k
(t): dạng sóng nhận dạng của cho user thứ k, chuẩn hoá với năng lượng đơn vị.

T
2
kk
0
ss(t)dt1==
∫
(5)
Giả sử tín hiệu nhận dạng bằng 0 ở ngoài khoảng [0,T] nên không tồn tại giao thoa liên ký
tự (intersymbol interference).
A
k
: biên độ thu được của user k. Giá trị
2
k
A
là năng lượng của user k.
d
k
∈{-1,+1}: chuỗi bit truyền của user thứ k
n(t): nhiễu Gaussian với mật độ phổ đơn vị. Nó thường dùng cho mô hình nhiễu nhiệt
và nguồn nhiễu không liên quan đến quá trình truyền. Công suất nhiễu trên băng thông B là σ
2
B.

Hình 1 – Tín hiệu d(t), g(t) và d(t)g(t)
Mô hình máy thu dùng bộ lọc thích hợp, còn gọi là máy thu RAKE cổ điển
(Conventional RAKE detector) như sau:






Hình 2 - Mô hình ngõ ra của bộ lọc thích hợp
Ngõ ra bộ lọc thích hợp của user thứ k:
MF user 1
MF
user 2
MF
user K
r
(
t

)

y
1
y
2
y
K
y
k
=
T
k kk jjjk
jk
0
y(t)s (t)dt A d A d n(k)
≠
=+ ρ+
∑
∫
(6)
trong đó:
n(k) =
T
k
0
n(t)s (t)dtσ
∫
(7)
ρ

ij
= <s
i
,s
j
> =
T
ij
0
s(t)s(t)dt
∫
(8)
Theo bất đẳng thức Cauchy – Schwarz:

1sss,s
jijiij
=≤><=ρ (9)
Ta có thể biểu diễn phương trình (6) ở dạng vector như sau:
y = RAd + n (10)
trong đó:
y = {y
1
, ,y
K
}
T

d = {d
1
, ,d

K
}
T

A =
1
2
K
A0 0
0A 0
00 A
⎡⎤
⎢⎥
⎢⎥
⎢⎥
⎢⎥
⎣⎦
…
…
…
…

n là vector ngẫu nhiên Gaussian có trung bình bằng 0.
R =
12 1K
21 2K
K1 K2
1
1
1

ρρ
⎡⎤
⎢⎥
ρρ
⎢⎥
⎢⎥
⎢⎥
ρρ
⎣⎦


 



Trong trường hợp kênh truyền không trực giao thì sẽ tồn tại ảnh hưởng của các user còn lại
(MAI – Multiple Access Interference).

Theo [1], xác suất lỗi của hệ thống ứng với trường hợp 2 user và K user là:

12 12
1AA 1AA
QQ
22
−ρ +ρ
⎛⎞⎛⎞
+
⎜⎟⎜⎟
σσ
⎝⎠⎝⎠

(11)

1jK
j
k
jjk
K1
e { 1,1} e { 1,1} e { 1,1} j k
jk
A
1A
Qe
2
−
∈− ∈− ∈− ≠
≠
⎛⎞
+
ρ
⎜⎟
σσ
⎝⎠
∑∑∑ ∑
……
(12)

III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Kết quả mô phỏng thực hiện trên ngôn ngữ MatLab ứng với chuỗi giả ngẫu nhiên có chiều
dài cực đại. Chương trình mô phỏng thực hiện so sánh một số loại máy thu tiêu biểu ứng với chuỗi

giả ngẫu nhiên là chuỗi nhị phân có chiều dài cực đại (Maximal Length Binary Sequence).




Hình 3 – BER của máy thu lọc thích hợp ứng với số user K = 1 ÷ 60, chiều dài chuỗi giả ngẫu
nhiên M = 1024 bit



Hình 4 – BER của máy thu lọc thích hợp theo SNR, chiều dài chuỗi giả ngẫu nhiên M = 1024
bit
Do chất lượng của hệ thống thông tin được đánh giá dựa cơ sở trên tỉ số lỗi bit (Bit Error
Rate) nên quá trình mô phỏng sẽ thực hiện tính toán thông số này. Trong tất cả các hình vẽ, trục
tung biểu thị BER theo dB và trục hoành biểu diễn giá trị tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR – Signal-
to-Noise Ratio) hay số user trong hệ thống.
Đối với máy thu RAKE cổ điển, có thể tính BER theo công thức (12), nhưng công thức này
khá phức tạp, đòi hỏi quá trình tính toán khá l
ớn nên tác giả đã giả lập một kênh truyền tồn tại
nhiễu trắng Gaussian (AWGN – Addition White Gaussian Noise).

IV. KẾT LUẬN
Bài báo giới thiệu một phương pháp tách sóng đa truy nhập trong CDMA, máy thu cổ điển
dùng phương pháp lọc thích hợp và mô phỏng ảnh hưởng của số lượng user cũng như SNR lên
chất lượng hệ thống. Nhìn chung, phương pháp này chưa thật sự đạt được kết quả tốt để có thể sử
dụng. Tác giả sẽ giới thiệu thêm một số phương pháp tách sóng khác cho kết quả tốt hơn trong bài
báo sau.


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Sergio Verdú, "Multiuser Detection", ISBN 0521593735, Cambridge University Press, 1998
[2] Matti Latva-aho, "Advanced Receivers for WCDMA system", ISBN 9514250397, University of Oulu, Oulu
Finland, 1998
[3] Habib Fathallah, "Narrowband Interference Suppression in Spread Spectrum CDMA Communications via Blind
Equalization", 1997