Ứng dụng mạng nơ ron và giải thuật di truyền vào bộ tách sóng đa user cho hệ thống ds cdma

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN PHÚ CƯỜNG

ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON VÀ GIẢI THUẬT DI
TRUYỀN VÀO BỘ TÁCH SÓNG ĐA USER
CHO HỆ THỐNG DS-CDMA
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Mã số
: 605270

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 6/2011


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học :PGS. TS. Phạm Hồng Liên

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Phan Hồng Phương

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Đỗ Hồng Tuấn

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 12 tháng 7 năm 2011
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1. TS. Phan Hồng Phương
2 TS. Đỗ Hồng Tuấn.
3. PGS. TS. Phạm Hồng Liên
4. TS. Lưu Thanh Trà
5. TS. Nguyễn Minh Hoàng
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA…………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Phú Cường ...................................... MSHV: 09140004 ..........
Ngày, tháng, năm sinh: 10/12/1982 ......................................... Nơi sinh: Đồng Tháp ......
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử ............................................. Mã số : 605270 .............
I. TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng mạng nơ ron và giải thuật di truyền vào bộ tách sóng đa
user cho hệ thống DS-CDMA ....................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: .................................................................................
........................................................................................................................................
........................................................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : ..................................................................................

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ..................................................................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Phạm Hồng Liên .............................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2011
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu dưới sự hướng dẫn tận tình của Phó Giáo sư Tiến sĩ
Phạm Hồng Liên, đến nay quyển luận văn này đã hoàn thành tốt đẹp. Xin được phép gửi
đến Cơ Phạm Hồng Liên lịng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất.
Nhân đây, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong bộ môn Viễn thôngtrường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, những người đã cung cấp nguồn
kiến thức quý báu cùng với sự hỗ trợ tận tâm trong suốt hai năm tôi theo học tại trường.
Cũng không quên sự giúp đỡ to lớn của các bạn bè cùng lớp và các đồng nghiệp đã
giúp đỡ, tạo điều kiện cho tơi hồn thành việc nghiên cứu trong thời gian qua. Xin gửi
đến các anh chị và các bạn lời tri ân sâu sắc.
Cuối cùng, xin được gửi lòng biết ơn to lớn nhất đến cha mẹ và người thân trong
gia đình, những người đã động viên, giúp đỡ rất nhiều để tơi có được ngày hơm nay.
Tp Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 6 năm 2011

Nguyễn Phú Cường

i


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

LỜI NÓI ĐẦU
Trong hệ thống DS-CDMA, nhiều user phát đồng thời trên cùng một băng tần, do đó
sẽ gây ra nhiễu đa truy cập (MAI). Điều này làm suy giảm chất lượng tín hiệu và giới hạn
dung lượng hệ thống. Các bộ tách sóng truyền thống, như Match Filter và máy thu Rake,
xem giao thoa như là nhiễu. Các bộ tách sóng này khơng hiệu quả vì chưa khai thác được
các thơng tin về kênh truyền và chuỗi mã trải phổ của các user.
Nhằm khắc phục những nhược điểm của phương pháp tách sóng đơn user, phương
pháp tách sóng đa user đã được nghiên cứu và thử nghiệm. Phương pháp này khai thác
thơng tin về đặc tính kênh truyền và chuỗi mã trải phổ của các nguồn giao thoa để loại trừ
MAI. Bộ tách sóng đa user tối ưu do Verdu đề xuất, [6], tỏ ra vượt trội so với các bộ tách
sóng truyền thống, nhưng cũng làm cho độ phức tạp của máy thu tăng lên đáng kể. Đã có
nhiều nghiên cứu thiết kế các bộ tách sóng gần tối ưu nhằm giảm độ phức tạp của máy thu
trong khi vẫn đảm bảo hiệu quả tách sóng.
Trong luận văn này, tác giả sẽ ứng dụng mạng nơ ron và giải thuật di truyền để
thiết kế bộ tách sóng đa user cho hệ thống DS-CDMA. Như chúng ta đã biết, mạng nơ ron
và giải thuật di truyền thường được ứng dụng cho những bài tốn tối ưu hóa phức tạp và
đã mang lại hiệu quả đáng kể. Do đó, việc ứng dụng hai phương pháp này cho bộ tách
sóng đa user hứa hẹn sẽ cải thiện hiệu quả tách sóng. Cấu trúc luận văn như sau:
- Phần 1: Lý thuyết cơ sở
Chương 1: Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động
Chương 2: Kênh truyền vô tuyến

Chương 3: Hệ thống DS-CDMA
Chương 4: Mạng nơ ron nhân tạo
Chương 5: Giải thuật di truyền

ii


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

- Phần 2: Ứng dụng mạng nơ ron và giải thuật di truyền vào bộ tách sóng đa
user cho hệ thống DS-CDMA
Chương 6: Tách sóng đa user trong hệ thống DS-CDMA
Chương 7: Ứng dụng mạng nơ ron vào bộ tách sóng đa user
Chương 8: Ứng dụng giải thuật di truyền vào bộ tách sóng đa user
- Phần 3: Kết quả thực hiện
Chương 9: Kết quả mô phỏng và đánh giá
Chương 10: Kết luận, hướng phát triển đề tài

iii


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

ABSTRACT
In DS-CDMA systems, many users transmit on the same frequency band
simultaneously, which will cause interference called MAI (Multiple Access Interference).

The result is degradation of received signal and limitation of system capacity.
Conventional detectors, such as Match Filter and Rake Receiver, treat interference as
noise. They don’t exploy information of the channel and spreading sequences of the users,
so don’t bring much effect.
In order to overcome limitation of single-user detection method, multi-user
detection has been proposed. This method exploys information of the channel and
spreading sequences of the interference sources to eliminate MAI. Optimum multi-user
detector, proposed by Verdu, [6], proved to be dominant over conventional detectors, but
it also increases the complexity of the detectors considerably. There have been many
researches of near optimum detectors to decrease receiver’s complexity while ensure
detection efficiency.
In this thesis, the author will introduce multi-user detectors based on Neural
Network and Genetic Algorithms. As we have known, Neural Network and Genetic
Algorithms are often used in many complicated optimal problems. The use of these
methods in multi-user detector therefore promises to improve detection efficiency.
The structure of the thesis is as follow:
- Part I: Basic theory
Chapter 1: The development of cellular communication systems
Chapter 2: Wireless channel
Chapter 3: DS-CDMA system
Chapter 4: Artifical Neural Network

iv


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

Chapter 5: Genetic Algorithms

- Part II: Neural Network and Genetic Algorithms based Multi-user detectors in
DS-CDMA system
Chapter 6: Multi-user detection in DS-CDMA system
Chapter 7: Neural Network based multi-user detector
Chapter 8: Genetic Algorithms based multi-user detector
Chapter 9: Results
Chapter 10: Conclusions, future works

v


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. i
LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................ ii
ABSTRACT .................................................................................................................. iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................... xii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................ xvi
Phần I: LÝ THUYẾT CƠ SỞ ....................................................................................... 1
Chương 1: SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ...... 2
1.1. Sự phát triển của các hệ thống từ 1G lên 3G ......................................................... 2
1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư ............................................................... 3
Chương 2: KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN .................................................................... 5
2.1. Mơi trường truyền sóng di động ............................................................................ 5
2.2. Hiện tượng fading ................................................................................................. 6
2.2.1. Fading phạm vi lớn ............................................................................................ 6

2.2.2. Fading phạm vi nhỏ ........................................................................................... 6
2.3. Sự trải trễ của tín hiệu ........................................................................................... 7
2.3.1. Xét trong miền thời gian .................................................................................... 7
2.3.2. Xét trong miền tần số ......................................................................................... 8
2.4. Đặc tính thay đổi theo thời gian của kênh truyền................................................... 9
2.4.1. Xét trong miền thời gian .................................................................................... 9
2.4.2. Xét trong miền tần số ....................................................................................... 10
Chương 3: HỆ THỐNG DS-CDMA ............................................................................ 11

vi


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

3.1. Giới thiệu kỹ thuật trải phổ ................................................................................. 11
3.2. Hệ thống DS-CDMA .......................................................................................... 12
3.3. Máy thu Rake ..................................................................................................... 13
3.4. Các chuỗi trải phổ thông dụng ............................................................................ 14
3.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống DS-CDMA ................................ 14
Chương 4: MẠNG NƠ RON NHÂN TẠO.................................................................. 17
4.1. Lịch sử phát triển ................................................................................................ 17
4.2. Cấu trúc mạng nơ ron nhân tạo ........................................................................... 18
4.3. Các phương pháp học của mạng nơ ron .............................................................. 19
4.4. Mạng Perceptron................................................................................................. 20
4.4.1. Cấu trúc mạng Perceptron ................................................................................ 21
4.4.2. Luật học Perceptron ......................................................................................... 21
4.4.3. Ưu và nhược điểm của mạng Perceptron .......................................................... 22
4.5. Mạng tuyến tính thích nghi ................................................................................. 22

4.5.1. Cấu trúc mạng tuyến tính thích nghi ................................................................ 22
4.5.2. Luật học LMS .................................................................................................. 23
4.5.3. Ưu và nhược điểm của mạng tuyến tính thích nghi .......................................... 24
4.6. Mạng truyền thẳng nhiều lớp .............................................................................. 24
4.6.1. Cấu trúc mạng truyền thẳng nhiều lớp.............................................................. 24
4.6.2. Giải thuật lan truyền ngược .............................................................................. 25
4.6.3. Ưu và nhược điểm của mạng truyền thẳng nhiều lớp........................................ 26
Chương 5: GIẢI THUẬT DI TRUYỀN ...................................................................... 27
5.1. Q trình tiến hóa tự nhiên.................................................................................. 27
5.2. Tổng quan về giải thuật di truyền ........................................................................ 27

vii


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

5.3. Mã hóa biến ........................................................................................................ 29
5.4. Xác định hàm thích nghi ..................................................................................... 29
5.5. Chọn lọc cá thể ................................................................................................... 30
5.5.1. Các đại lượng đặc trưng của quá trình chọn lọc cá thể...................................... 30
5.5.2. Chọn lọc dựa theo thứ hạng ............................................................................. 31
5.5.2.1. Chọn lọc dựa theo luật tuyến tính .................................................................. 31
5.5.2.2. Chọn lọc dựa theo luật hàm mũ ..................................................................... 31
5.5.3. Chọn lọc tỷ lệ................................................................................................... 32
5.5.3.1. Roulette Wheel Selection .............................................................................. 32
5.5.3.2. Stochastic Universal Sampling ...................................................................... 33
5.5.4. Tournament Selection ...................................................................................... 33
5.5.5. Truncation Selection ........................................................................................ 34

5.6. Lai ghép cá thể.................................................................................................... 34
5.7. Đột biến .............................................................................................................. 34
5.8. Chèn cá thể ......................................................................................................... 34
5.9. Thế hệ tiếp theo ................................................................................................. 35
5.10. Sự hội tụ của giải thuật ..................................................................................... 35
5.11. So sánh giải thuật di truyền với các giải thuật khác ........................................... 36
Phần II: ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON VÀ GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀO BỘ
TÁCH SÓNG ĐA USER CHO HỆ THỐNG DS-CDMA .......................................... 38
Chương 6: TÁCH SÓNG ĐA USER TRONG HỆ THỐNG DS-CDMA ................... 39
6.1. Mơ hình hệ thống DS-CDMA ............................................................................. 39
6.2. Bộ tách sóng cổ điển ........................................................................................... 40
6.3. Tách sóng đa user tối ưu ..................................................................................... 42

viii


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

6.4. Tách sóng đa user gần tối ưu............................................................................... 44
6.4.1. Bộ tách sóng giải tương quan ........................................................................... 45
6.4.2. Bộ tách sóng MMSE ........................................................................................ 46
6.4.3. Bộ tách sóng triệt nhiễu nối tiếp ....................................................................... 47
6.4.4. Bộ tách sóng triệt nhiễu song song ................................................................... 49
Chương 7: ỨNG DỤNG MẠNG NƠ RON VÀO BỘ TÁCH SÓNG ĐA USER ....... 51
7.1. Mơ hình bộ tách sóng dùng mạng nơ ron ............................................................ 51
7.2. Các giải thuật huấn luyện mạng .......................................................................... 53
7.2.1. Giải thuật Gradient Descent truyền thống ........................................................ 53
7.2.2. Giải thuật Gradient Descent with Momentum .................................................. 55

7.2.3. Huấn luyện với tốc độ học thay đổi .................................................................. 56
7.2.4. Giải thuật Resilient Back Propagation .............................................................. 56
7.2.5. Giải thuật Conjugate Gradient .......................................................................... 57
7.2.6. Giải thuật Levenberg Marquardt ...................................................................... 59
7.3. Tổng quát hóa khả năng học của mạng nơ ron .................................................... 60
7.3.1. Regulation ....................................................................................................... 62
7.3.2. Early Stopping ................................................................................................. 63
Chương 8: ỨNG DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN VÀO BỘ TÁCH SÓNG ĐA
USER ............................................................................................................................ 65
8.1. Mơ hình bộ tách sóng dùng giải thuật di truyền................................................... 65
8.2. Thực hiện bộ tách sóng bằng giải thuật di truyền ................................................ 66
8.2.1. Khởi tạo quần thể ban đầu................................................................................ 67
8.2.2. Chọn lọc cá thể ................................................................................................ 68
8.2.3. Lai ghép cá thể ................................................................................................. 79

ix


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

8.2.4. Đột biến ........................................................................................................... 71
8.2.5. Chèn cá thể ...................................................................................................... 71
8.2.6. Điều kiện dừng của giải thuật........................................................................... 71
8.3. Nội dung mô phỏng bộ tách sóng đa user dùng giải thuật di truyền ..................... 72
Phần III: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ............................................................................. 74
Chương 9: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ................................................ 75
9.1. Giới thiệu chương trình mơ phỏng ...................................................................... 75
9.2. Mơ hình hệ thống DS-CDMA ............................................................................. 78

9.3. Mô phỏng hệ thống DS-CDMA với các phương pháp tách sóng truyền thống .... 79
9.4. Khảo sát bộ tách sóng đa user dùng mạng nơ ron ................................................ 79
9.4.1. Ảnh hưởng của số nút ẩn.................................................................................. 82
9.4.2. Ảnh hưởng của số thế hệ huấn luyện ................................................................ 85
9.4.3. Ảnh hưởng của hàm huấn luyện ....................................................................... 87
9.4.4. Ảnh hưởng của hàm mục tiêu .......................................................................... 91
9.4.5. Ảnh hưởng của Early Stopping ........................................................................ 94
9.4.6. Ảnh hưởng của số mẫu huấn luyện .................................................................. 97
9.4.7. Kết luận về quá trình học của mạng nơ ron .................................................... 100
9.5. Khảo sát bộ tách sóng đa user dùng giải thuật di truyền .................................... 100
9.5.1. Ảnh hưởng của kích thước quần thể ............................................................... 100
9.5.2. Ảnh hưởng của số thế hệ tiến hóa .................................................................. 103
9.5.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ lai ghép ........................................................................ 105
9.5.4. Ảnh hưởng của phương pháp lai ghép ............................................................ 107
9.5.5. Ảnh hưởng của tỷ lệ đột biến ......................................................................... 108
9.5.6. Kết luận về quá trình tìm kiếm bằng giải thuật di truyền ................................ 110

x


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

9.6. So sánh các phương pháp .................................................................................. 110
Chương 10: KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................................... 119
10.1. Những điều luận văn đã đạt được .................................................................... 119
10.2. Hướng phát triển đề tài ................................................................................... 120
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 122
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................... 124

xi


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sự phát triển của các hệ thống thơng tin di động từ 1G lên 3G ......................... 3
Hình 2.1. Cường độ tín hiệu trong mơi trường fading ...................................................... 7
Hình 2.2. Kênh truyền fading chọn tần............................................................................. 8
Hình 2.3. Kênh truyền fading phẳng ................................................................................ 8
Hình 2.4. Kênh truyền fading phẳng với điểm trũng nằm trong băng thơng tín hiệu ......... 9
Hình 2.5. Các loại fading ............................................................................................... 10
Hình 3.1. Nguyên lý tạo tín hiệu trải phổ ....................................................................... 11
Hình 3.2. Các kỹ thuật CDMA ....................................................................................... 13
Hình 3.3. Máy thu Rake với 3 nhánh.............................................................................. 13
Hình 3.4. Mật độ phổ cơng suất của user 1 trước và sau khi giải trải phổ ....................... 15
Hình 4.1. Cấu trúc một phần tử nơ ron nhân tạo ............................................................. 18
Hình 4.2. Luật học có giám sát....................................................................................... 19
Hình 4.3. Luật học củng cố ............................................................................................ 20
Hình 4.4. Luật học khơng có giám sát ............................................................................ 20
Hình 4.5. Cấu trúc mạng Perceptron .............................................................................. 21
Hình 4.6. Cấu trúc mạng tuyến tính thích nghi ............................................................... 23
Hình 4.7. Mơ hình lớp nơ ron log-sigmoid ..................................................................... 25
Hình 5.1. Lưu đồ giải thuật di truyền ............................................................................. 28
Hình 5.2. Ví dụ một dạng hàm thích nghi ...................................................................... 29
Hình 5.3. Chọn lọc theo phương pháp Roulette Wheel Selection ................................... 32
Hình 5.4. Chọn lọc theo phương pháp Stochastic Universal Sampling ........................... 33

Hình 5.5. Chèn cá thể theo phương pháp Elitist ............................................................. 35
xii


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

Hình 5.6. Q trình hội tụ của GA ................................................................................. 36
Hình 6.1. Mơ hình hệ thống DS-CDMA ........................................................................ 39
Hình 6.2. Bộ tách sóng cổ điển ...................................................................................... 40
Hình 6.3. Bộ tách sóng giải tương quan ......................................................................... 45
Hình 6.4. Bộ tách sóng MMSE ...................................................................................... 46
Hình 6.5. Bộ tách sóng triệt nhiễu nối tiếp cho 2 user đồng bộ ....................................... 48
Hình 6.6. Bộ tách sóng PIC ............................................................................................ 49
Hình 6.7. Các phương pháp tách sóng đa user ................................................................ 50
Hình 7.1. Bộ tách sóng đa user dùng mạng nơ ron ......................................................... 51
Hình 7.2. Mạng truyền thẳng với l lớp ........................................................................... 53
Hình 7.3. Ảnh hưởng của momentum ........................................................................... 56
Hình 7.4. Đáp ứng của mạng khi quá khớp .................................................................... 61
Hình 7.5. Đáp ứng của mạng khi áp dụng Regulation .................................................... 62
Hình 7.6. Đáp ứng của mạng khi áp dụng Early Stopping .............................................. 63
Hình 8.1. Bộ tách sóng đa user dùng giải thuật di truyền................................................ 65
Hình 8.2. Lưu đồ tìm kiếm bằng giải thuật di truyền ...................................................... 67
Hình 8.3. Quần thể của giải thuật di truyền .................................................................... 68
Hình 8.4. Chọn lọc theo phương pháp SUS .................................................................... 69
Hình 8.5. Lai ghép một điểm ......................................................................................... 69
Hình 8.6. Lai ghép hai điểm ........................................................................................... 70
Hình 8.7. Lai ghép đồng nhất ......................................................................................... 70
Hình 8.8. Đột biến nhị phân ........................................................................................... 71

Hình 8.9. Độ thích nghi của quần thể qua q trình tiến hóa .......................................... 72
Hình 9.1. Màn hình chính .............................................................................................. 76

xiii


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

Hình 9.2. Màn hình mơ phỏng hệ thống DS-CDMA ...................................................... 76
Hình 9.3. Màn hình huấn luyện mạng nơ ron ................................................................. 77
Hình 9.4. Màn hình tìm kiếm của giải thuật di truyền .................................................... 77
Hình 9.5. Màn hình so sánh các phương pháp tách sóng ................................................ 78
Hình 9.6-a. So sánh các phương pháp tách sóng theo Eb/No, kênh AWGN ..................... 79
Hình 9.6-b. So sánh các phương pháp tách sóng theo Eb/No, kênh fading phẳng ............ 80
Hình 9.7-a. So sánh các phương pháp tách sóng theo số user, kênh AWGN................... 80
Hình 9.7-b. So sánh các phương pháp tách sóng theo số user, kênh fading phẳng .......... 81
Hình 9.8-a. Đáp ứng của mạng với số nút ẩn là 3 ........................................................... 83
Hình 9.8-b. Đáp ứng của mạng với số nút ẩn là 20 ......................................................... 83
Hình 9.8-c. Đáp ứng của mạng với số nút ẩn là 100 ....................................................... 84
Hình 9.9. Số thế hệ tối đa là 100 .................................................................................... 86
Hình 9.10-a. Hàm huấn luyện trainscg ........................................................................... 88
Hình 9.10-b. Hàm huấn luyện traingdm ......................................................................... 88
Hình 9.10-c. Hàm huấn luyện traingda ........................................................................... 89
Hình 9.10-d. Hàm huấn luyện trainlm ............................................................................ 89
Hình 9.10-e. Hàm huấn luyện trainrp ............................................................................. 90
Hình 9.11-a. Hàm mục tiêu msereg ................................................................................ 92
Hình 9.11-b. Hàm mục tiêu mse ..................................................................................... 93
Hình 9.12. Ảnh hưởng của Early Stopping ..................................................................... 95

Hình 9.13. So sánh giữa Regulation và Early Stopping .................................................. 96
Hình 9.14-a. Số mẫu huấn luyện bằng 50x26 .................................................................. 98
Hình 9.14-b. Số mẫu huấn luyện bằng 500x26 ............................................................... 98
Hình 9.14-c. Số mẫu huấn luyện bằng 5000x26 .............................................................. 99

xiv


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

Hình 9.15-a. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước quần thể, user = 10 .......................... 101
Hình 9.15-b. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước quần thể, user = 20 .......................... 102
Hình 9.15-c. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước quần thể, user = 30 .......................... 102
Hình 9.15-d. Khảo sát ảnh hưởng của kích thước quần thể, user = 30, thế hệ = 100 ..... 103
Hình 9.16-a. Khảo sát số thế hệ tiến hóa, user = 10 ...................................................... 104
Hình 9.16-b. Khảo sát số thế hệ tiến hóa, user = 20...................................................... 105
Hình 9.17-a. Khảo sát tỷ lệ lai ghép, user = 10 ............................................................. 106
Hình 9.17-b. Khảo sát tỷ lệ lai ghép, user = 20............................................................. 106
Hình 9.18. Khảo sát phương pháp lai ghép, user = 10 .................................................. 108
Hình 9.19-a. Khảo sát tỷ lệ đột biến, user = 10............................................................. 109
Hình 9.19-b. Khảo sát tỷ lệ đột biến, user = 20 ............................................................ 110
Hình 9.20-a. So sánh các phương pháp theo Eb/No, User = 10, kênh AWGN ............... 113
Hình 9.20-b. So sánh các phương pháp theo User, Eb/No = 5, kênh AWGN ................. 113
Hình 9.21-a. So sánh các phương pháp theo Eb/No, User = 30, kênh AWGN ............... 114
Hình 9.21-b. So sánh các phương pháp theo User, Eb/No = 12, kênh AWGN ............... 114
Hình 9.22-a. So sánh các phương pháp theo Eb/No, User = 10, kênh Rayleigh ............. 115
Hình 9.22-b. So sánh các phương pháp theo User, Eb/No = 10, kênh Rayleigh ............. 115
Hình 9.23-a. So sánh các phương pháp theo Eb/No, User = 30, kênh Rayleigh ............. 116

Hình 9.23-b. So sánh các phương pháp theo User, Eb/No = 30, kênh Rayleigh ............. 116

xv


HVTH: Nguyễn Phú Cường

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

DANH MỤC HÌNH VẼ
Bảng 5.1. So sánh giữa giải thuật di truyền và phương pháp tìm kiếm cổ điển ............... 37
Bảng 9.1. Thông số của hệ thống DS-CDMA ................................................................ 79
Bảng 9.2. Thông số khảo sát ảnh hưởng của số nút ẩn ................................................... 82
Bảng 9.3. Thông số khảo sát ảnh hưởng của số thế hệ huấn luyện.................................. 85
Bảng 9.4. Thông số khảo sát ảnh hưởng của hàm huấn luyện ......................................... 87
Bảng 9.5. Thông số khảo sát ảnh hưởng của hàm mục tiêu ............................................ 92
Bảng 9.6. Thông số khảo sát ảnh hưởng của Early Stopping .......................................... 94
Bảng 9.7. Thông số khảo sát ảnh hưởng của số mẫu huấn luyện .................................... 97
Bảng 9.8. Thông số khảo sát ảnh hưởng của kích thước quần thể................................. 101
Bảng 9.9. Thông số khảo sát ảnh hưởng của số thế hệ tiến hóa .................................... 104
Bảng 9.10. Thơng số khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ lai ghép ......................................... 106
Bảng 9.11. Thông số khảo sát ảnh hưởng của phương pháp lai ghép ............................ 107
Bảng 9.12. Thông số khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ đột biến ......................................... 109
Bảng 9.13. Thông số mạng nơ ron sử dụng cho bộ tách sóng đa user ........................... 111
Bảng 9.14. Thông số giải thuật di truyền sử dụng cho bộ tách sóng đa user ................. 112
Bảng 9.15. Thông số hệ thống DS-CDMA ................................................................... 112
Bảng 9.16. So sánh ANN-MUD với GA-MUD ............................................................ 118

xvi

CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Phú Cường

Phần I
LÝ THUYẾT CƠ SỞ

Phần I: Lý thuyết cơ sở

Trang1/124


CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Phú Cường

Chương 1
SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC HỆ THỐNG
THÔNG TIN DI ĐỘNG
Ở chương đầu tiên, tác giả sẽ giới thiệu quá trình phát triển của các hệ thống
thông tin di động, từ thế hệ đầu tiên (1G) đến thế hệ thứ ba (3G) và những đặc điểm của
hệ thống trong tương lai. Phần trình bày sẽ khơng đi sâu vào các đặc tính kỹ thuật mà chỉ
nêu bật những nét tiêu biểu của các hệ thống ở mỗi thế hệ.

1.1. Sự phát triển của các hệ thống từ 1G lên 3G:
Các hệ thống thông tin di động đã và đang trải qua quá trình phát triển đáng kinh
ngạc từ khi hệ thống thơng tin tế bào (Cellular Communications System) đầu tiên được
giới thiệu vào những năm 1980s. Các hệ thống ở thế hệ thứ nhất dựa trên công nghệ
tương tự với kỹ thuật đa truy cập FDMA. Các hệ thống này được thiết kế cho dịch vụ

thoại chuyển mạch mạch băng hẹp. Do những giới hạn về tốc độ và dung lượng, các hệ
thống FDMA không đáp ứng kịp nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng. Các hệ thống
ở thế hệ thứ hai đã chuyển sang công nghệ số với hai kỹ thuật đa truy cập là TDMA và
CDMA. Các hệ thống này có khả năng cung cấp các dịch vụ thoại và dữ liệu băng hẹp.
Tuy nhiên, như vậy vẫn là chưa đủ khi yêu cầu về tốc độ cũng như sự đa dạng về dịch vụ
ngày càng tăng lên, và các hệ thống thông tin di động đã chuyển sang một giai đoạn mới.
Các hệ thống hiện nay đang ở thế hệ thứ ba với hai chuẩn là IMT-2000 của ITU và
UMTS của ETSI. Hệ thống mới này với kỹ thuật đa truy cập CDMA băng rộng
(WCDMA) sẽ cung cấp nhiều loại hình dịch vụ bao gồm các dịch vụ thoại, số liệu tốc độ
cao và các dịch vụ đa phương tiện.

Chương 1: Các hệ thống thông tin di động

Trang 2/124


CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Phú Cường

Hình 1.1. Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động từ 1G lên 3G

1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư:
Công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư (4G) sử dụng kỹ thuật điều chế đa
sóng mang trực giao, cho phép truyền dữ liệu với tốc độ tối đa lên tới 1 Gbps trong điều
kiện lý tưởng. Sau đây là một số yêu cầu của hệ hống 4G:
− Kiến trúc chung, cho phép kết hợp với các kỹ thuật hiện có
− Hiệu suất phổ tần cao
− Độ bao phủ tốt hơn so với các hệ thống 3G
− Độ thích nghi cao, hỗ trợ nhiều chuẩn và các kỹ thuật khác nhau

− Giá thành thấp, có thể triển khai ra thị trường nhanh chóng
− Khả năng mở rộng hệ thống, nền tảng cho sự phát triển của các kỹ thuật mới

Chương 1: Các hệ thống thông tin di động

Trang 3/124


CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Phú Cường

Tổng kết chương 1:
Chương 1 đã khái quát được những nét đặc trưng của các hệ thống thông tin di
động từ thế hệ thứ nhất đến thế hệ thứ ba. Phần trình bày cũng đã đề cập một số đặc điểm
của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư sẽ được triển khai trong tương lai.
Trong chương tiếp theo, tác giả sẽ trình bày một số nội dung cơ bản về kênh truyền
trong môi trường thông tin di động.

Chương 1: Các hệ thống thông tin di động

Trang 4/124


CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Phú Cường

Chương 2
KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN

Trong mơi trường vơ tuyến, kênh truyền ln có ảnh hưởng rất lớn đến hoạt động
của hệ thống. Ở chương 2, tác giả sẽ trình bày những đặc trưng cơ bản của kênh truyền
vô tuyến di động. Hiểu rõ đặc tính kênh truyền là điều kiện quan trọng để có thể đánh giá
hoạt động của các hệ thống, đặc biệt là thiết kế các bộ tách sóng phù hợp.

2.1. Mơi trường truyền sóng di động:
Trong mơi trường truyền sóng di động, tín hiệu bị tác động bởi các hiện tượng sau:
- Hiện tượng đa đường: là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, khúc xạ của sóng điện từ
khi gặp phải các vật cản trên đường truyền. Năng lượng tín hiệu sẽ bị phân tán theo nhiều
hướng. Do đó tín hiệu đến máy thu là tập hợp của các sóng đến từ nhiều hướng khác nhau
với biên độ và pha khác nhau.
- Hiện tượng Doppler: gây ra do sự thay đổi vị trí tương đối của các vật thể trên
đường truyền, làm cho đặc tính của kênh truyền thay đổi theo thời gian. Hiện tượng này
tác động lên tín hiệu trên những phạm vi nhỏ, trong khoảng thời gian ngắn. Do đó đây
cịn được gọi là fading phạm vi nhỏ hoặc fading nhanh.
- Hiện tượng che khuất: xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che
khuất bởi các vật thể với mật độ dầy và các vật thể này có kích thước lớn so với bước
sóng. Khác với hiện tượng Doppler, hiện tượng che khuất tác động lên tín hiệu trên phạm
vi lớn, trong khoảng thời gian dài nên còn được gọi fading phạm vi lớn hoặc fading chậm.
- Hiện tượng suy hao đường truyền: hiện tượng này giống như suy hao đường
truyền trong không gian tự do. Tuy nhiên, trong môi trường truyền sóng di động thường

Chương 2: Kênh truyền vơ tuyến

Trang 5/124


CBHD: PGS. TS. Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Phú Cường

không tồn tại đường truyền thẳng (LOS), do đó cơng suất tín hiệu sẽ bị suy hao nhiều hơn
so với trong không gian tự do.

2.2. Hiện tượng fading:
Như ở phần 2.1 đã đề cập, do bị tác động bởi các vật thể trên đường truyền, tín hiệu
trong mơi trường di động vừa bị suy hao vừa bị tán xạ năng lượng theo nhiều hướng. Hiện
tượng này gọi là hiện tượng fading. Có hai loại fading: fading phạm vi lớn và fading
phạm vi nhỏ.
2.2.1. Fading phạm vi lớn:
Fading phạm vi lớn là hiện tượng cơng suất của tín hiệu bị suy giảm khi di chuyển
trên một phạm vi lớn (gấp 10 – 30 lần bước sóng). Nguyên nhân là do những ảnh hưởng
của địa hình, những vật cản trên đường truyền sóng (đồi núi, nhà cửa…). Cường độ tín
hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố Gaussian quanh giá trị trung bình. Fading phạm vi lớn
làm cho tín hiệu thay đổi với tốc độ chậm nên còn gọi là hiện tượng fading chậm.

2.2.2. Fading phạm vi nhỏ:
Fading phạm vi nhỏ gây ra những biến đổi biên độ và pha của tín hiệu khi có sự thay
đổi vị trí tương đối trong phạm vi nhỏ (nửa bước sóng) giữa máy phát và máy thu. Sự
thay đổi của mơi trường truyền sóng là ngun nhân gây ra hiện tượng fading phạm vi
nhỏ, và sự thay đổi này diễn ra liên tục trong những khoảng thời gian ngắn nên còn gọi là
fading nhanh. Trong trường hợp này, cường độ tín hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố
Rayleigh (khi khơng có đường truyền thẳng giữa máy phát và máy thu) hoặc phân bố
Rician (khi có đường truyền LOS giữa máy phát và máy thu).
Khi máy di động di chuyển trên một phạm vi lớn (hoặc trong khoảng thời gian dài)
thì tín hiệu sẽ bị tác động đồng thời bởi cả hai loại fading phạm vi lớn và fading phạm vi
nhỏ.

Chương 2: Kênh truyền vô tuyến

Trang 6/124