nghiên cứu giải pháp phân tập không gian và thời gian trong WCDMA pptx

1
CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG MẠNG DI ðỘNG WCDMA

Giới thiệu chung
Trong những năm gần ñây, công nghệ không dây là chủ ñề ñược nhiều chuyên
gia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông. Trong thời gian này công
nghệ này ñược rất nhiều người sử dụng và ñã trải qua rất nhiều thay ñổi. Quá trình
thay ñổi thể hiện qua các thế hệ:
 Thế hệ không dây thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ
ña truy cập phân chia theo tần số (FDMA).
 Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ ña truy cập phân chia theo
thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).
 Thế hệ thứ 3 ra ñời ñánh giá sự nhãy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và
ứng dụng so với các thế hệ trước ñó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ ña phơng
tiện gói.
1.1 Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 1
Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử
dụng kỹ thuật ñiều chế tương tự ñể mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụng
phương pháp ña truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Với FDMA, khách hàng
ñược cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ
ñồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn ñể hoạt ñộng thì
nó dò sóng tìm ñến kênh ñiều khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận
ñược dữ liệu báo hiệu gồm các lệnh về kênh tần số dành riêng cho lưu lượng người
dùng . Trong trường hợp số thuê bao nhiều hơn số lượng kênh tần số có thể, thì một
số người bị chặn lại không ñược truy cập.
Phổ tần số quy ñịnh cho liên lạc di ñộng ñược chia thành 2N dải tần số kế tiếp, và
ñược cách nhau bởi một dải tần số phòng vệ . Mỗi dải tần số ñược gán cho một
kênh liên lạc. N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng lên, sau một dải tần phân
cách là N dải kế tiếp dành riêng cho liên lạc hướng xuống.
ðặc ñiểm :

- Mỗi MS ñược cấp phát một ñôi kênh liên lạc trong suốt thời gian thông
tuyến.
- Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là ñáng kể.
- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.
Hệ thống FDMA ñiển hình là hệ thống ñiện thoại di ñộng AMPS (Advanced Mobile
Phone System). Hệ thống di ñộng này sử dụng phương pháp ña truy cập ñơn giản.
Tuy nhiên, hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả
dung lượng và tốc ñộ. Vì thế, hệ thống di ñộng thứ 2 ra ñời ñược cải thiện về cả
dung lượng và tốc ñộ.
1.2 Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2
Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2
ñược ñưa ra ñể ñáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di ñộng dựa trên công
nghệ số.
2
Tất cả hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2 sử dụng phương pháp ñiều chế số và sử
dụng 2 phương pháp ña truy cập :
- ða truy cập phân chia theo thời gian TDMA.
- ða truy cập phân chia theo mã CDMA.
ða truy cập phân chia theo thời gian TDMA:
Phổ quy ñịnh cho liên lạc di ñộng ñược chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần
liên lạc này ñược dùng cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian
trong chu kì một khung. Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen khe
thời gian, mỗi thuê bao ñược cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung.
ðặc ñiểm:
- Tín hiệu của thuê bao ñược truyền dẫn số .
- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong
ñó một băng tần ñược sử dụng ñể truyền tín hiệu từ trạm gốc ñến các máy di ñộng
và một băng tần ñược sử dụng ñể truyền tín hiệu từ máy di ñộng ñến trạm gốc. Việc
phân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát có thể hoạt ñộng cùng
một lúc mà không có sự can nhiễu lẩn nhau.

- Giảm số máy thu ở BTS.
- Giảm nhiểu giao thoa.
Hệ thống TDMA ñiển hình là hệ thống di ñộng toàn cầu GSM. Máy di ñộng kỹ
thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA. Hệ thống xử lý số ñối với tín hiệu trong MS
tương tự có khả năng xử lý không quá 10
6
lệnh trong 1 giây, còn trong MS số
TDMA phải có khả năng xử lý 50.10
6
lệnh trong 1 giây.
ða truy cập phân chia theo mã CDMA:
Trong thông tin di ñộng CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử
dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến ñồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không
sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên ñược phân biệt với nhau nhờ
mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, ñược cấp phát khác nhau cho mỗi người sử dụng.
ðặc ñiểm
- Dải tần tín hiệu rộng .
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường ñộ trường rất
nhỏ và chống fading hiệu quả hơn TDMA và FDMA.
- Việc các thuê bao trong cùng cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền
dẫn ñơn giản và việc thay ñổi, chuyển giao, ñiều khiển dung lượng cell thực hiện rất
linh hoạt.
1.3 Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 3:
ðể ñáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và ña dạng của người sử
dụng, từ ñầu thập niên 90 người ta ñưa ra hệ thống thông tin di ñộng tổ ong thế hệ
thứ 3. Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 ñưa ra các muc
tiêu chính sau:
- Tốc ñộ truy nhập cao ñể ñảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập
Internet nhanh hoặc các dịch vụ ña phương tiện.

3
- Linh hoạt ñể ñảm bảo các dịch vụ mới như ñánh số cá nhân và ñiện thoại vệ
tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng ñáng kể tầm phủ sóng của các hệ
thống thông tin di ñộng.
- Tương thích với các hệ thống thông tin di ñộng hiện có ñể ñảm bảo sự phát
triển liên tục của thông tin di ñộng.
3G hứa hẹn tốc ñộ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh, 384 Kbps cho
người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto. Công nghệ 3G
dùng sóng mang 5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz như của CDMA nên
3G nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ
thống thông tin di ñộng thế hệ 3 ITM-2000 ñã ñược ñề xuất, trong ñó 2 hệ thống
WCDMA và cdma-2000 ñã ñược ITU chấp thuận và ñang ñược áp dụng trong
những năm gần ñây. Các hệ thống này ñều sử dụng công nghệ CDMA, ñiều này cho
phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô tuyến.
1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2 (GSM) lên
WCDMA











ðể ñảm bảo ứng dụng ñược các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình
ảnh ñồng thời ñảm bảo tính kinh tế , hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 2 sẽ ñược
chuyển ñổi sang thế hệ 3. Quá trình ñó ñược tổng quát trên hình 1.1.

Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA như sau:





Ký hiệu:
 GSM: Global System for Mobile Communication: Hệ thống thông tin di
ñộng toàn cầu.
 HSCSD: Hight Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch kênh
tốc ñộ cao.
 GPRS: General Packet Radio Services: Dịch vụ gói vô tuyến chung.
 WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access: ða truy cập phân
chia theo mã băng rộng.
Hình 1.1. Các gi
ải pháp nâng cấp hệ thống 2G l
ên

GSM




WCDM
HSCSD

GPRS

Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA
4

1.5 Tổng quan về mạng WCDMA
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: ða truy cập phân chia
theo mã băng rộng) là một trong những hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 3, sử dụng
công nghệ CDMA. Công nghệ CDMA ( Code Division Multiple Access: ða truy
cập phân chia theo mã), là một công nghệ không dây, số sử dụng kỹ thuật trải phổ
ñể phân tần tín hiệu vô tuyến trong một dãi tần số rộng. Trong công nghệ CDMA,
nhiều người sử dụng chung một thời gian và tần số. Mã PN (giả ngẫu nhiên) với sự
tương quan chéo thấp, ñược ấn ñịnh cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền
tín hiệu nhờ trải phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN ñã ấn ñịnh. ðầu thu tạo ra
một dãy PN như ñầu phát và khôi phục lại tín hiệu dự ñịnh nhờ việc trải phổ ngược
các tín hiệu ñồng bộ thu ñược. Cũng giống như TDMA, WCDMA là một trong
nhiều công nghệ chủ ñạo ñể mạng thông tin di ñộng hoạt ñộng. Nó cũng ñược biết
như là một giao diện vô tuyến hay công nghệ ña truy xuất. WCDMA là một giao
diện vô tuyến phức tạp và tiên tiến trong lĩnh vực thông tin di ñộng. WCDMA có 2
chế ñộ khác nhau là FDD và TDD. Khả năng làm việc ñược ở cả hai chế ñộ FDD và
TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần ñược cấp phát ở các vùng khác nhau.
• FDD (Frequency Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong ñó
truyền dẫn ñường lên và ñường xuống sử dụng hai tần số riêng biệt. Ở FDD ñường
lên và ñường xuống sử dụng hai băng tần khác nhau. Hệ thống ñược phân bố một
cặp băng tần riêng biệt
• TDD (Time Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong ñó ñường
lên và ñường xuống ñược thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử dụng những
khe thời gian luân phiên. Ở TDD các khe thời gian trong các kênh vật lý ñược chia
thành hai phần : phần phát và phần thu. Thông tin ñường xuống và ñường lên ñược
truyền dẫn luân phiên.
1900 1920 1980 2020 2025 2110 2170 (MHz)
TDD
RX/TX
FDD
Uplink

TDD
RX/TX

FDD
Downlink














f
5MHz

ðường
lên
ðường
xuống
ðường
lên
ðường

xuống
Khoảng Bảo

vệ

5MHz

t
t

f
FDD
TDD
Hình 1.3 Phân bố tần số FDD và TDD
5
Khả năng làm việc của cả hai chế ñộ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ
tần ñược cấp phát ở các vùng khác nhau.
Ba thông số cơ bản của mạng WCDMA:
 Lớp truy nhập: ñược tạo ra bởi các trạm gốc (node B) và các bộ ñiều khiển
mạng vô tuyến khác nhau ñể phân tích và ñiều khiển lưu lượng vô tuyến.
 Mạng lõi có hai vai trò chính :
 Giải quyết việc ñịnh hướng hay ñịnh tuyến ñến nơi mà cuộc gọi hoặc số liệu
gửi ñến. Phương tiện cơ bản là sử dụng hệ thống chuyển mạch ñể ñịnh tuyến thông
tin qua một số máy chủ khác nhau xung quanh mạng.
 Là một mạng ñường trục và giải quyết các chức năng kỹ thuật, khả năng truy
nhập thuận tiện tới mạng số liệu gói khác, cung cấp một giao diện với Internet và
phân loại thông tin tính cước và bảo mật.
 Lớp dịch vụ ñiều khiển các ưu tiên, các ñặc tính và khả năng truy nhập cơ
bản của thuê bao tới các dịch vụ nâng cao ñã làm cho 3G có một vị trí tuyệt vời.

1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA
 WCDMA là một phương pháp ña truy xuất vô tuyến phân chia theo mã trải
phổ trực tiếp dải rộng, nghĩa là các bit thông tin của các user ñược trải ñều ra trên
một dải thông rộng bằng việc nhân dữ liệu của user với các mã ngẫu nhiên (gọi là
chip) nhận ñược trải phổ trong WCDMA.
 Tốc ñộ chip 3.84Mcps ñược sử dụng cho ghép dải thông sóng mang xấp xỉ
tới 5MHz. Dải thông sóng mang của WCDMA rộng như thế gắn liền với tốc ñộ dữ
liệu của uesr cao và còn có hiệu quả nâng cao khả năng phân tập tần số. Các nhà
quản lý mạng có thể tăng dung lượng nhờ dải thông của sóng mang là 5MHz.
Khoảng cách các sóng mang có thể chọn trên những khoảng 200KHz giữa khoảng
4.4 ñến 5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang.
 WCDMA cung cấp tốc ñộ khả biến cho các user rất cao, hiểu theo cách khác
chính là dải thông theo yêu cầu cũng ñược cung cấp. Mỗi user ñược cung cấp một
khung giây có chu kỳ 10ms trong khi tốc ñộ dữ liệu vẫn giữ nguyên không ñổi. Tuy
nhiên dung lượng dữ liệu có thể thay ñổi từ khung này ñến khung khác.
 WCDMA cung cấp hai chế ñộ hoạt ñộng cơ bản là FDD và TDD. Trong
FDD các khoảng tần số sóng mang 5MHz ñược sử dụng cho sóng mang hướng lên
và hướng xuống riêng rẽ, trong khi ñó TDD chỉ có một khoảng 5MHz ñược dùng
cho cả hướng lên và hướng xuống.
 WCDMA cung cấp hoạt ñộng bất ñồng bộ cho các trạm gốc và do ñó không
giống như hệ thống ñồng bộ IS-95 CDMA, nó không cần thời gian chuẩn trên toàn
cầu GPS.
 WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho hướng lên và hướng xuống nhờ các ký
hiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, dẫn tới tăng dung lượng và vùng phủ sóng .
 WCDMA ñược thiết kế ñể phát triển nâng cấp cho chuẩn GSM vì vậy có thể
chuyển giao giữa mạng GSM và mạng WCDMA.

6

Phương thức ña truy xuất . DS-CDMA.
Phương pháp ghép song công.

FDD/TDD.
ðồng bộ trạm gốc. Hoạt ñộng bất ñồng bộ.
Tốc ñộ chip. 3.84Mcps.
ðộ dài khung . 10ms.
Ghép dịch vụ.
ða dịch vụ với yêu cầu chất lượng dịch vụ
khác nhau ñược ghép trên một kết nối.
ða tốc ñộ. Hệ số trải phổ khả biến và ña mã.
Tách sóng.
Tách sóng kết hợp nhờ sử dụng kênh hoa
tiêu.

1.5.2 Những ñặc ñiểm then chốt của WCDMA
Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có
những ñặc tính ñáp ứng nhu cầu của thế hệ thứ 3. Những ñặc ñiểm chủ yếu trong hệ
thống WCDMA là :
 Cải thiện những hệ thống thế hệ thứ 2 bao gồm: cải thiện dung lượng, cải
thiện vùng phủ sóng, bao gồm cả khả năng di chuyển những dịch vụ thế hệ thứ 2
sang thế hệ thứ 3.
 Tính linh hoạt cao của dịch vụ bao gồm: Có các dịch vụ tốc ñộ bit cực ñại
trên 2 Mb/s và các dịch vụ ghép song song trên một kết nối.
 Thực hiện truy nhập gói hiệu quả và tin cậy.
 Tính linh hoạt cao của vận hành bao gồm: Hỗ trợ hoạt ñộng không ñồng bộ
giữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều môi trường. Hỗ trợ một cách
có hiệu quả dạng hoạt ñộng khác chẳng hạn cấu trúc ô có bậc. Sử dụng kỷ thuật tiến
bộ như phối hợp anten dàn và tách người dùng. Mô hình TDD ñược thiết kế ñể hoạt
ñộng hiệu quả trong môi trường không kết hợp.

 Cải thiện dung lượng: ðộ rộng băng tần lớn của WCDMA làm tăng hiệu suất
vốn có trên các hệ thống tế bào trước ñó do nó làm giảm fading của tín hiệu vô
tuyến. Ta biết rằng WCDMA sử dụng ñiều chế kết hợp ở ñường lên, ñây là tính
năng không thể thực hiện ñược ở trong các hệ thống CDMA tế bào. ðiều khiển
công suất chắc chắn ở ñường xuống sẽ có hiệu suất hoàn hảo, ñặc biệt ở môi trường
trong nhà và môi trường ngoài trời có tốc ñộ thấp.
Nói chung, ñối với dịch vụ thoại, sự cải thiện này là một bước tiến vì ñây là một
trong hai yếu tố làm tăng dung lượng cell của WCDMA.
1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA
Trong kênh thông tin vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu ñược chỉ bao gồm một tín
hiệu ñến trực tiếp. Song, trong thực tế ñiều ñó là không thể xảy ra, tín hiệu sẽ bị
thay ñổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu thu ñược sẽ là sự kết hợp các thành
phần khác nhau: tín hiệu suy giảm, khúc xạ, nhiễu xạ của các tín hiệu
khác…WCDMA là hệ thống di ñộng vô tuyến nên sẽ bị ảnh hưởng bởi ñiều ñó. Sau
ñây là mô hình của hai loại nhiễu chính, ñó là nhiễu fadinh nhiều tia và nhiễu giao
thoa.
7

Hình 1.4 Các tín hiệu ña ñường

Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa
ðể làm giảm các ảnh hưởng của các loại nhiễu trên, trong WCDMA có nhiều kỹ
thuật xử lý ñó là: mã hoá kênh, ñiều chế, trải phổ, phân tập…Trong ñồ án này ta sẽ
ñi nghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu.
1.5.4 Tính ña dạng phân tập trong WCDMA
Trong hệ thống ñiều chế băng hẹp như ñiều chế FM tương tự ,sử dụng trong hệ
thống thông tin di ñộng tổ ong ñầu tiên thì tính ña ñường tạo nên fading nghiêm
trọng. Tính nghiêm trọng của ña ñường fading ñược giảm ñi trong ñiều chế CDMA
băng rộng ,vì các tín hiệu qua các ñường khác nhau ñược thu nhận một cách ñộc lập
.Nhưng hiện tượng ña ñường xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do fading

ña ñường không thể loại trừ hoàn toàn ñược vì với các hiện tượng fading xảy ra
một cách liên tục ñó thì bộ ñiều chế không thể xử lí tín hiệu thu một cách ñộc lập
ñược. Phân tập là một hình thức tốt ñể làm giảm fading,có 3 loại phân tập là theo
tần số ,theo thời gian và theo khoảng cách .Phân tập theo thời gian ñạt ñược nhờ sử
dụng việc chèn và mã sữa sai .Phân tập theo thời gian có thể ñược áp dụng cho tất
cả các hệ thống có tốc ñộ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa sai yêu cầu. Hệ thống
CDMA băng rộng ưứngduụngviệc phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng
báo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên hợp với tần số thường có ảnh
8
hưởng ñến băng tần báo hiệu(200-300kHz). Nhưng với một băng tần rộng thì fading
ít ảnh hưởng ñến tín hiệu hơn .Phân tập theo khoảng cách hay ñường truyền thường
ñạt ñược theo 3 phương pháp sau:
-Thiết lập nhiều ñường báo hiệu(chuyển vùng mềm) ñể kết nối máy di ñộng với
2 hoặc nhiều trạm gốc BTS.
-Sử dụng môi trường ña ñường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu quét
thu nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian.
-ðặt nhiều anten tại BS (anten mảng).
Phân tập theo khoảng cách có thể dễ dàng ñược áp dụng ñối với hệ thống
TDMA và FDMA. Phân tập theo thời gian có thể ñược áp dụng cho tất cả các hệ
thống số có tốc ñộ mã truyền dẩn cao mà thủ tục sữa sai yêu cầu. Phân tập theo tần
số có thể dể dàng ñược áp dụng cho hệ thống CDMA.
Bộ ñiều khiển ña ñường tách dạng sóng nhờ sử dụng bộ tương quan song song.
Máy di ñộng sử dụng 3 bộ tương quan ,BTS sử dụng 4 bộ tương quan. Máy thu có
bộ tương quan song song gọi là máy thu quét (Rake), nó xác ñịnh tín hiệu thu theo
mỗi ñường và tổ hợp, giải ñiều chế tất cả các tín hiệu thu ñược. Fading có thể xuất
hiện ở các ñường tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các ñường tín
hiệu thu.Vì vậy tổng các tính hiệu thu ñược có ñộ tin cậy cao vì rất ít có fading ñồng
thời giữa cá ñường tín hiệu thu ñược.
Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách ñồng thời cho hệ thống
thông tin có 2 BTS sao cho có thể thực hiện chuyển vùng mềm cho thuê bao di

ñộng.
Các kỹ thuật phân tập:
 Phân tập thời gian: ðây là phương pháp phân tập cơ bản nhất, dùng những
khe thời gian tại những thời ñiểm khác nhau ñể truyền cùng một tín hiệu ban ñầu,
như vậy tại ñầu thu ta có thể nhận ñược nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều
thời ñiểm. Hoặc cùng một tín hiệu thu, có thể ñược thu theo nhiều khoảng thời gian
trễ khác nhau ñể chọn ra ñược tín hiệu thu tốt nhất.
 Phân tập tần số: Nguyên lý cơ bản của bất kỳ loại sóng nào (cả sóng cơ và
sóng ñiền từ ) thì chỉ giao thoa với nhau khi có cùng tần số hay vùng tần số lân cận.
Phân tập tần số dựa vào ñặc tính này, dùng nhiều tần số khác nhau ñể truyền cùng
một tín hiệu, như vậy tại ñầu thu sẽ thu ñược cùng một tín hiệu tại nhiều tần số khác
nhau.
 Phân tập không gian ( hay phân tập anten ): Trong kiểu phân tập này chúng
ta dùng nhiều anten ñặt tại nhiều vị trí khác nhau, có ñộ phân cực khác nhau ñể
truyền hay thu cùng một tín hiệu. Phương pháp này sẽ không làm mất ñộ rộng băng
thông của hệ thống.
Kết luận chương
Chương này ñã giới thiệu tổng quan về các thế hệ thông tin di ñộng, ñặc biệt là hệ
thống WCDMA, các ảnh hưởng của nhiểu trong hệ thống di ñộng. Cuối chương là
phần giới thiệu về các kỹ thuật phân tập ñể giảm bớt nhiễu trong hệ thống vô tuyến.
Trong chương tiếp theo sẽ ñi sâu nghiên cứu về kỹ thuật phân tập không gian và
thời gian.
9
CHƯƠNG 2

PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN
2.1 Giới thiệu
Dung lượng của hệ thống mạng tổ ong bị giới hạn bởi 2 yếu tố chính ñó là nhiễu
fading và nhiễu giao thoa sóng (multiple access interference : MAI). Một bộ thu 2
chiều (2-D) có thể giảm ñược các nhiễu trên bằng cách xử lý tín hiệu thu ñược trên

cả hai miền không gian và thời gian. Ở ñây, xử lý tín hiệu trong miền không gian là
tiến hành xử lý tín hiệu bằng cách phân tập anten, còn xử lý tín hiệu trên miền thời
gian là tiến hành xử lý tín hiệu thu bằng cách phân tập thời gian. Việc kết hợp 2 kỹ
thuật phân tập cho tín hiệu sẽ làm tăng chất lượng của tín hiệu tại bộ thu. Tuy bộ thu
2-D này có khả năng xử lý tín hiệu ñồng thời trên miền không gian và thời gian
song ñiều này ñòi hỏi phải có cấp ñộ tính toán phức tạp . Trong chương này chúng
ta sẽ giới thiệu một số giải pháp ñơn giản ñể xử lý tín hiệu trong miền không gian
và thời gian.
Mảng anten thích nghi [3] có khả năng chống lại nhiễu fading hay MAI chỉ bằng
cách xử lý không gian. Khi các thuê bao của hệ thống mạng trao ñổi thông tin từ
những ñịa ñiểm khác nhau, mỗi thuê bao sẽ có một thông tin không gian duy nhất
liên quan tới thuê bao ñó. Mảng anten thích nghi có thể dựa vào ñặc tính không gian
của tín hiệu ñể giảm bớt nhiễu MAI. Việc xử lý này ñược thực hiện bởi bộ
Beamformer .Beamformer có thể là một giải pháp hữu hiệu ñể cải thiện cho hệ
thống CDMA hoạt ñộng tốt trong các kênh tín hiệu giao thoa với nhau. Dung lượng
của hệ thống CDMA có thể ñược tăng lên bằng cách giảm bớt nhiễu giao thoa co-
channel.
2.2 Anten Mảng
Anten mảng là tập hợp gồm nhiều anten thành phần ñược bố trí tại những vị trí
khác nhau trong không gian mảng .Các anten thành phần này có thể ñược sắp xếp
theo các cấu trúc hình học bất kỳ .Tuỳ theo cách sắp xếp ñó mà mảng có thể là
mảng ñường ,mảng tròn hay mảng phẳng . Mảng ñường và mảng tròn là trường hợp
ñặc biệt của mảng phẳng .Góc phát xạ của một mảng ñược xác ñịnh dựa vào góc
phát xạ của các anten thành phần , vào sự ñịnh hướng , vào vị trí của các anten , vào
biên ñộ và pha của tín hiệu ñến. Nếu các anten của mảng là ñẳng hướng thì góc phát
xạ của mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và tín hiệu ñến
mảng [3] .Trong trường hợp này góc phát xạ của mảng ñược gọi là hệ số mảng. Nếu
các phần tử của mảng giống nhau nhưng không ñẳng hướng thì góc phát xạ của
mảng ñược tính theo hệ số mảng và các góc phát xạ thành phần .
2.2.1 Mảng anten dãy

Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng ñường thẳng bằng nhau thì mảng
ñược gọi là mảng anten dãy (ULA) .Hình vẽ sau mô tả một mảng ULA gồm N phần
tử .Khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là d .Góc tín hiệu truyền ñến mảng là
θ (còn gọi là góc AOA) .
Tín hiệu thu ñược tại anten ñầu tiên của mảng ñược biểu diễn như sau :
10

})(2cos{)()(
11
βγπ
++= ttftAtx
c
(2.1)
Với A
1
(t) : Biên ñộ tín hiệu ñến anten .
f
c
: Tần số sóng mang của tín hiệu .
γ(t) : Hàm biểu thị sự biến ñổi tín hiệu.
β : Góc pha tín hiệu .
Ngoài ra tín hiệu thu ñược tại phần tử ñầu tiên có thể viết như sau :

})({
11
)()(
βγ
+
=
tj

etAtx
(2.2)
Ta giả thiết rằng tín hiệu có dạng sóng phẳng ñược truyền ñến mảng từ một khoảng
cách rất xa và trong môi trường truyền ñồng chất .Lúc này tín hiệu ñến các phần tử
trong mảng sẽ có sự sai biệt về thời gian .Tín hiệu ñến phần tử thứ 2 trong mảng sẽ
chậm hơn phần tử thứ nhất một

Hình 2.1 Mảng anten ULA

khoảng thời gian là
τ
,tương tự phần tử thứ N sẽ trễ một khoảng là N
τ
.Như thế ta
có thể biểu diễn tín hiệu thu ñược tại các phần tử khác trong mảng theo biểu thức tín
hiệu thu ñược tại phần tử thứ nhất .Trong hình vẻ trên ta có thời gian trễ là :

c
d
θ
τ
sin
=
(2.3)
Với c là vận tốc truyền sóng ánh sáng .
Vậy ta có biểu thức tín hiệu thu ñược tại phần tử thứ 2 là :


})()(2cos{)()()(
1

12
βτγτπττ
+−+−−=−= ttftAtxtx
c
(2.4)
Thông thường f
c
là rất lớn so với dãy thông của tín hiệu ,vì vậy biểu thức (2.4) có
thể ñược viết như sau :

})(22cos{)()(
2
βγτππ
++−= tftftAtx
cc
(2.5)
Hay

})(2{
2
)()(
βγτπ
++−
=
tfj
c
etAtx

11

}2{
1
)(
τπ
c
fj
etx
−
=
(2.6)

}sin2{
1
}
sin
2{
12
)()()(
θ
λ
π
θ
π
d
j
c
d
fj
etxetxtx
c

−−
==
(2.7)

Do ñó tín hiệu nhận ñược tại phần tử thứ i của mảng là (i=1:N)

}sin)1(2{
1
).()(
θ
λ
π
−−
=
i
d
j
i
etxtx
(2.8)

Ta ñịnh nghĩa một trường vector dùng ñể biểu diễn tất cả các tín hiệu thu ñược trên
các phần tử của mảng .Trường vector tín hiệu ñó ñược biểu diễn như sau :
x(t) =[x
1
(t) x
2
(t) … x
n
(t)]

T
(2.9)
Ta cũng ñịnh nghĩa trường vector ñáp ứng
a
(
θ
) của mảng như sau :

(
)
θ
a
= [1
}sin2{
θ
λ
π
d
j
e
−
……
}sin)1(2{
θ
λ
π
−− N
d
j
e

]
T
(2.10)
Vector ñáp ứng của mảng là một trường các giá trị phụ thuộc vào góc tín hiệu
truyền ñến mảng, vào cấu trúc hình học của mảng, cách bố trí các phần tử trong
mảng và phụ thuộc vào tần số của tín hiệu ñến mảng .Chúng ta giả thiết rằng trong
phạm vi thay ñổi của tần số sóng mang thì Vector ñáp ứng của mảng không thay ñổi
.Khi cấu trúc của mảng không thay ñổi (ví dụ mảng ULA) và các phần tử của mảng
là ñẳng hướng ,thì vector ñáp ứng của mảng chỉ phụ thuộc vào AOA (góc tín hiệu
ñến mảng). Lúc này vector tín hiệu nhận ñược từ mảng có thể ñược viết như sau :

)()()(
txatx
θ
=
(2.11)
ðể có ñược các ñiều trên thì ta phải giả thiết băng thông của tín hiệu phải nhỏ
hơn nhiều lần thời gian truyền tín hiệu qua mảng .Giả thiết cho hiện tượng này ñược
gọi là narrowband, tức là các tín hiệu thu ñược trong các phần tử của mảng sẽ có sự
sai pha lẩn nhau ,song sự sai pha này có thể là nhỏ. Vì thế mô hình narrowband vẫn
chính xác cho những tín hiệu biến thiên dạng hình sin, ñặc biệt là ở những tín hiệu
có băng thông rất nhỏ so với thời gian truyền sóng qua mảng. Cũng vì lí do ñó mà
khi thực hiện mô hình Beamformer ñể giảm thiểu sự giao thoa thì phải nằm trong
giới hạn cho phép của hiện tượng narrowband. Trong toàn bộ luận văn này chúng ta
giả thiết rằng tín hiệu W-CDMA thoả mãn narrowband .
Thời gian trễ trong quá trình truyền sóng từ phần tử ñầu tiên ñến phần tử cuối
cùng của mảng ñược tính như sau :

c
dN

θ
τ
sin)1(
max
−
=
(2.12)
Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là
2
λ


c
N
2
)1(
max
λ
τ
−
=
(2.13)

c
c
f
N
c
f
c

N
2
)1(
2
)1(
max
−
=
−
=
τ

12
Nếu mảng có 4 phần tử và f
c
=2GHz
Ta có :
6
max
10
.
2000
.
2
3
=
τ

Với hệ thống W-CDMA có băng thông tín hiệu là 5MHz. Tỉ số giữa
τ

max
và băng
thông tín hiệu ñược tính như sau :

6
6
max
10
.
2000
2
10.53
×
×
=
χ
=0.0037
Như vậy giả thiết narrowband phù hợp với hệ thống W-CDMA.
2.3 Kỹ thuật Beamformer
Beamforming là một kỷ thuật xử lý không gian chung nhất ñược thực hiện trong
những anten mảng. Trong hệ thống mạng di ñộng tổ ong, tín hiệu hữu ích của một
cell thường bị tín hiệu các cell khác trộn lẫn vào gây nên hiện tượng nhiễu giao thoa
tín hiệu. Bộ Beamformer có thể phân tách các tín hiệu trong vùng giao thoa sóng ñể
lấy ra tín hiệu mong muốn của cell ñó. Trong bộ Beamformer, tín hiệu thu ñược từ
các phần tử trong mảng ñược tổng hợp lại rồi chọn ra tín hiệu có chất lượng tốt
nhất. Hình dưới mô tả nguyên lý chung của một bộ Beamformer.

Hình 2.2a Mô hình Beamformer Hình 2.2b Búp sóng anten dãy
Nếu có tất cả K tín hiệu ñến mảng với góc tới của mỗi tín hiệu ñược xác ñịnh riêng
biệt. Lúc ñó vector tín hiệu nhận ñược có dạng như sau :

)()()()(
1
tnatstx
K
i
ii
+=
∑
=
θ
(2.14)
Với
)(
ts
i
là tín hiệu nhận ñược tại phần tử thứ i trong mảng ,góc tới là
i
θ
.

)(
i
a
θ
là vector ñáp ứng của mảng ứng với góc tới
i
θ
.

)(tn
là vector tín hiệu nhiễu .
ðầu ra của bộ Beamformer có dạng sau :

)()()( txtwty
H
=
(2.15)
Với w=[ w
1
w
2
… w
N
]
T
là vector trọng số của mảng .
Thông thường vector trọng số ñược chọn ñể phù hợp cho từng kỷ thuật Beamformer
khác nhau. Các kỹ thuật Beamformer thường có là MMSE, MSINR, MSNR, CMA,
ML…sẽ ñược ñề cập ở các chương sau .
2.3.1 Ví dụ ñơn giản của bộ Beamformer với mảng ULA
13
Bây giờ ta chỉ xét một ví dụ thật ñơn giản ñể diển tả nguyên lí của
Beamforming. Giả thiết rằg tín hiệu của thuê bao truyền ñến mảng ULA với góc
AOA là 0
o
, và giả thiết rằng phần tín hiệu nhiễu do giao thoa ñược thu ở góc AOA
là 45
o
.Vector ñáp ứng của mảng cho tín hiệu hữu ích trong trường hợp này là :







==
1
1
)0(
aa
desired
(2.16)
Tương tự ,vector ñáp ứng của mảng ñối với tín hiệu nhiễu giao thoa là :







−−
=









=








==
−
×−
7957.06057.0
1
1
1
)
4
(
2
)
4
sin(
2
1
2
int
j

e
e
aa
j
j
π
π
π
π
(2.17)
Bộ thu Beamformer phải tăng cao hệ số khuếch ñại ñối với tín hiệu mong muốn
ñồng thời giảm thiểu tối ña hệ số khuếch ñại ñối với tín hiệu nhiễu giao thoa. Vì thế
vector ñáp ứng của mảng phải thoả mãn các ñiều kiện sau :

0
1
int
=
=
aw
aw
H
desired
H
(2.18)
Từ trên ta tính ñược








+
−
=
2478.05.0
2478.05.0
j
j
w

Hàm ñặc trưng của Beamformer tương ứng với góc
θ
ñược cho như sau :

)()(
θθ
awg
H
=
(2.19)
ðồ thị bức xạ (Beam pattern) ñược xác ñịnh bởi ñộ lớn của
)(
θ
g
:

)()(
θθ

gG =
(2.20)
ðồ thị bức xạ ñược dùng ñể mô tả mảng các hệ số khuếch ñại tín hiệu ứng với các
góc ñến khác nhau, hay ñược gọi là bộ khuếch ñại có chọn lọc. ðồ thị bức xạ cho
trường hợp trên ñược minh hoạ ở hình 2.3 dưới ñây. Quan sát ta thấy, hệ số khuếch
ñại của tín hiệu là 1 còn của tín hiệu nhiễu giao thoa là 0. Như vậy, beamformer có
thể hướng búp sóng null về phía tín hiệu nhiễu giao thoa, phương pháp này ñược
gọi là phương pháp null steering beamformer. Chú ý rằng, trong phương pháp này
các bộ phận của bộ Beamformer chỉ làm việc ñược khi tổng số các tín hiệu ñến phải
ít hơn hay bằng số lượng các phần tử trong mảng. Khi mà số phần tử anten là N, thì
có thể null steering N-1 hướng tín hiệu nhiễu khác nhau, song ñiều này thì không
thể phù hợp ñược trong môi trường hệ thống mạng WCDMA ( với rất nhiều nhiễu
giao thoa). Trường hợp số lượng tín hiệu ñến mảng vượt quá số phần tử của mảng
gọi là overloaded .Tuy nhiên quá trình xử lý khuếch ñại tín hiệu trong bộ thu của hệ
thống CDMA có sự liên kết lớn ñể chống lại sự quá tải trong mảng, ñồng thời việc
bố trí không gian các phần tử của mảng cũng góp phần nâng cao khả năng xử lý của
hệ thống.

14

Hình 2.3 ðồ thị bức xạ của anten dãy ñối với góc ñến tín hiệu là 0
o

và nhiễu giao thoa là 45
o
.
Từ ví dụ trên ta nhận thấy rằng:
 Mặc dầu có thể ñặt null trực tiếp ñến hướng ñến của tín hiệu nhiễu giao thoa,
song từ ñồ thị bức xạ (hình 2.3) ta thấy ñộ lợi của anten không cực ñại tại hướng
ñến của tín hiệu hữu ích. Như vậy, cần phải có nhiều sự cải tiến trong giải pháp kỹ

thuật của beamformer. Trong chương sau sẽ ñề cập ñến các giải pháp kỹ thuật
beamformer khác nhau ñó.
 Nếu chúng ta ngầm giả thiết là ñã nhận biết ñược mảng vector ñáp ứng cho
nhiều users khác nhau. Thì trong vùng một cell ñô thị, mỗi tín hiệu ña ñường sẽ ñến
mảng với những góc tới khác nhau, vì thế sẽ có rất nhiều hướng giải quyết cho mỗi
ñường tính hiệu này. Trong trườnghợp này, rất khó ñể xác ñịnh chính xác góc tín
hiệu ñến mảng và như vậy sự ñánh giá vector ñáp ứng của mảng là rất không xác
thực. ðiều ñó cho thấy sự cần thiết phải ñánh giá góc ñến AOA ñể tìm ra vector ñáp
ứng của mảng. Ngoài ra kỹ thuật trên cần yêu cầu số lượng tín hiệu ñến mảng (bao
gồm tín hiệu giao thoa co-channel) phải ít hơn số lượng các phần tử trong mảng.
ðiều này không thể có ñược trong mạng WCDMA. Kỹ thuật Eigen-Beamforming,
ñược xét ñến ở phần sau, là giải pháp thích hợp, không cần phải biết ñược vector
ñáp ứng của mảng cũng như không cần phải ñánh giá rõ ràng góc tới AOA.
2.4 Nguyên tắc lấy mẫu tín hiệu trong xử lý không gian
Những nguyên lý lấy mẫu trong miền thời gian có thể ñược áp dụng trong hệ
thống xử lý không gian do giữa hai hệ thống này cũng có sự tương quan với nhau.
Xét tín hiệu trong miền thời gian và tần số, mẫu tín hiệu lấy theo nguyên tắc lấy
mẫu Nyquist. Tức là, tín hiệu ñược lấy mẫu với tần số (tốc ñộ lấy mẫu) lớn hơn 2
lần tần số lớn nhất của tín hiệu. Trường hợp tần số lấy mẫu nhỏ hơn 2f ñược gọi là
aliasing .Tương tự trong miền không gian, ñể tránh hiện tượng aliasing thì khối
beamformer phải thoã mãn ñiều kiện sau :
15

2
λ
≤d
(2.21)
ðiều này ñược gọi là nguyên lý lấy mẫu trong miền không gian . ðiều kiện ñó giúp
cho khối beamforming tránh ñược hiện tượng aliasing, khoảng cách giữa các phần
tử trong mảng phải nhỏ hơn hay bằng nửa bước sóng sóng mang của tín hiệu. Tuy

nhiên khoảng cách giữa các phần tử trong mảng cũng không ñược nhỏ quá ñể tránh
sự tác ñộng lẫn nhau giữa các phần tử trong mảng. Vì vậy, trong thực tế khoảng
cách giữa các phần tử trong mảng bằng nữa bước sóng sóng mang là tốt nhất. Trong
ñồ án này ta giả thiết khoảng cách giữa các phần tử trong mảng ULA bằng nữa
bước sóng sóng mang .
2.5 Lợi ích của phân tập không gian
Một mãng anten thích nghi có thể có ñược nhiều cấu trúc không gian khác nhau
và làm giảm ñược nhiễu fading nhiều tia. Mảng này có khả năng lái búp sóng của
mảng về phía tín hiệu cần nhận và tránh hướng ñến của tín hiệu nhiễu .Tín hiệu thu
ñược tại các phần tử trong mảng có rất ít sự tương quan lẫn nhau. Vì thế nếu tín
hiệu tại một phần tử của mảng là tín hiệu nhiễu fading, tín hiệu này sẽ khác nhiều
tín hiệu thu ñược tại các phần tử khác trong cùng thời gian ñó .Vì thế luôn có một
tín hiệu tốt nhất thu ñược một trong các phần tử của mảng .Nên việc tổ hợp các tín
hiệu thu ñược từ các phần tử trong mảng sẽ làm tăng tỷ số SNR và tăng ñộ trung
thực của tín hiệu thu .
2.6 Phân tập thời gian: Bộ thu Rake trong CDMA
Trong một kênh có chọn lọc tần số ,có nhiều bản sao tín hiệu ñược truyền ñến
máy thu, chúng ñi qua nhiều ñường khác nhau. Những bản tin sao chép này ñược
tổng hợp lại tại ñầu thu ñể cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Khi các tín hiệu
này ñược truyền theo nhiều ñường khác nhau, sẽ có một ñường truyền không (hoặc
ít) chịu ảnh hưởng bởi nhiễu fading. ðiều này có nghĩa là nếu mỗi ñường truyền
ñều bị ảnh hưởng bởi fading, các tín hiệu ñi theo các ñường khác nhau sẽ có sự khác
biệt rõ rệt. Tại ñầu thu sẽ luôn thu ñược một kênh tín hiệu có ñộ trung thực chấp
nhận ñược. Trong hệ thống CDMA, bộ thu tín hiệu có thể chứa nhiều thiết bị tương
quan nhau ñể phân chia tín hiệu thành nhiều bản giống nhau và làm giảm nhiễu
fading .Bộ thu này ñược gọi là bộ thu Rake, nó ñã ñược dùng nhiều trong hệ thống
mạng thông tin di ñộng CDMA thế hệ 2 .Quá trình xử lý thời gian trong bột hu
Rake giúp cho hệ thống CDMA giãm ảnh hưởng của nhiễu fading. Có nhiều kỹ
thuật khác nhau ñược dùng ñể tổ hợp tín hiệu tương quan .Nếu việc kết hợp tín hiệu
có những trọng số phù hợp với từng kênh riêng lẽ và có hệ số khuếch ñại tương

xứng với những bộ phận nhiều ñường tương ứng ,quá trình này gọi là tổ hợp tỷ lệ
tối ña (MRC). MRC gọi là một kết cấu tổ hợp . ðối với những bộ kết hợp không có
kết cấu ,là tất cả những trọng số kết hợp ñều bằng nhau và ñược gọi là bộ tổ hợp
cùng ñộ lợi (EGC). Cả hai MRC và EGC ñều hiệu quả ñể cải thiện tỷ số tín hiệu
trên nhiễu SNR.



16
(
)
1
*
τ
−t
e

(
)
1
*
τ
−t
e

(
)
1
*
τ

−t
e














Hình 2.4 Mô hình bộ thu Rake
2.6.1 Các kỹ thuật tổ hợp tín hiệu
Có nhiều phương pháp tổ hợp tín hiệu nhiều ñường tại bộ thu, song có 3 phương
pháp chính ñó là: Bộ tổ hợp tỷ lệ tối ña (MRC), Bộ tổ hợp cùng ñộ lợi (EGC) và bộ
tổ hợp chọn lọc (SC). Giả thiết rằng, tín hiệu ñến ñược chia thàn L ñường thông qua
L bộ thu. Và ta ký hiệu
i
γ
( i=1,…,L) là tỷ số năng lượng tín hiệu trên nhiễu cho
ñường thứ i.
Như vậy, với kênh truyền Rayleigh fading
i
γ
, sẽ có:

( )
c
x
c
i
exf
γ
γ
γ
/
1
−
=
(2.22)
c
γ
giá trị trung bình năng lượng tín hiệu trên nhiễu.
2.6.1.1 Bộ tổ hợp chọn lọc (SC)
Với bộ tổ hợp chọn lọc, ñường tín hiệu ñến có SNR cao luôn ñược lựa chọn. Như
thế ngỏ ra của bộ tổ hợp chọn lọc là:

{
}
L
scx
γγγ
, ,max
1
=

Trong trường hợp kênh truyền Fading, có thể áp dụng hàm (2.22) cho
sc
s
γ
:

( )
[ ]
[
]
L
x
L
c
sc
s
exxxF
γ
γ
γγ
/
1
1, ,Pr
−
−=≤≤=
(2.22)
2.6.1.2 Bộ tổ hợp tỷ số tối ña (MRC)
MRC là một bộ tổ hợp tối ưu. Trong bộ tổ hợp MRC, trọng số của các ñường tín
hiệu ñược xác ñịnh bởi sự tổ hợp của các ñường fading. MRC là một bộ tổ hợp tối

ưu. Ngõ ra của bộ tổ hợp MRC,
mrc
s
γ
ñược ñánh giá bởi hàm cdf sau:

( )
∑
=
−








−=
L
i
i
c
x
x
i
exF
c
mrc
s

0
/
!
1
.1
γ
γ
γ
(2.23)
2.6.1.3 Bộ tổ hợp cùng ñộ lợi (EGC)
Bộ tổ hợp EGC cung tương tự như bộ tổ hợp MRC, khác nhau duy nhất là trong
bộ tổ hợp EGC không có sự xác ñịnh trọng số cho từng nhánh tín hiệu. Tức là, trọng
finger#L
finger#1
finger#2
Bộ tổ hợp RAKE
∫

∫

∫

Tín hiệu ra
17
số cho từng nhánh tín hiệu ñều giống nhau. EGC chỉ thích hợp cho các kỹ thuật ñiều
chế mà các symbol có cùng mức năng lượng như M-PSK.
2.7 Bộ thu Beamformer_Rake
Beamformer_Rake là sự kết hợp giữa Beamformer với Rake ñể xử lý tín hiệu
trên cả 2 miền thời gian và không gian. Hình 2.5 mô tả cấu trúc và nguyên lý hoạt
ñộng của bộ thu Beamformer-Rake. Nó chứa một mảng các anten thu, tín hiệu thu

ñược từ mảng ñược ñưa ñến các bộ tổ hợp không gian ñể thực hiện beamforming
cho những tín hiệu ña ñường, mỗi ñường tín hiệu sẽ ñược nhân với một vector trọng
số khác nhau trước khi vào bộ tổ hợp. Tín hiệu ra khỏi bộ tổ hợp không gian ñược
ñưa tới các finger sau ñó ñược kết hợp lại bởi bộ tổ hợp Rake.

Kết luận chương:
Chương này ñã xét ñến hai kỹ thuật phân tập chính là phân tập không gian và
phân tập thời gian và sự kết hợp hai kỹ thuật phân tập này thành kỹ thuật phân tập
chung là kỹ thuật phân tập Không gian-Thời gian. Trong ñó, kỹ thuật phân tập
không gian ñược thực hiện bởi bộ thu Beamformer, thực hiện bằng cách tổ hợp tín
hiệu từ nhiều anten thu ñể có ñược tín hiệu thu tốt nhất. Kỹ thuật phân tập thời gian
ñược thực hiện bởi bộ thu Rake, thực hiện bằng cách phân chia tín hiệu thu thành
Finger#1
Finger#1
(
)
2
*
τ
−te

T
ổ hợp không gian

W
1

Tổ hợp không gian
W
2

T
ổ hợp không gian

W
L

∫
∫
∫
Bộ tổ hợp Rake
(
)
1
*
τ
−te

(
)
1
*
τ
−te

(
)
2
*
τ

−te

(
)
L
te
τ
−
*

(
)
L
te
τ
−
*

Finger#1
Hình 2.5 Bộ thu Beamformer-Rake
18
nhiều khoảng thời gian trễ khác nhau sau ñó dùng kết cấu tổ hợp ñể tổ hợp tín hiệu
chọn ra tín hiệu tốt nhất. Mục ñích của bộ thu Beamformer là làm giảm ảnh hưởng
của nhiễu giao thoa còn bộ thu Rake là làm giảm ảnh hưởng của nhiễu ña ñường. Vì
thế, sự kết hợp giữa hai bộ thu này tạo thành bộ thu Beamformer-Rake, là một kết
cấu tốt ñể làm giảm ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và nhiễu fading lên tín hiệu thu.
Trong chương tiếp sẽ giới thiệu các kỹ thuật khác nhau ñể xử lý phân tập không
gian trong bộ thu Beamformer.

19
CHƯƠNG 3
CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING

3.1 Giới Thiệu
Trong chương này sẽ giới thiệu những kỹ thuật khác nhau có thể ñược áp dụng
cho Beamforming trong hệ thống mạng thông tin di ñộng tổ ong CDMA và hệ
thống OFDM. Ba kỹ thuật chính ñược giới thiệu trong chương này là: tối ưu tỉ số tín

hiệu trên nhiễu (MSNR),tối ưu tỉ số tín hiệu /nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt
(MSINR) và kỹ thuật tối thiểu trung bình bình phương sai lệch (MMSE). Mở ñầu
chương với việc ñi tìm hiểu kỹ thuật MSNR với giải pháp giá trị riêng ñơn giản SE.
Sau ñó xét ñến kỹ thuật MSINR với giải pháp nhóm các giá trị riêng GE. Tiếp theo
sẽ nghiên cứu kỹ thuật MMSE Beamforming. Sau ñây là nội dung của chương.
3.2 Kỹ thuật MSNR Beamforming
Kỹ thuật MSNR ñược dùng ñể làm cho giá trị SNR tại ñầu ra của beamformer là
cực ñại. ðể làm ñược ñiều ñó, cần phải xác ñịnh ñược vector trọng lượng của anten
mảng, sao cho khi nhân vector tín hiệu thu với vector trọng lượng thì sẽ có tín hiệu
ñầu ra có SNR cực ñại. Vector trọng lượng cần xác ñịnh chính là là vector riêng
tương ứng với giá trị riêng lớn nhất của của ma trận hiệp phương sai tín hiệu thu.
ðiều kiện tốt nhất cho kỹ thuật này chính là: nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt là
nhiễu không gian trắng .
3.2.1 Cực ñaị tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSNR)
Trong kỹ thuật này, ñể có tỷ số tín hiệu SNR là cực ñại, ta giả thiết rằng nhiễu
tác ñộng vào tín hiệu là nhiễu trắng .Khi ñó, tín hiệu thu ñược có thể viết như sau :

nsx
+
=
(3.1)
Ở ñây
s
và
n
lần lượt là vector tín hiệu và vector nhiễu có kích thước N×1, với N
là số anten trong mảng. Ma trận hiệp phương sai của nhiễu có dạng sau :

Nn
H

nn
ItntnER
2
)]()([
σ
==
(3.2)
Với
2
n
σ
là hệ số variance của nhiễu. Biểu thức (3.2) biểu diễn cho tín hiệu nhiễu
trắng trong miền không gian. Còn nhiễu trắng trong miền thời gian là :

[
]
)()()(
21
2
21
ttItntnE
Nn
H
−=
δσ
(3.3)
ðể tìm ñược tỷ số SNR tại ñầu ra, ta cần tính công suất tín hiệu và nhiễu tại ñầu ra
của bộ Beamformer.
Công suất của tín hiệu tại ñầu ra của beamformer như sau (giả thiết rằng tín hiệu
chưa ñược xử lý ):

wRw
wsswE
swEP
ss
H
HH
H
s
=
=






=
)(
2
(3.4)
Ở ñây
)(
H
ss
ssER =
là ma trận hiệp phương sai của vector tín hiệu
s
,
w

là vector
trọng lượng của mảng N anten.
20
Tương tự, công suất của nhiễu tại ñầu ra của beamformer là :

ww
wRw
nwEP
H
n
nn
H
H
n
2
2
)(
σ
=
=
=
(3.5)
Vậy tỉ số SNR tại ñầu ra của beamformer là:

ww
wRw
SNR
H
n
ss

H
2
σ
=
(3.6)
ðể tìm giá trị vector trọng lượng của mảng sao cho tỉ số SNR cực ñại . Ta ñạo hàm
vế phải của biểu thức (3.6) theo
H
w
và gán biểu thức ñó bằng 0 ,ta ñược

(
)
(
)
( )
0
2
=
−
ww
wwRwwRww
H
ss
H
ss
H


w

ww
wRw
wR
H
ss
H
ss








=⇒
(3.7)
Giá trị của
ww
wRw
H
ss
H
giới hạn trong giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của các giá trị riêng
của ma trận
ss
R
, với giá trị riêng lớn nhất là
max
λ

thì ta có:

wwR
ss
max
λ
=
(3.8)
max
λ
chính là giá trị lớn nhất của SNR .Vector riêng
MSNR
w
tương ứng với giá trị
max
λ
là vector trọng số tối ưu làm cực ñại SNR tại ñầu ra của mảng .
Như vậy, giải pháp MSNR ñể tìm ra vector ñáp ứng tối ưu ñược thực hiện bằng
cách tìm ra vector riêng (tương xứng với giá trị riêng lớn nhất) từ chuổi các giá trị
riêng ñơn giản, phương pháp này ñược gọi là phương pháp SE (simple Eigenvalue):

MSNRMSNR
ss
wwR
λ
=
(3.9)
Kỹ thuật Beamforming thực hiện theo cách trên ñược gọi là Eigen_Beamforming.
Nếu có tín hiệu ñi ñến mảng từ một góc
d

θ
,vector tín hiệu có thể ñược viết như sau
:

)()()(
d
akdks
θ
=
(3.10)
Với d ký hiệu chỉ tín hiệu ñến, k mẫu index tín hiệu bất kì và
)(
d
a
θ
là vector ñáp
ứng của mảng ứng với góc tới
d
θ
. Vì thế ta có thể viết lại như sau :

(
)
)()(
2
d
H
d
ss
aadER

θθ
=
(3.11)
Từ (3.8) ta có :

(
)
MSNRMSNRd
H
d
wwaadE
max
2
)()(
λθθ
=
(3.12)
Ta ñặt
(
)
max
2
)(
λ
θ
ζ
MSNRd
H
wadE
=

,vector ñáp ứng cho MSNR ñược cho như sau :
21

)(
0
θ
ζ
aw
MSNR
=
(3.13)
Từ phương trình (3.13) ta nhận thấy. Nếu không có nhiễu tác ñộng vào thì bằng
phương pháp ñịnh pha cho từng tín hiệu ñến các phần tử của mảng, ta sẽ xác ñịnh
ñược giá trị lớn nhất của SNR. Ngoài ra MSNR beamforming có thể ñược hỗ trợ
bởi các giải pháp tính toán trực tiếp (DF). Tuy nhiên kỹ thuật DF không ñược áp
dụng rộng rãi. Hơn thế nữa kỹ thuật DF luôn luôn ñòi hỏi số lượng tín hiệu ñến (bao
gồm cả nhiễu giao thoa phải ít hơn số lượng anten trong mảng ). ðiều này không
thể ñáp ứng ñược trong hệ thống mạng tổ ong CDMA .
3.2.2 Phương thức cải tiến SE cho Beamforming
Từ phương trình 3.9 ta thấy cần phải xác ñịnh ma trận hiệp phương sai (
ss
R
) của
tín hiệu ñến ñể thực hiện bài toán SE. Tuy nhiên rất khó ñể tách tín hiệu khỏi nhiễu
và tính
ss
R
. Nếu như có thể tách ñược tín hiệu khỏi nhiễu thì lúc ñó ta không cần
phải có Beamforming nữa. Vì thế, có một kỹ thuật thay thế mà không cần ñòi hỏi
phải lượng tính ma trận hiệp phương sai của tín hiệu

ss
R
. Nếu tín hiệu ñộc lập với
nhiễu thì trường tín hiệu nhận ñược theo thống kê có thể ñược viết như sau :

NN
ssxx
IRR
2
σ
+=
(3.14)
Vì thế tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại bộ thu là :
RSNR = 1 + SNR (3.15)
Từ biểu thức (3.15) ta nhận thấy khi RSNR ñạt cực ñại thì SNR cũng cực ñại. Thực
hiện các bước biến ñổi tương tự như các phương trình từ 3.4 ñến 3.9 ta sẽ tìm ñược
vector trọng số làm cực ñại SNR:

MSNRMSNR
xx
wwR
'
λ
=
(3.16)
Vector riêng chính của ma trận hiệp phương sai
xx
R
tạo thành một không gian con
gồm tín hiệu và nhiễu . Những vector riêng còn lại tương với N-1 giá trị riêng

không chỉ tạo thành một cơ sở trực giao mà trực giao tới tín hiệu và nhiễu. Vì vậy,
bằng việc áp dụng vector trọng số ,beamformer thực hiện một hàm biến ñổi theo tín
hiệu làm cho không gian con (của tín hiệu và nhiễu )chỉ trực giao ñến tín hiệu nhiễu
.
Nếu nhiễu lấn át tín hiệu, thì giá trị riêng lớn nhất sẽ không ñáp ứng cho tín hiệu
ñược nữa và ñối với vector riêng ở biểu thức (3.16) cũng không còn là vector trọng
số ñối với MSNR nữa. Tuy nhiên trong môi trường CDMA, ñiều này không thường
xảy ra bởi vì ñã có quá trình xử lý ñộ lợi và kỹ thuật ñiều khiển công suất. Các bộ
thu trong CDMA là những thiết bị có nhiều bộ tương quan với nhau. ðầu ra của các
bộ tương quan này chứa tín hiệu băng hẹp (narrowband) cùng với nhiễu giao thoa
và nhiễu Gauss. Vì thế ma trận hiệp phương sai có thể ñược tính ñược tại ngỏ ra của
các bộ tương quan từ ñó tìm ñược MSNR cực ñại.
Trong phần trước chúng ta ñã phân tích về tín hiệu nhiễu và tiếng ồn ,và giả thiết
rằng nhiễu ñó là nhiễu trắng. Chúng ta có thể chia tín hiệu nhiễu trong biểu thức
(3.1) thành hai thành phần như sau :

inn +=
'
(3.17)
22
Trong ñó
'
n
là nhiễu trắng không gian và thời gian ,
i
là nhiễu giao thoa. Nếu
nhiễu giao thoa là nhiễu trắng, vector trọng số MSNR là tốt nhất .Còn nếu chúng
không phải là nhiễu trắng, thì vector riêng ñáp ứng cho giá trị riêng lớn nhất của tín
hiệu thu ñược không ñáp ứng ñược cho vector trọng số MSNR. Tuy nhiên vấn ñề
này ñược ñề cập ñến một khi cấu trúc không gian của tín hiệu giao thoa ñược tính

ñến và vector trọng số tối ưu sẽ ñựơc xác ñịnh ñể làm cực ñại tỷ số tín hiệu trên
nhiễu giao thoa và tiếng ồn (SINR). Việc xácñịnh giá trị lớn nhất của SINR sẽ ñược
ñề cập sau.
3.2.3 Pha tín hiệu trong Eigen-Beamforming
Trước khi ñi nghiên cứu các kỹ thuật beamforming khác ,chúng ta sẽ xét ñến
mặt hạn chế trong khả năng xử lý pha tín hiệu của kỹ thuật Eigen-Beamforming,
hay gọi là sự nhập nhằng về pha trong kỹ thuật Eigen-Beamforming. Trong khi
Beamformer xác ñịnh giá trị tối ưu của SNR, ta thấy không có sự ràng buộc nào về
pha của tín hiệu. Việc dùng vector trọng số MSNR ñể tìm SNR theo như biểu thức
(3.9) thì SNR tại ngõ ra của beamformer ñược cho như sau :

MSNR
H
MSNRn
MSNR
ss
H
MSNR
ww
wRw
SNR
2
max
σ
=
(3.18)
Ta hãy quan sát xem SNR sẽ như thế nào nếu beamformer dùng vector trọng số
là
MSINR
ww

ρ
=
∧
với
ρ
là một hệ số vô hướng. SNR tại ngõ ra của beamformer ñược
cho như sau:

∧∧
∧∧
=
ww
wRw
SNR
H
MSNRn
ss
H
2
'
σ



(
)
(
)
( ) ( )
MSNR

H
MSNR
n
MSNR
ss
H
MSNR
ww
wRw
ρρσ
ρρ
2
=



MSNR
H
MSNR
n
MSNR
ss
H
MSNR
ww
wRw
2
2
2
ρσ

ρ
=
(3.19)

max
2
SNR
ww
wRw
MSNR
H
MSNRn
MSNR
ss
H
MSNR
=
=
σ

Vì vậy vector trọng số
∧
w
cũng làm cực ñại giá trị SNR và không có liên quan
ñến pha của tín hiệu. Như thế sự nhập nhằng về pha vẫn tồn tại trong MSINR
Eigen-Beamformer.Vì vậy trong Eigen-Beamforming không có bộ ñiều chế pha ,
không có bộ tách sóng coherent.

23

3.3 Kỹ thuật MSINR Beamforming
Phần này ta sẽ ñề cập ñến kỹ thuật Eigen-Beamforming xác ñịnh MSINR tại
ñầu ra của beamformer. Trong phần trước chúng ta ñã nói ñến kỹ thuật MSNR với
ñiều tốt nhất là tín hiệu giao thoa và nhiễu là không gian trắng. Nhưng trong hệ
thống mạng WCDMA, các user khác nhau có data rate khác nhau, với hệ số trãi phổ
khác nhau. Trong cùng một thời gian chúng sẽ có BER khác nhau. Vì thế, các users
có data rate cao yêu cầu phải hoạt ñộng ở mức công suất cao hơn các users có data
rate thấp hơn và như vậy các tín hiệu nhiễu giao thoa không thể là nhiễu không gian
trắng như ñã giả thiết trong kỹ thuật MSNR ñược nữa. Kỹ thuật MSINR
beamforming là một tiêu chí kỹ thuật ñáp ứng tốt cho trường hợp này, nó hoạt ñộng
tốt trong trường hợp nhiễu không phải là nhiễu trắng. Không giống như MSNR,
MSINR là một kỹ thuật xử lý tín hiệu với một chuổi bài toán giá trị riêng ñơn giản
hay còn gọi là bài toán nhóm các giá trị riêng GE. Sau ñây là nội dung của kỹ thuật.
3.3.1 Cực ñại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR)
Vector tín hiệu thu ñược có dạng như sau :

usx
+
=
(3.20)
Với
s
là vector tín hiệu mong muốn ,
u
là trường tín hiệu không mong muốn bao
gồm nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt.
Năng lượng của tín hiệu hữu ích tại ngõ ra của mảng có dạng như biểu thức (3.4),
tương tự ta có :

wRwP

ss
H
s
=
(3.21)
Ở ñây
(
)
H
ss
ssER =
là ma trận hiệp phương sai của vector tín hiệu
s
.
Tương tự, năng lượng của tín hiệu không mong muốn tại ngỏ ra của mảng là:

wRwuwEP
uu
HH
u
=






=
2
(3.22)

Với
(
)
H
uu
uuER =
là ma trận hiệp phương sai của vector tín hiệu nhiễu
u
.
Vậy tỷ số SINR tại ngỏ ra là :

wRw
wRw
uu
H
ss
H
=
out
SINR
(3.23)
ðể tìm vector trọng số tối ưu làm cực ñại SINR tại ngõ ra, ta tiến hành ñạo hàm vế
phải của biểu thức (3.23) theo
H
w
và gán biểu thức ñó bằng 0 ta ñược :

wR
wRw
wRw

wR
uu
uu
H
ss
H
ss








=
(3.24)
Giá trị của
wRw
wRw
uu
H
ss
H
giới hạn trong bởi giá trị riêng lớn nhất và nhỏ nhất của ma
trận ñối xứng
ssuu
RR
1−
.Giá trị riêng lớn nhất là

max
λ
thoả mãn
24

wwRR
ssuu
max
1
λ
=
−
(3.25)
ðó cũng chính là giá trị lớn nhất của SINR .Vector riêng
INRMS
w
ñáp ứng với giá trị
max
λ
là vector trọng số tối ưu làm cho giá trị SINR tại ngõ ra của mảng là lớn nhất.
Vì vậy ,giải pháp MSINR cho vector trọng số tối ưu ñược tính bởi vector
riêng tương ứng với các giá trị riêng tổng quát sau:

.
RMSIN
uu
MSINR
ss
wRwR
λ

=
(3.26)
Chúng ta có thể thấy rằng ma trận hiệp phương sai của nhiễu giao thoa và tiếng ồn
ñã ñược giới thiệu trong biểu thức trước ñược dùng ñể xác ñịnh cấu trúc không gian
của tín hiệu nhiễu .Ma trận
uu
R
cũng ñược dùng trong việc xác ñịnh vector trọng số
bằng cách giải bài toán giá trị riêng
wwR
ss
λ
=
.MSINR beamforming có thể ñược
xem là kỹ thuật xác ñịnh giá trị lớn nhất của SNR trong trường hợp nhiễu tác ñộng
là nhiễu màu, hay MSNR beamforming là trường hợp ñặc biệt của MSINR trong
ñiều kiện nhiễu tác ñộng là nhiễu không gian trắng.
Trong việc phân tích sau ñây, nếu tín hiệu ñến ñược xác ñịnh bởi góc tới là
d
θ

,ma trận hiệp phương sai của tín hiệu ñược biết như sau :

(
)
),()(
2
d
H
d

ss
aadER
θθ
=
(3.27)
Từ (3.26) ta có thể viết lại như sau

(
)
{
}
MSINRMSINd
H
d
uu
wwaadER
maxR
2
1
)()(
λθθ
=
−
(3.28)
Ta ñặt
(
)
max
R
2

)(
λ
θ
ξ
MSINd
H
wadE
=
,Vector trọng số MSINR ñược cho như sau

).(
0
1
R
θξ
aRw
uu
MSIN
−
=
(3.29)
Một lần nữa ta có thể nhận thấy rằng ma trận hiệp phương sai (của nhiễu giao thoa
và tiếng ồn ) cùng với vector trọng số MSNR ñược dùng ñể tính trọng số MSINR.
Như thế biểu thức cho vector trọng số dễ dàng ñược thay ñổi theo góc tới của các
ñường tín hiệu khác nhau.
3.3.2 Xác ñịnh giá trị cực ñại của tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSINR)
Nếu tín hiệu thu ñược bao gồm cả nhiễu giao thao và tiếng ồn, ma trận hiệp
phương sai của tín hiệu thu ñược biểu diễn như sau :

uussxx

RRR
+
=
(3.30)
Tỉ số tín hiệu/nhiễu giao thoa +tiếng ồn (RSINR) trở thành
RSINR=1+SINR (3.31)
Như vậy việc làm cực ñại giá trị RSINR sẽ làm cực ñại SINR, và như thế sẽ
không có sự phân biệt giữa 2 giá trị này trong phương pháp tìm giá trị của vector
trọng lượng. Ta phát biểu giải pháp MRSINR như sau:
Giải pháp MRSINR dùng phương pháp vector riêng ñể tìm ra vector trọng
lượng tối ưu của chuổi các giá trị riêng ñơn giản (GE: Generalized Eigenvalue):

.
MRSINR
uu
MRSINR
xx
wRwR
λ
=
(3.32)
25
Phương trình (3.32) là phương trình ñầy ñủ cho trường hợp nhiễu tác ñộng vào tín
hiệu là nhiễu màu (noise colored) .Trong trường hợp này việc xác ñịnh MSNR dựa
vào việc phân chia ma trận hiệp phương sai của tín hiệu thu thành 2 không gian con
trực giao và tìm giá trị vector riêng sao cho nó trực giao với thành phần nhiễu và
ñáp ứng với thành phần tính hiệu cần thu. Hai không gian con trong trường hợp này
của MRSINR beamforming chúng trực giao với nhau và là không gian con của ma
trận hiệp phương sai tín hiệu với nhiễu. ðiều này cho phép dễ dàng ñiều chỉnh
vector trọng số sao cho phù hợp với cấu trúc không gian của tín hiệu không mong

muốn.
3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming
Kỹ thuật MMSE (Minimum Mean Squared Error) ñược dùng ñể tìm ra giá trị
của vector trọng lượng
MMSE
w
mà làm cực tiểu sự sai lêch giữa tín hiệu mẫu ban ñầu
với tín hiệu tổ hợp. Sự sai ñó ñược ñịnh nghĩa bởi phương trình sau :

),()()(
kxwkdke
H
−=
(3.33)
Với d là một mẫu tín hiệu tại anten ñầu tiên,
w
là vector trọng lượng của mảng,
x
là vector tín hiệu thu ñược tại mảng anten , k biểu thị cho mẩu tín hiệu ñang xét .
Vì thế MMSE ñược cho như sau

[
]
2
)(
keEJ
=
(3.34)
Từ 3.33 ta viết lại như sau :







−=
2
)()(
kxwkdEJ
H


{
}
{
}
[
]
*
)()()()( kxwkdkxwkdE
HH
−−=


[
]
wkxkxwkxwkdkxkdkdE
HHHH
)()()()()()()(

*
2
+−−=
(3.35)

[
]
wRwrwwrkdE
xx
H
xd
HH
xd
+−−=
2
)(


Với
[
]
)()(
kxkxER
H
xx
=
là ma trận hiệp phương sai của tín hiệu ,
[
]
)()(

*
kdkxEr
xd
=

Là vector tương quan chéo giữa vector tín hiệu thu ñược
x
và tín hiệu mẫu d. MSE
J nhỏ nhất khi
0)(
=
∇
J
. Với gradient vector ñược ñịnh nghĩa như sau :

*
2)(
w
J
∂
∂
=∇
(3.36)
Với
*
w
∂
∂
là dẫn xuất liên hợp ñối với vector
w

.
Vì thế ta có thể viết

0|)(
=
∇
MMSE
w
J
(3.37)

022
=
+
−
MMSE
xx
xd
wRr


xd
MMSE
xx
rwR
=
⇒
(3.38)
Từ 3.38 ta có thể viết lại như sau :

xd
xx
MMSE
rRw
1
−
=
(3.39)