Nghiên cứu kỹ thuật sửa sóng thích nghi cho đường truyền hướng xuống trong các hệ thống CDMA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ




Phạm Thị Dương Chi




NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SỬA SÓNG THÍCH NGHI
CHO ĐƯỜNG TRUYỀN HƯỚNG XUỐNG
TRONG CÁC HỆ THỐNG CDMA


Ngành : Công nghệ Điện Tử -Viễn Thông
Chuyên ngành : Kỹ thuật Vô tuyến Điện tử và Thông tin Liên lạc
Mã số : 2.07.00




LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS.TSKH Huỳnh Hữu Tuệ






Hà Nội - 2007


1
MỤC LỤC

Danh mục các chữ viết tắt ………………………………………………….3
MỞ ĐẦU …………………………………………………………………….4
Chương 1 TỔNG QUAN 6
1.1 Khái quát về CDMA 6
1.1.1 Trải phổ dãy trực tiếp [28] 6
1.1.2 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 8
1.1.3 Ưu điểm của hệ CDMA 10
1.2. Bộ thu CDMA 11
1.2.1.Bộ tách sóng đa người dùng 12
1.2.2 Tách sóng một người dùng 13
1.2.3 Bộ thu sử dụng bộ sửa sóng thích nghi 13
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16
2.1 Nhiễu xuyên ký hiệu và lý thuyết cơ bản về sửa sóng 16
2.2 Mô hình tín hiệu DS-CDMA cho đường truyền hướng xuống 18
2.2.1 Tín hiệu CDMA 18

2.2.2 Mô hình kênh truyền 19
2.2.3 Tín hiệu thu 19
2.3 Bộ thu RAKE 20
2.4 Bộ sửa sóng tuyến tính cấp độ chip dùng trong đường truyền xuống của
hệ CDMA 22
2.5 Một số nghiên cứu về bộ thu sử dụng bộ sửa sóng trong hệ thống
CDMA 24
Chương 3 BỘ SỬA SÓNG PHẢN HỒI QUYẾT ĐỊNH CẤP ĐỘ CHIP
DÙNG TRONG HỆ THỐNG CDMA 33
3.1 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định (DFE) dùng cho hệ thống không trải
phổ 33


2
3.2 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chip dùng trong đường truyền
xuống của hệ thống CDMA 37
3.3 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chip mới 40
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43
4.1 Các thông số mô phỏng 43
4.2 So sánh chất lượng của bộ thu sử dụng bộ sửa sóng tuyến tính và bộ sửa
sóng phản hồi quyết định 45
4.3 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chíp mới 46
4.4 Ảnh hưởng của phương pháp lặp lại đến chất lượng của hệ thống 48
4.5 Ảnh hưởng của số người dùng đến chất lượng của hệ thống 50
KẾT LUẬN ……………………………………………………………… 51
TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………… 54
Phụ lục …………………………………………………………………… 60

3
Danh mục các chữ viết tắt
CDMA – Code Division Multiple Access – Đa truy nhập phân chia theo mã
FDMA – Frequency Division Multiple Access – Đa truy nhập phân chia theo
tần số
TDMA – Time Division Multiple Access – Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
DS-SS – Direct Sequence Spread Spectrum - Trải phổ dãy trực tiếp
LE – Linear Equalizer - Bộ sửa sóng tuyến tính
DFE – Decision Feedback Equalizer - Bộ sửa sóng phản hồi quyết định
FS-DFE – Fractionally spaced Decision Feedback Equalizer - Bộ sửa sóng
phản hồi quyết định lấy nhiều mẫu
FFF – FeedForward Filter - Bộ lọc hướng tới
FBF – FeedBack Filter - Bộ lọc phản hồi
MAI – Multiple Access Interference - Nhiễu đa truy nhập
ISI – Inter Symbol Interference - Nhiễu xuyên ký hiệu
MRC – Maximal Ratio Combining
LMS – Least Mean Square - Tối thiểu trung bình bình phương
MMSE – Minimize Mean Square Error - Cực tiểu hoá trị trung bình bình
phương lỗi

4
MỞ ĐẦU

Hệ thống thông tin không dây đã phát triển một cách nhanh chóng
trong những năm gần đây. Nhu cầu cho các ứng dụng di động băng thông
rộng đang thúc đẩy nhiều nghiên cứu nhằm phát triển tốt hơn nữa hệ thống
điện thoại tế bào hiện có. Ở thế hệ thứ ba, tốc độ dữ liệu trong đường truyền
hướng xuống (từ trạm cơ sở đến thuê bao di động) lớn hơn nhiều lần so với
tốc độ của đường truyền hướng lên (từ thuê bao di động đến trạm cơ sở). Nói
cách khác, các nhà thiết kế hệ thống hy vọng rằng người dùng sẽ sử dụng dữ
liệu với tốc độ nhanh hơn so với tốc độ gửi dữ liệu. Các ứng dụng phù hợp
với mô hình này như duyệt web, internet, tải dữ liệu với hình ảnh, âm thanh
và xem video chất lượng cao. Do sự đa dạng của các ứng dụng, sự hạn chế
của băng thông, yêu cầu chất lượng dịch vụ và điều kiện khắc nghiệt của kênh
di động, phương pháp đa truy nhập trải phổ trực tiếp đã trở thành lựa chọn
phù hợp cho lớp vật lý của hệ thống điện thoại di động thế hệ thứ ba.
Trong thông tin di động sử dụng công nghệ CDMA ở thế hệ thứ ba,
mỗi người dùng được gán một mã, và mỗi bit được ánh xạ tương ứng với mã
đó. Mã được chọn từ không gian mã trực giao được định nghĩa bởi ma trận
Hadamard để tất cả các mã tích cực là trực giao với nhau. Các luồng dữ liệu
đã được trải của đường truyền xuống được cộng lại thành tín hiệu tốc độ chíp
đa người dùng đồng bộ và được phát đi trên đường truyền.
Tín hiệu đa người dùng tại trạm cơ sở truyền qua kênh chọn lọc thời

gian và tần số để đến với thuê bao di động. Tính chất fading chọn lọc tần số sẽ
tăng khi kênh có nhớ, do tiếng vọng, gây ra hiện tượng các chip trước gây
nhiễu với các chip hiện tại. Tính chất chọn lọc tần số làm phá huỷ tính chất
trực giao của các chuỗi mã của các thuê bao dẫn đến xuất hiện MAI trong các
bit ước lượng được của bộ thu tương thích. Như vậy bộ thu tương thích, vốn
là bộ thu tiêu chuẩn trong hệ thống CDMA, sẽ phải chịu hiện tượng nhiễu đa


5
người dùng (MAI) [2]. Tính chất chọn lọc tần số xuất hiện khi có những
chuyển động tương đối giữa trạm cơ sở và thuê bao di động, hoặc là khi có
các đối tượng ở vùng lân cận đang chuyển động. Tốc độ biến đổi của kênh tỉ
lệ thuận với vận tốc tương đối và tần số sóng mang. Vì những lý do trên, bộ
thu phải được thiết kế sao cho có thể đáp ứng kịp với sự thay đổi của kênh
càng nhanh càng tốt.
Đối với đường truyền hướng lên, nhiều lược đồ tách sóng đa người
dùng được đề xuất nhằm giải quyết vấn đề về MAI. Tuy nhiên, các phương
pháp này quá phức tạp để có thể áp dụng vào thiết bị thu phía người sử dụng
trong đường truyền hướng xuống do những hạn chế về công suất sử dụng, về
kích cỡ và một số hạn chế khác.
Mục đích của luận án này là khảo sát một số cấu trúc sửa sóng thích
nghi ở cấp độ chip sử dụng cho bộ thu nhằm khắc phục những trở ngại do
kênh chọn lọc tần số và thời gian gây ra cho đường truyền hướng xuống. Với
bộ thu sử dụng bộ sửa sóng thich nghi này tính chất trực giao của tín hiệu đa
người dùng được khôi phục và MAI có thể được loại bỏ bằng cách trải phổ.
Bộ thu sử dụng bộ sửa sóng phần nào cân bằng được những mâu thuẫn giữa
chất lượng và yêu cầu về tiêu thụ ít công suất của thiết bị di động trong đường
truyền hướng xuống. Ngoài ra, luận án cũng đề xuất bộ sửa sóng phản hồi
quyết định cấp độ chíp mới với mục tiêu làm giảm độ phức tạp của bộ sửa
sóng phản hồi quyết định lấy nhiều mẫu mà vẫn đảm bảo được chất lượng của

hệ thống.
Luận án bao gồm các nội dung chính sau:
Chương 1 Tổng quan
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
Chương 3 Bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chip dùng trọng hệ thống CDMA
Chương 4 Kết quả và thảo luận


6
Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 Khái quát về CDMA
1.1.1 Trải phổ dãy trực tiếp [28]
Trải phổ dãy trực tiếp thu được bằng cách điều chế luồng ký hiệu mang
thông tin bởi một chuỗi chip có tốc độ cao hơn tốc độ luồng ký hiệu. Hình 1.1
mô tả nguyên lý cơ bản của hệ thông tin trải phổ dãy trực tiếp bởi một chuỗi
thông tin nhị phân. Như thấy trên hình vẽ, mỗi khoảng ký hiệu chiều dài Ts
được trải bằng cách nhân với một chuỗi chip mà mỗi chip có chiều dài Tc <
Ts
Thừa số mở rộng băng L:
Tc
Ts
L 

là đại lượng xác định lượng thông tin dư thừa được đưa vào trong quá trình
điều chế. L thường được gọi là “thừa số trải phổ” hoặc độ lợi xử lý
(processing gain).



1
1

1


1
1
1

Hình 1. 1: Nguyên lý trải phổ trong hệ thông tin trải phổ
(1 -1-1 -1 1 )
T
S
b(k) = 1
b(k+1) = -1
T
c

-1 -1
(1 1 -1 1 -1)
Ký
hiệu
Chip
dùng
để trải
phổ
Chuỗi chip đã
được trải phổ


7
Trong thực tế, các chuỗi chip có dạng giả nhiễu hay giả ngẫu nhiên
thường được sử dụng để tạo tín hiệu trải phổ nhằm mục đích phổ tín hiệu đã
được trải càng ngẫu nhiên càng tốt. Chuỗi giả ngẫu nhiên (PN) có thể được

tạo ra bằng cách kết hợp các đầu ra của các thanh ghi dịch có phản hồi. Loại
chuỗi PN khá phổ biến là chuỗi có chiều dài cực đại hay chuỗi – m.
Sau khi trải phổ, chuỗi chip thường được định dạng bởi bộ lọc định
dạng xung, p(t), để hạn chế độ rộng băng tần của tín hiệu ra. Có thể biểu diễn
toán học một tín hiệu được điều chế trải phổ như sau:





k
k
kTtskbtx )()()(
(1.1)
trong đó




L
l
CCkk
TlTtplcts
1
)()()(
(1.2)
là “dạng sóng trải phổ” hoặc “dạng sóng chữ ký” (signature waveform) của
ký hiệu thứ k. Trên thực tế, trải phổ có thể xem như quá trình điều chế làm mở
rộng băng tần của một tín hiệu băng cơ sở bởi một số nguyên lần của B
c

=1/T
c
.
Sự tăng độ rộng băng tần hay chính là tăng số chiều của tín hiệu đã làm nảy
sinh nhu cầu chống lại nhiễu/ồn đối với hệ thống thông tin sử dụng trải phổ.
Theo định lý Landau-Pollak, không gian của một sóng có băng tần hữu hạn B
Hz và thời gian hữu hạn là T giây thì có số chiều xấp xỉ là BT [5]. Trong hệ
thống trải phổ thì B
C
T
S
= L >>1. Việc mỗi dạng sóng w
k
(t) riêng biệt thuộc
một trong số L chiều, với L lớn, làm cho tín hiệu trải phổ có khả năng kháng
các loại nhiễu ngẫu nhiên.
Tại đầu thu, bộ lọc tương thích thu tín hiệu mong muốn từ không gian
con một chiều được định nghĩa bởi dạng sóng trải w
k
(t). Như vậy, công suất
nhiễu đã được giảm đi L lần. Nói cách khác, độ lợi trải phổ L đo số bậc tự do
của hệ thống và định lượng khả năng chống nhiễu của tín hiệu trải phổ.
Mô hình cần thiết của một bộ điều chế DS-SS được trình bày như ở
hình 1.2


8
Bộ điều chế
trải phổ
Bộ tạo mã

trải
Bộ lọc định
dạng xung
b
k
x(n)

c
k,n
x(t)






Hình 1. 2 Bộ điều chế trải phổ dãy trực tiếp
1.1.2 Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)
Trong hầu hết các hệ thống không dây, một trạm cơ sở đồng thời phục
vụ cho một số các thuê bao chia sẻ cùng một môi trường truyền. Sự phân bố
nguồn tài nguyên giữa các người dùng thường được biết như là đa truy nhập.
Tất cả các kỹ thuật đa truy nhập đều yêu cầu thông tin của các người
dùng khác nhau phải được tách rời sao cho thông tin của người này không gây
nhiễu cho thông tin của người khác. Các kỹ thuật đa truy nhập truyền thống
thường được thực hiện dựa trên nguyên tắc làm cho các bản tin của các người
dùng trực giao với nhau trong một miền nào đó mà việc xử lý tín hiệu số được
thực hiện một cách dễ dàng. Cụ thể, phương pháp đa truy nhập phân chia theo
thời gian là phương pháp mà các tín hiệu khác nhau được truyền trong các
khe thời gian khác nhau, trong khi đó phương pháp đa truy nhập phân chia
theo tần số là phương pháp mà trạm cơ sở trao đổi thông tin với các người

dùng khác nhau thông qua các kênh tần số khác nhau. Đối với hệ thống nhiều
anten, việc “phân tập theo không gian” được sử dụng cho mục đích đa truy
nhập và phương pháp đa truy nhập tương ứng với mô hình này là phương
pháp đa truy nhập phân chia theo không gian.
Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và đa truy nhập phân
chia theo tần số FDMA thường chia nguồn tài nguyên - thời gian và tần số-


9
theo các cách khác nhau. Về mặt lý thuyết, luôn tồn tại vô hạn cách chia khác
nhau mặc dù phần nhiều trong số các cách chia đó không có cơ sở thực tế.
Việc DS-SS có khả năng tồn tại đồng thời với nhiễu trong một không
gian đa chiều đã mở ra một phương pháp đa truy nhập mới. Thật vậy, thay vì
gán cho các người dùng khác nhau các khe thời gian khác nhau hoặc các
khoảng tần số khác nhau, ta có thể điều chế các tín hiệu đa truy nhập khác
nhau bằng các dạng sóng trải phổ khác nhau với mỗi sóng là một chiều trong
tổng số chiều của nguồn tài nguyên về thời gian và tần số sẵn có. Với mỗi
dạng sóng trải phổ xác định, chúng ta có thể tạo được các sóng gần trực giao
cho phép nhiều thuê bao chia sẻ cùng một vùng phổ.
Tại phía đầu thu, các tín hiệu đa truy nhập được phân biệt bằng dạng
sóng chữ ký riêng của nó. Mặc dù trong mặt phẳng thời gian-tần số những
dạng sóng trải phổ này có thể cộng chồng lên nhau nhưng thực chất chúng lại
trực giao với nhau hay ít nhất là độc lập với nhau trong một không gian khác
nhiều chiều hơn.
Hình 1.3 mô tả một kênh truyền hướng lên (uplink) tiêu biểu (tức là
đường truyền từ thuê bao đến trạm cơ sở) trong đó thông tin của mỗi người
dùng được điều chế bằng cách sử dụng bộ điều chế DS-SS và được gán trước
một chuỗi mã trải. Tín hiệu thu được là tín hiệu tổng cộng (chồng lên nhau)
của tất cả các tín hiệu phát. Do đó, nếu hệ CDMA có P người dùng, tín hiệu
thu tương ứng là:

  
 



P
i
P
i k
ikiiii
kTtskbtxty
1 1
,
)()()()(

(1.3)
ở đây, chỉ số dưới i chỉ số người dùng và {τ
i
} chỉ trễ tương đối của các tín
hiệu truyền.





10

Hình 1. 3: Mô hình đa truy nhập phân chia theo mã cho đường truyền hướng lên
Kỹ thuật tương tự cũng được áp dụng cho đường truyền hướng xuống
(đường truyền từ trạm cơ sở đến thuê bao) trong đó trạm cở sở trộn và phát đi
các tín hiệu đã được điều chế trải phổ cho các người dùng khác nhau. Trong
trường hợp này, tất cả các tín hiệu được đồng bộ và trễ tương đối {τ
i
} bằng 0.
Trong luận văn này chúng tôi chỉ xét đường truyền hướng xuống của hệ thống
CDMA do đó có thể gọi là hệ thống CDMA đồng bộ.
1.1.3 Ưu điểm của hệ CDMA
So với hệ thống TDMA và FDMA, CDMA có nhiều ưu điểm hơn. Một
số ưu điểm có thể kể ra là:
1. Hệ CDMA cải thiện đáng kể dung năng truyền
Do khả năng tái sử dụng tần số mà hệ có thể đáp ứng cho nhiều người
dùng hơn so với hệ thống TDMA và FDMA.
2. Công nghệ CDMA cho phép các đường truyền dữ liệu có tốc độ cao hơn
Đường truyền tốc độ cao có thể thực hiện được bằng cách trải thông tin
băng hẹp thành tín hiệu băng thông rộng.
3. Công nghệ CDMA cung cấp khả năng chuyển vùng tốt hơn
x
1
(t-)
Bộ điều chế
DS-SS
Bộ điều chế
DS-SS
Bộ lọc
tương thích

Bộ lấy
mẫu
Bộ giải điều
chế DS-SS
b
1
(k)
b
P
(k)
x
P
(t-)


11
Hệ thống CDMA bắt đầu thực hiện quá trình thông tin với một tế bào
mới trước khi nó vượt qua biên và không cắt kênh liên lạc với tế bào hiện tại
(tế bào cũ).
4. Hệ CDMA tối ưu hoá khả năng sử dụng nguồn tài nguyên kênh truyền
Trong một cuộc đàm thoại, thời gian nói thực sự của người sử dụng
chiếm ít hơn một nửa số thời gian của cuộc gọi. Trong hệ thống FDMA và
TDMA, mỗi người dùng được phân bố một vùng tần số hay một khoảng thời
gian nhất định do đó không tận dụng hết dung năng thật sự của hệ. Trong hệ
CDMA, các người dùng hoạt động trên cùng một dải tần số và khoảng thời
gian nên tận dụng được những mất mát kể trên.
5. Hệ CDMA có khả năng triệt nhiễu đa đường một cách hiệu quả
Trong môi trường tán xạ, tín hiệu thu được đến từ nhiều đường khác
nhau. Vì trong một hệ thống CDMA, mỗi người dùng được gán một vùng phổ
lớn hơn so với trong hệ FDMA và TDMA nên các thành phần đa đường khác

nhau được cách ly với nhau tốt hơn. Vì lý do này nhiễu đa đường có thể được
loại bỏ tốt hơn.
1.2. Bộ thu CDMA
Verdu là người đầu tiên đưa ra bộ tách chuỗi CDMA tối ưu sao cho xác
suất có điều kiện của chuỗi tín hiệu đầu ra đạt giá trị cực đại. Bộ thu tối ưu
bao gồm (1) một tập hợp các bộ lọc tương thích sao cho tương thích với P
dạng sóng người dùng khác nhau, và (2) một bộ tách kết hợp nhằm cực đại
hoá xác suất tiền nghiệm của các giá trị ký hiệu có thể có. Kết quả này mang
nhiều ý nghĩa về mặt lý thuyết hơn là thực tế bởi vì bộ thu tối ưu có độ phức
tạp tỷ lệ theo hàm mũ với số người sử dụng. Nhiều phương pháp tách sóng
gần tối ưu nhưng đơn giản hơn đã được đề xuất chẳng hạn như tách sóng đa
người dùng và tách sóng một người dùng hay phương pháp dùng bộ thu có sử
dụng bộ sửa sóng thích nghi.


12
1.2.1.Bộ tách sóng đa người dùng
Bộ thu tách sóng đa người dùng cũng dùng bộ lọc tương thích ở phía
đầu vào như của bộ thu tối ưu. Thay vì thực hiện tách sóng kết hợp cực đại,
bộ thu gần tối ưu xử lý vectơ đầu ra của bộ lọc tương thích P chiều để ước
lượng P ký hiệu tương ứng cho mỗi khoảng thời gian cụ thể. Một trong những
bộ tách sóng đa người dùng phổ biến là bộ thu giải tương quan tuyến tính
thực hiện việc lấy trọng số và kết hợp đầu ra của các bộ lọc tương thích để
ghép các tín hiệu chồng chập lên nhau lại dựa vào không gian tín hiệu được
định nghĩa bởi dạng sóng chữ ký riêng của nó. Việc tách tín hiệu có thể được
thực hiện một cách riêng lẻ đối với từng đầu ra của bộ giải tương quan như
mô tả ở hình 1.4.

Hình 1. 4 Cấu trúc bộ thu đa người dùng
Trong số nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện việc tách sóng đa
người dùng thì bộ lọc MMSE là bộ lọc thường được nhắc đến đầu tiên. Bộ
lọc này chọn lựa các hệ số kết hợp, {g
il
}, để cực tiểu hoá







2
)()(
ˆ
kbkbE
ii
với



P
i
ili
lzgkb
1
*

)()(
ˆ
(1.4)
Một loại bộ lọc tuyến tính phổ biến khác có thể kể đến là bộ lọc ép về 0
(zero-forcing). Loại bộ lọc này có khả năng loại trừ nhiễu đa người dùng, tuy
nhiên hạn chế của nó là làm tăng nhiễu.


Ts

Ts

Bộ thu đa
người dùng




y(t)
1
ˆ
b

p
b
ˆ



13

1.2.2 Tách sóng một người dùng
Trong nhiều ứng dụng, việc tách ký hiệu của người dùng thứ i chỉ dựa
vào dạng chữ ký thứ i của người đó; các tín hiệu CDMA khác được xem như
nhiễu. Loại bộ thu này được gọi là bộ tách sóng một người dùng. Hầu hết các
bộ tách sóng một người dùng thường đơn giản hơn bộ tách sóng đa người
dùng vì nó được xây dựng dựa trên ít giả thiết hơn. Cụ thể là, chúng giả thiết
rằng mã trải và tín hiệu định thời của tín hiệu mong muốn là biết trước. Bộ
tách sóng một người dùng được sử dụng rộng rãi là bộ thu RAKE (như hình
vẽ 1.5). Bộ thu RAKE làm tăng chất lượng của tín hiệu thu được bằng cách
kết hợp lại năng lượng của các tín hiệu đa đường. Hầu hết các bộ thu tách
sóng một người dùng đều gặp phải hiện tượng gần – xa khi các tín hiệu nhiễu
lớn hơn nhiều so với tín hiệu mong muốn. Chi tiết về bộ thu RAKE sử dụng
trong hệ thống CDMA được trình bày ở chương 2







Hình 1. 5 Bộ thu RAKE
1.2.3 Bộ thu sử dụng bộ sửa sóng thích nghi
Kênh truyền xuống của tín hiệu CDMA có hai đặc trưng đáng chú ý:
thứ nhất là tất cả các tín hiệu truyền đều được đồng bộ với nhau; thứ hai là,
các chuỗi mã trải có thể trực giao với nhau. Tận dụng các ưu điểm này bộ thu
sử dụng bộ sửa sóng ở cấp độ chip được sử dụng để hồi phục tính chất trực
Bộ giải trải
Bộ giải trải
Bộ giải trải
.

.
.
Trễ T
c
Trễ T
c
.
.
.
Bộ kết hợp
tuyến tính
Tín hiệu thu


14
giao của tín hiệu mà không làm tăng tính phức tạp của hệ thống. Sau đó, bộ
giải trải phổ được sử dụng để loại trừ nhiễu đa người dùng (MAI) từ các tín
hiệu trực giao. Loại bộ thu này cũng có thể dễ dàng thực hiện nhờ sử dụng
thuật toán thích nghi.
Bộ sửa sóng tuyến tính (LE) ở mức độ chip khôi phục tính chất trực
giao của chuỗi chip và cho chất lượng tốt hơn so với bộ thu RAKE. Tuy nhiên
nếu quá trình sửa kênh không tốt thì chất lượng của bộ LE ở cấp độ chip bị
suy giảm đáng kể bởi MAI. Hơn thế nữa, chất lượng của bộ LE cấp độ chip
còn phụ thuộc vào đặc trưng phổ của kênh và do đó có thể sẽ không phù hợp
cho một vài loại kênh nào đó [35].
Luận án này khảo sát một loại cấu trúc sửa sóng khác sử dụng cho bộ
thu nhằm đạt hiệu quả cao hơn so với bộ thu sử dụng bộ sửa sóng tuyến tính ở
mức độ chip đó là bộ sửa sóng phản hồi quyết định (DFE) cấp độ chip. Bộ
DFE bao gồm một bộ lọc hướng tới (feedforward) và bộ lọc phản hồi
(feedback) ở tốc độ chip.Vai trò của bộ lọc hướng tới giống như vai trò của bộ

lọc tuyến tính được sử dụng để loại bỏ nhiễu xuyên ký hiệu vị trí tương lai
(pre cursor) ở mức độ chíp. Các hệ số của bộ lọc hướng tới (feedforward) và
bộ lọc phản hồi được xác định nhằm cực tiểu hoá trị trung bình bình phương
lỗi ở mức độ chip. Bộ DFE kết hợp các chức năng của bộ thu RAKE để tận
dụng tính chất phân tập thu được từ các thành phần đa đường và loại bỏ ồn
(noise) và nhiễu xuyên ký hiệu. Bộ DFE tối thiểu hoá tác động của nhiễu cũng
như nhiễu xuyên ký hiệu bằng cách buộc đáp ứng xung của nhiễu bằng 0 tại
các thời điểm quyết định [1]. Ngoài ra chiều dài của bộ DFE thường ngắn
hơn so với bộ LE. Vì vậy bộ DFE thể hiện nhiều đặc tính tốt hơn bộ LE.
Luận án cũng đề xuất sử dụng một bộ sửa sóng phản hồi quyết định
được xây dựng trên cơ sở của bộ sửa sóng phản hồi quyết định cấp độ chip
lấy nhiều mẫu. Luận án tạm đặt tên cho cấu trúc này là bộ sửa sóng phản hồi


15
quyết định cấp độ chíp mới. Mục tiêu đặt ra của luận án là tìm hiểu xem liệu
cấu trúc của bộ sửa sóng mới này có khắc phục được sự phức tạp do phải lấy
nhiều mẫu khi sử dụng bộ sửa sóng phản hồi quyết định lấy nhiều mẫu mà
vẫn bảo đảm giữ nguyên chất lượng của hệ thống?

16
Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Nhiễu xuyên ký hiệu và lý thuyết cơ bản về sửa sóng
Trong hầu hết các hệ thống truyền dữ liệu số, sự tồn tại của kênh truyền
tuyến tính tán sắc thể hiện ở sự méo biên độ và pha. Các tính chất này của
kênh truyền dẫn đến tín hiệu thu được thường bị méo tuyến tính do sự chồng
chập của các ký hiệu thông tin đã truyền (các ký hiệu trong quá khứ) và các
ký hiệu sẽ truyền (các ký hiệu tương lai) [12]. Hình 2.1 sử dụng mô hình giả
thuyết của đáp ứng kênh để giải thích về nhiễu xuyên ký hiệu quá khứ (post-
cursor) và tương lai (pre-cursor).









Hình 2. 1 Đáp ứng xung của kênh có các vị trí quá khứ, nút chính và các vị trí
tương lai
Đáp ứng xung của kênh được trình bày như trên hình 2.1 bao gồm 3
thành phần tách rời. Nút có biên độ cao nhất h
2
được gọi là nút chính. Các nút
xuất hiện trước nút chính h
0
và h
1

được gọi là các ví trí quá khứ (post-cursor)
và các nút theo sau nút chính h
3
và h
4
được gọi là vị trí tương lai (pre-cursor).
Năng lượng của tín hiệu mong muốn chủ yếu được đóng góp bởi năng lượng
của nút chính. Ngoài ra, năng lượng của tín hiệu thu được còn được đóng góp
Vị trí quá
khứ
Vị trí tương
lai
Nút chính
Thời gian
h
0

h
1

h
2

h
3

h
4

17
bởi năng lượng sinh ra do tích chập của các vị trí tương lai với các ký hiệu sẽ
được truyền gọi là nhiễu xuyên ký hiệu vị trí tương lai và tích chập của các vị
trí quá khứ với các ký hiệu đã được truyền gọi là nhiễu xuyên ký hiệu ví trí
quá khứ. Như vậy, tín hiệu thu được bị méo là do sự chồng lên nhau của tín
hiệu mong muốn với nhiễu xuyên ký hiệu vị trí tương lai và nhiễu xuyên ký
hiệu vị trí quá khứ.
Các bộ sửa sóng thường được sử dụng để khắc phục hiện tượng nhiễu
xuyên ký hiệu gây ra bởi kênh truyền. Bộ sửa sóng thường được phân loại
theo cấu trúc, theo tiêu chuẩn tối ưu hóa và theo thuật toán được sử dụng để
thay đổi các hệ số của bộ lọc.
Về mặt cấu trúc, bộ sửa sóng có thể được phân thành bộ sửa sóng tuyến
tính và bộ sửa sóng phản hồi quyết định (không tuyến tính).
Bộ sửa sóng cũng có thể được phân biệt dựa trên các tiêu chuẩn sử
dụng để tối ưu hóa các hệ số của nó. Quá trình tối ưu hóa được kiểm soát bởi
tiêu chuẩn chất lượng được sử dụng. Ví dụ, khi áp dụng tiêu chuẩn trung bình
bình phương lỗi (MSE), bộ sửa sóng được tối ưu hóa sao cho trị trung bình
bình phương lỗi giữa tín hiệu thu được bị méo với tín hiệu thật sự truyền đi là
cực tiểu.
Các thuật toán thích nghi khác nhau cũng được sử dụng nhằm cung cấp
cho bộ sửa sóng các phương tiện để cập nhật các thông số của nó theo sự thay
đổi theo thời gian của kênh tán sắc. Một số thuật toán thích nghi được trình
bày chi tiết trong phần phụ lục.
Luận án này sử dụng tiêu chuẩn cực tiểu hóa trị trung bình bình phương
lỗi (MMSE) để tối ưu hóa các hệ số cho bộ sửa sóng và sử dụng thuật toán tối
thiểu trung bình bình phương (LMS) để cập nhật cho các hệ số đó.

18
2.2 Mô hình tín hiệu DS-CDMA cho đường truyền hướng xuống
2.2.1 Tín hiệu CDMA
Luận án này sử dụng các giả thiết sau tại đầu phát
A.1) Các bit dữ liệu của người dùng là các bit độc lập, có trị trung bình bằng
0.

n, m, i

0,
 
 
klmklk
PmnbnbE



*
)(

với P
i
là công suất ký hiệu của người dùng thứ i. Các ký hiệu dữ liệu được
điều chế BPSK và bỏ qua quá trình định dạng xung. Luận án cũng giả thiết là
công suất của các người dùng khác nhau là giống nhau và quy ước P
i
=1.
A.2) Mã Walsh (Hadamard) được sử dụng làm mã trực giao cho phép dễ dàng
tạo và thực hiện nhanh chóng việc trải phổ cũng như giải trải.


i, l, m

(0,…, L),





1
0
*
)()(
L
k
illk
mLkckc


Mã Walsh chiều dài 2
k
có thể được tạo ra theo quy luật:










11
11
1
H











11
11
kk
kk
k
HH
HH
H
, k=2,3,…
Tổng số hàng hoặc số cột của ma trận Hadamard H
k
cho ta một tập hợp 2
k
từ

mã trực giao. Tính chất trực giao thể hiện ở chỗ mỗi cặp từ mã có số chữ số
giống nhau bằng với số chữ số khác nhau.
A.3) Chuỗi tín hiệu hoa tiêu (hằng số) tại vị trí “người dùng” có chỉ số i = 0

n, b
0
(n) = b
0

A.4) Tín hiệu nhiễu Gauss trắng cộng tính có trị trung bình bằng 0 và phương
sai là
2


.




19
c
0
(n)
c
i
(n)
c
P
(n)
.

.
.
.
.
.

h(n)

b
0
(n)
b
i
(n)
b
P
(n)
(n)
r(n)
y(n)
x(n)
2.2.2 Mô hình kênh truyền
Mỗi tín hiệu người dùng được giả thiết là truyền qua một kênh fading
chọn lọc tần số. Đối với đường truyền xuống, luận án này giả thiết các người
dùng truyền qua các kênh giống nhau có số thành phần đa đường là L
C
bằng
một số nguyên lần chu kỳ chip. Mô hình của tín hiệu truyền qua kênh đa
đường trình bày như ở hình 2.2

Hình 2. 2 Mô hình truyền tín hiệu (rời rạc) cho đường truyền xuống
2.2.3 Tín hiệu thu
Luận án này giả thiết tín hiệu của các người dùng được đồng bộ chip tại
phía đầu thu. Tín hiệu thu tại đầu thu là tín hiệu cộng (chồng lên nhau) của P
người dùng cộng với nhiễu Gauss trắng. Có thể biểu diễn tín hiệu thu được
như sau:

 ry
(2.1)
với




C
L
p
pil
xhr
0

   
 





P
i
ii
P
i k
i
tlckbx
00

trong đó i = 1,…,P với P là số người dùng tích cực. Quy ước vị trí thứ i = 0
dùng cho tín hiệu hoa tiêu.


20
Tại đầu thu, tín hiệu y(t) được lấy mẫu. Gọi y(n) là tín hiệu lấy mẫu với
tốc độ chip thứ n tại đầu ra của bộ lọc tương thích. Tức là:
   
c
nTt
dtyny






)(

Luận án không xét đến quá trình định dạng xung nên tín hiệu thu có thể biểu
diễn rời rạc như sau:

)()()()(
0
*
npnxphny
c
L
p




(2.2)
2.3 Bộ thu RAKE
Bộ thu RAKE là loại bộ thu truyền thống được sử dụng phổ biến trong
hệ thống CDMA. Sở dĩ bộ thu này được gọi là bộ thu RAKE là vì nó có cấu
trúc hình răng lược. Mô hình cấu trúc của một bộ thu RAKE được trình bày
như ở hình 1.5.
Bộ thu RAKE bao gồm các nhánh chứa các bộ giải trải phổ. Nhánh sau
là phiên bản của nhánh trước trễ (dịch) đi một chip. Mỗi bộ giải trải phổ giải
trải chuỗi chip thu được theo chuỗi mã của người dùng mong muốn. Đầu ra
của các bộ giải trải phổ được kết hợp lại bằng cách sử dụng bộ kết hợp tuyến
tính. Để đạt được tỉ số tín trên tạp cao, lược đồ kết hợp tỉ số cực đại (MRC)
được sử dụng trong bộ kết hợp tuyến tính [35].
Tín hiệu thu được tại đầu thu có dạng:





M
p
lkLplkLtlkLphlkLy
0
*
)()(),()(

(2.3)
trong đó k= -

,…0, 1,…+

, p = 1,…., M với M là số nhánh của bộ thu
RAKE, l = 1,…L với L là độ lợi trải phổ.


21
Hình 1.5 cho thấy ở bộ thu RAKE tín hiệu thu được bị làm trễ và sau
đó được giải trải. Giả sử rằng, người dùng thứ i là người dùng mong muốn, thì
tín hiệu giải trải thứ p là d
p
(k) có thể được viết dưới dạng

 )()()( lclkLykd
ip
, p = 0,…, P-1 (2.4)
với c
i

(l) là chuỗi mã ngắn của người dùng thứ i.
Giả sử rằng h(p,k) là thành phần đa đường thay đổi theo thời gian thứ p
và
),(
ˆ
kph
p
là ước lượng kênh của h(p,k) Đầu ra của bộ thu RAKE tại
nhánh thứ p trở thành:
),(
ˆ
)()(
ˆ
,
kphkdkb
ppRAKE

(2.5)
Các hệ số của kênh h(p,m) với p = 1, …,M có thể được ước lượng bằng
cách sử dụng tín hiệu hoa tiêu. Ước lượng kênh tức thời cho nhánh đa đường
thứ p là
)()()(),(
ˆ
**
kblclkLykph











(2.6)
với
)(lc
và
)(kb
lần lượt là chuỗi mã trải cho tín hiệu hoa tiêu và chuỗi tín
hiệu hoa tiêu.
Theo nguyên lý MRC, các bit quyết định có thể thu được bằng cách
cộng tất các tín hiệu kết hợp của các thành phần đa đường




1
0
,
)(
ˆ
)(
ˆ
M
p
pRAKERAKE
kbkb
(2.7)

22
2.4 Bộ sửa sóng tuyến tính cấp độ chip dùng trong đường truyền xuống
của hệ CDMA
Sử dụng bộ sửa sóng tuyến tính cấp độ chip là một giải pháp tốt cho bộ
thu trong đường truyền xuống của hệ CDMA. Mục đích chính của việc sử
dụng bộ sửa sóng tuyến tính kết hợp với một bộ giải trải phổ là nhằm khắc
phục tính chất không lý tưởng của kênh truyền xuống tại đầu thu là thiết bị di
động, để từ đó khôi phục tính chất trực giao của chuỗi tín hiệu các người dùng
khác nhau. Khi tính chất trực giao được khôi phục, bộ giải trải phổ có thể triệt
tất cả nhiễu đa truy nhập.
Điều kiện cần thiết để một bộ thu trong hệ thông tin CDMA hoạt động
chính xác là số người dùng trong một tế bào phải nhỏ hơn thừa số trải phổ.
Nói cách khác, mỗi người dùng được gán một chuỗi mã trải trực giao xác
định. Bộ sửa sóng tuyến tính cấp độ chip xử lý trực tiếp chuỗi tín hiệu thu để
tạo ra chuỗi ký hiệu ước lượng của người dùng mong muốn.
Bộ sửa sóng tuyến tính được phân loại dựa vào hai tiêu chuẩn: tiêu
chuẩn ép về 0 (zero-forcing) và tiêu chuẩn cực tiểu hoá trị trung bình bình
phương lỗi MMSE. Với tiêu chuẩn ZF, nhiễu đa truy nhập MAI sinh ra do
hiện tượng đa đường hoàn toàn có thể được loại bỏ bằng cách lấy nghịch đảo
đáp ứng xung của kênh xuống. Tuy nhiên, nhược điểm của bộ sửa sóng tuyến
tính sử dụng tiêu chuẩn này là nó làm tăng ồn (noise). Sửa sóng bằng tiêu
chuẩn MMSE được sử dụng để tối thiểu hoá ồn xuất hiện trong trường hợp sử
dụng bộ sửa sóng bằng tiêu chuẩn ép về 0.
Xét trường hợp bộ sửa sóng tuyến tính cấp độ chíp theo tiêu chuẩn
MMSE cho đường truyền xuống của hệ CDMA sử dụng chuỗi tín hiệu hoa
tiêu làm chuỗi huấn luyện.

Tín hiệu thu CDMA có thể được viết dưới dạng:


23
)()()()(
1
0
lkLlkLxphlkLy
C
L
p






với {h(p)} là đáp ứng xung kênh rời rạc.
Gọi N
f
, r(kL+l) và f lần lượt là chiều dài của bộ sửa sóng, vectơ tín hiệu thu
và vectơ các hệ số của bộ sửa sóng
r(kL+l) = [y(kL+l) y(kL+l-1) … y(kL+l-N
f
)]
T
(2.8)
f = [f(0) f(1) … f(N
f
-1)]

T
(2.9)
Ước lượng cho tín hiệu truyền đi có thể xác định bởi công thức
)(
ˆ
lkLx 
= f
H
r(kL+l) (2.10)
Vectơ trọng số f được chọn sao cho làm cực tiểu hoá trị trung bình bình
phương lỗi MSE như sau
 
2
)(
ˆ
)( lkLxDlkLxEMSE
o

(2.11)
với x
0
(kL+l) là chuỗi tín hiệu hoa tiêu dùng làm chuỗi huấn luyện; D là trễ
của hệ thống.
Ước lượng bit thứ k của người dùng thứ i có thể tìm được bởi phương
trình
 
)
ˆ
(
ˆ

1
0
),(
*






L
l
lkLi
lkLi
cxdeckb
(2.12)
với dec(.) là hàm lấy quyết định.
Nhiều nghiên cứu khác về bộ sửa sóng tuyến tính cấp độ chip cho
đường truyền xuống trong các hệ thống CDMA cũng đã được thực hiện.
Ngoài phương pháp sử dụng chuỗi huấn luyện để cập nhật các hệ số của bộ
sửa sóng người ta còn nghiên cứu các thuật toán mù, các phương pháp ước
lượng kênh … để làm tăng chất lượng của hệ thống. Kết quả mô phỏng của


24
các phương pháp này phần lớn đều chỉ ra sự cải thiện chất lượng của hệ thống
khi sử dụng bộ sửa sóng tuyến tính cho bộ thu so với sử dụng bộ thu RAKE.
Một số nghiên cứu cụ thể về bộ thu sử dụng bộ sửa sóng được trình bày chi
tiết ở mục 2.5 dưới đây.
2.5 Một số nghiên cứu về bộ thu sử dụng bộ sửa sóng trong hệ thống

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.