Phương pháp tách sóng multiuser trong hệ thống multirate CDMA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

#"

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

PHƯƠNG PHÁP TÁCH SÓNG ĐA
USER MỚI TRONG CÁC HỆ THỐNG
MULTICODE – CDMA
CBHD: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN
HVTH: ĐẶNG NGỌC MINH ĐỨC

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Khóa

: 2005

Mã số ngành : 605270

TP.Hồ Chí Minh, tháng 7 - 2007


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Ngày nay, thơng tin liên lạc đang phát triển nhanh chóng và mạnh mẽ, đặc biệt
là thơng tin di động. Các hệ thống thông tin băng hẹp có khả năng kháng nhiễu giao
thoa liên ký tự ISI vì khoảng ký hiệu rộng hơn khoảng trải trễ của kênh truyền. Tuy
nhiên, chất lượng của tín hiệu băng hẹp lại bị suy giảm mạnh bởi fading phẳng không
mong muốn. Để chống lại fading phẳng này, hệ thống đa truy cập phân chia theo mã
sử dụng kỹ thuật trải phổ trực tiếp DS-CDMA đã ra đời nhằm làm cho băng thơng của
tín hiệu rộng hơn nhiều băng thơng liên kết của kênh truyền. Các hệ thống CDMA

đang dần chứng tỏ khả năng vượt trội về dung lượng và chất lượng với nhiều dịch vụ
đa phương tiện khác nhau. Hệ thống CDMA có nhiều ưu điểm nổi bật như: dung
lượng mềm lớn hơn nhiều so với 2 phương pháp FDMA và TDMA, chống nhiễu đa
đường, có tính bảo mật cao, hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ khác nhau… Tuy nhiên,
kỹ thuật này có khuynh hướng bị nhiễu liên chip ICI (inter-chip).
Trong những năm gần đây, kỹ thuật điều chế đa sóng mang, thường gọi là
OFDM, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng vô tuyến cũng như hữu tuyến nhằm
khắc phục những hạn chế của việc truyền tín hiệu băng hẹp và băng rộng. Nhóm ký
hiệu trong hệ thống OFDM sẽ được phát song song trên các sóng mang phụ khác nhau
và chịu ảnh hưởng fading phẳng. Bên cạnh đó, các sóng mang phụ này có các búp phụ
chồng lấp lên nhau làm tăng hiệu quả sử dụng băng thơng. Ưu điểm của hệ thống này
là tính bền vững đối với fading đa đường, khả năng triệt nhiễu băng hẹp, hệ thống ít
phức tạp vì điều chế đa sóng mang được thực hiện dễ dàng nhờ giải thuật IFFT và việc
cân bằng kênh truyền được thực hiện trong miền tần số.
Xuất phát từ những nhu cầu rất khác nhau về tốc độ và chất lượng dịch vụ, hệ
thống MTC-CDMA ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu về tốc độ khác nhau. Hệ thống
MTC-CDMA sử dụng tập mã mà kích thước của tập mã sẽ thay đổi tùy theo tốc độ
yêu cầu.
Để cải thiện chất lượng của hệ thống MC-CDMA cũng như hệ thống MTCCDMA trong kênh truyền fading, ta có sự kết hợp của 2 hệ thống này tạo thành hệ
thống MTC-MC-CDMA. Hệ thống MTC-MC-CDMA này sẽ kết hợp ưu điểm của 2
hệ thống MC-CDMA và MTC-CDMA, đồng thời cũng khắc phục nhược điểm của
từng hệ thống. Luận văn đã tập trung nghiên cứu các vấn đề sau: hệ thống MTCCDMA và MTC-MC-CDMA tốc độ thích nghi, mã CI thích nghi, một số phương pháp
tách sóng đa user mới cho hệ thống MTC-CDMA cũng như MTC-MC-CDMA và dùng
mô phỏng để đánh giá và so sánh.
Hệ thống MTC-MC-CDMA là một đề cử đầy triển vọng cho hệ thống thông tin
di động trong tương lai
Cấu trúc luận văn: Luận văn gồm 3 phần chính: Phần 1 giới thiệu lý thuyết tổng
quan trong các hệ thống thông tin di động. Phần 2 trình bày một số phương pháp cải
thiện chỉ tiêu chất lượng của hệ thống MTC-CDMA. Và phần cuối là kết quả mô
phỏng và hướng phát triển đề tài

1


MỤC LỤC
Mục lục ............................................................................................................................ 2
1. Kỹ thuật đa sóng mang và hệ thống MC-CDMA........................................................ 3
1.1 Kỹ thuật đa sóng mang OFDM ........................................................................... 3
1.2 Hệ thống MC-CDMA.......................................................................................... 3
1.3 Mã trải phổ CI (Carrier Interferometry) .............................................................. 4
2. Các hệ thống MTC-CDMA ......................................................................................... 4
2.1 Hệ thống MTC-CDMA kiểu song song .............................................................. 4
2.2 Hệ thống MTC-CDMA kiểu M-ary .................................................................... 5
2.3 Cải thiện mã CI bằng giải thuật thích nghi.......................................................... 7
2.4 Hệ thống Rate Adaptive MTC-CDMA ............................................................... 9
3. Các phương pháp tách sóng mới trong hệ thống MTC-CDMA................................ 10
3.1 Các phương pháp tách sóng đơn user................................................................ 11
3.2 Các phương pháp tách sóng đa user .................................................................. 12
3.3 Các phương pháp tách sóng đa user mới........................................................... 13
3.4 Ước lượng kênh truyền mờ ............................................................................... 15
4. Mô phỏng
4.1 So sánh các bộ mã trong hệ thống MTC-CDMA.............................................. 17
4.2 So sánh các phương pháp tách sóng:................................................................. 24
4.3 Hệ thống Rate-Adaptive MTC-CDMA và MTC-MC-CDMA ........................ 32
5. Kết luận và hướng phát triển đề tài ........................................................................... 35
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 36
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ........................................................................................... 38

2

1. Kỹ thuật đa sóng mang và hệ thống MC-CDMA
1.1 Kỹ thuật đa sóng mang OFDM
Trong OFDM, luồng dữ liệu đầu vào có tốc độ cao. Luồng này qua bộ biến đổi
nối tiếp sang song song, sắp xếp luồng dữ liệu tốc độ cao thành N luồng có tốc độ thấp.
Mỗi luồng này lại được đưa lên một sóng mang, khoảng cách giữa các sóng mang
được chọn sao cho chúng trực giao nhằm đảm bảo các sóng mang này có thể tách
riêng ở phía thu. Kế đến các sóng mang được cộng lại, điều chế lên tần số phát và phát
lên kênh truyền.
Lợi ích của OFDM có thể thấy rõ khi xem xét việc truyền qua kênh truyền. Các
luồng dữ liệu tốc độ thấp nên có băng thơng hẹp. Khi chúng truyền qua kênh truyền,
chúng chịu fadding phẳng, cùng độ lợi cho tất cả các tần số tạo nên luồng dữ liệu tốc
độ thấp. Vì thế khơng cần bộ cân bằng ở đầu thu. Lợi điểm thứ 2 của OFDM là tiết
kiệm 50% băng thông so với FDM thông thường. Tuy nhiên, cần giảm nhiễu xuyên
kênh giữa các sóng mang phụ nghĩa là cần có sự trực giao tốt giữa các sóng mang phụ
khác nhau. Vì vậy, OFDM có hiệu quả trong việc sử dụng phổ tần số cho sẵn.
Tại máy thu, luồng dữ liệu trước tiên được đưa về băng gốc nhờ bộ trộn. Luồng
dữ liệu này tiếp theo được chia thành N luồng tốc độ thấp bằng cách tách luồng dữ liệu
thấp thứ ith, nhân với tần số sóng mang thứ ith và theo sau là bộ lọc thông thấp. Khi
luồng dữ liệu tốc độ thấp đã được tách riêng, bộ quyết định đơn giản sẽ được dùng.
1.2 Hệ thống MC-CDMA
MC-CDMA là sự kết hợp giữa OFDM và CDMA. MC-CDMA tận dụng ưu
điểm của OFDM và CDMA. Nó có tính bền vững với nhiễu chọn lọc tần số và sử dụng
băng thông hiệu quả, chống lại trễ trải do khoảng symbol tăng, tận dụng mơ hình phân
tập tần số và giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng đường truyền do mỗi sóng mang
phụ bị ảnh hưởng bởi fading phẳng độc lập. Ngoài ra, việc kết hợp OFDM với CDMA
có ưu điểm chính là làm giảm tốc độ symbol trên mỗi sóng mang phụ để khoảng
symbol dài dễ thực hiện giả đồng bộ hơn.

e

j 2 π 0 Δ ft

β1k

Re{ }

e
k
e j 2 π ( N −1) Δ ft βN

j 2π fct

Hình 1.1: Máy phát MC-CDMA

Dung lượng của hệ thống MC-CDMA bị giới hạn bởi nhiễu từ các user khác vì
tất cả user trong một cell chia sẻ cùng một băng tần. Hiệu ứng gần-xa và fading làm
cho công suất thu được ở trạm gốc của mạng thông tin di động sẽ khác nhau và sự
khác nhau này sẽ làm giảm dung lượng hệ thống. Để tăng dung lượng hệ thống, vấn đề
hiệu ứng gần-xa và fading cần phải xử lý sao cho cơng suất tín hiệu từ các máy di

3


động đến trạm gốc như nhau. Để chống lại hiệu ứng gần-xa và fading một cách hiệu
quả, điều khiển công suất đường lên chặt chẽ và chính xác nghĩa là công suất từ các
máy di động được giữ ở mức nhỏ có thể mà vẫn giữ được chất lượng dịch vụ (QoS:
Quality of Service) là rất cần thiết trong hệ thống CDMA.

e

β1k

j 2 π 0 Δ ft

r(t)

β Nk

e j 2 π ( N −1) Δ ft
e

Combiner

∫
∫

j 2π fct

Bộ quyết
định

Bit thông tin

Hình 1.2: Máy thu MC-CDMA

1.3 Mã trải phổ CI (Carrier Interferometry)
Mã trải phổ CI là loại mã phức trực giao. Nó được ứng dụng trong hệ thống
MC-CDMA bằng cách thay các mã trải phổ thông thường (mã Gold, mã WalshHadamard là các chuỗi {+1,-1}) bằng mã trải CI cho user thứ k là tập
{e jθ , e jθ ,..., e jθ } = {e j0 , e j2πk / N , e j2.2πk / N ,..., e j(N−1)2πk / N } . Với cách chọn như vậy, N user

(k=1,1,…,N) được đảm bảo trực giao nhau.
Dựa vào tính chất giả trực giao của sóng CI, hệ thống MC-CDMA sử dụng mã
CI cịn có thể hỗ trợ thêm N users nữa (user N+1,...,1N ngoài N user đang được hỗ trợ)
bằng cách gán cho user N+k mã trải:
1

N

2

{e

jθ1

}

, e jθ 2 ,..., e jθ N = {e j (0+Δθ ) , e j (2π k / N +Δθ ) , e j (2.2π k / N +Δθ ) ,..., e j (( N −1).2π k / N +Δθ ) }

với Δθ = π / N . Theo cách này, N user giả trực giao thêm vào được hổ trợ bằng
cách gán cho các user này các mã tương ứng tín hiệu CI giả trực giao với các tín hiệu
CI của N user gốc. Như vậy, hệ thống sử dụng mã CI thể hiện tính linh động cao đồng
thời nâng cao được dung lượng hệ thống.
2. Các hệ thống MTC-CDMA
Có 2 loại hệ thống MTC-CDMA: Hệ thống MTC-CDMA theo kiểu song song
và MTC-CDMA theo kiểu M-ary (Mơ hình hệ thống theo Schotten).
2.1 Hệ thống MTC-CDMA kiểu song song
Trong máy phát của hệ thống MTC-CDMA kiểu song song, dịng dữ liệu đầu
vào có tốc độ Tb cao gấp M lần tốc độ cơ bản sẽ được đưa qua bộ chuyển đổi nối tiếp
song song để chuyển thành M luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn Tss=M*Tb.
Chính điều này làm tăng chu kỳ ký hiệu đã làm cho hệ thống ít nhạy hơn với hiện

tượng đa đường trong thông tin di động. M luồng dữ liệu này được xem như M người
dùng độc lập, tất cả các luồng này được trải phổ bằng một tập mã trực giao có chiều
dài M, nhằm đảm bảo băng thông giống như của dữ liệu đầu vào. Do yêu cầu tính trực
giao của tập mã nên mã WH được dùng thông qua phép biến đổi Fast Walsh –
Hadamard Transform. Sau đó, luồng dữ liệu mã hóa được cộng lại, trải phổ bởi chuỗi

4


trải phổ đặc trưng cho mỗi user trước khi điều chế và phát cao tần. Hình 2.1 mơ tả hệ
thống MTC-CDMA kiểu song song.
C1

Serial to Parallel

d k (t )

U k (n )

C2

cos(ωc t )
s (t )

#
CM

Hình 2.1: Máy phát MTC-CDMA kiểu song song
C1

U k (n )

C2

r (t )

Tc

dt

0

∫

Tc

0

dt

#

CM

∫

Tc

0

Parallel to Serial

cos(ωc t )

∫


d k (t )

dt

Hình 2.2: Máy thu MTC-CDMA kiểu song song
Tại máy thu, tín hiệu thu được sẽ được giải điều chế cao tần, giải trải phổ rồi
qua các bộ tích phân để đưa ra các biến quyết định, sau đó qua bộ chuyển đổi song
song sang nối tiếp để khôi phục lại dữ liệu.
2.2 Hệ thống MTC-CDMA kiểu M-ary
Tại máy phát (hình 2.3), một trong số M chuỗi mã thông tin Vm(n) được chọn
tùy thuộc vào ký tự dữ liệu M-ary. Sau đó chuỗi mã được nhân với chuỗi mã đặc trưng
cho từng người dùng, rồi điều chế cao tần và phát ra kênh truyền.
Tín hiệu thu được ở máy thu (hình 2.4) sau khi được đưa xuống tín hiệu băng
gốc sẽ được nhân với chuỗi mã đặc trưng của user, sau đó kết quả thu được được tính

5


tương quan so với từng chuỗi trong tập M chuỗi mã. Chuỗi nào cho kết quả tương
quan lớn nhất sẽ được chọn và được ánh xạ ngược lại thành ký tự M-ary.

E k U k (n )

V1 (n) :1 -1 1...1
V2 ( n) :1 1 -1...1

cos(ωc t )

#

Vm ( n) :1 1 1...-1
#

VM (n) : -1
1...1

1


Length = N

Hình 2.3: Máy phát MTC-CDMA kiểu M-ary.
Matched
Filter

cos(ωc t )

V1 (−n)
V2 (−n)

U k (n )

r (t )

#

Vm (−n)

m


Bộ b
k ,i
quyết
định

#

VM (−n)

Hình 2.4: Máy thu MTC-CDMA kiểu M-ary
Để cải thiện chất lượng của hệ thống MC-CDMA (Multicarier-CDMA) và hệ
thống MTC-CDMA (Multicode-CDMA) trong kênh truyền fading, ta có thể kết hợp
hai hệ thống trên thành hệ thống MTC-MC-CDMA (Multicode-Multicarier-CDMA).
Vì ta có 2 hệ thống MTC-CDMA theo kiểu song song và kiểu M-ary thì ta cũng có 2
hệ thống MTC-MC-CDMA kiểu song song và kiểu M-ary.
Đối với hệ thống MTC-MC-CDMA kiểu song song, mỗi dòng dữ liệu vào đi
qua bộ biến đổi nối tiếp song song có P ngõ ra song song. Symbol ở mỗi ngõ ra được
copy thành F nhánh (F là hằng số trải phổ của Multicarrier-CDMA). Symbol trên mỗi
nhánh sẽ được nhân với mã trải phổ tương ứng. Tín hiệu song song của tất cả các user
sẽ được cộng lại và được điều chế trên PF sóng mang con trực giao.
Đối với hệ thống MTC-MC-CDMA kiểu M-ary thì ký tự dữ liệu M-ary sẽ xác
định chuỗi mã trong tập mã VM(n) để truyền đi. Sau đó, nó được copy thành F nhánh,

mỗi nhánh được trải phổ và điều chế lên từng sóng mang con trực giao.
Sự khác nhau giữa hệ thống MTC-MC-CDMA kiểu song song và kiểu M-ary ở
khối biến đổi nối tiếp sang song song, tập mã VM(n), sau đó sẽ là khối copier, điều chế
đa sóng mang. Với sự khác nhau như thế, từ phần này trở đi sẽ chỉ tập trung phân tích

6


cho hệ thống MTC-MC-CDMA kiểu M-ary như là một đại điện cho hệ thống MTCMC-CDMA.
Ký tự dữ liệu M-ary
bk,i

Khối chọn lọc m

Ck ,1 cos(ω1t + θ1 )

(1 ≤ m ≤ M)

V1 (n) :1 -1 1...1
V2 ( n) :1 1 -1...1

Ck ,2 cos(ω2t + θ 2 )

1
2

#

Vm ( n) :1 1 1...-1

Copier

Ck , L cos(ωL t + θ L )

m

#

VM (n) : -1
1...1

1



∑

s(t )

M

Length = N

Tập chuỗi mã

Hình 2.5: Sơ đồ khối máy phát MTC-MC-CDMA.
Matched
Filter

cos(ω1t + θ1 ) Ck ,1

cos(ω2t + θ 2 ) Ck ,2
r (t )

∫

Tc

∫

Tc

∫

Tc

0

0

V1 (−n)
V2 (− n)

dt

dt

∑

λk ,n

cos(ωL t + θ L ) Ck , L
0

dt

Tạo lại
chuỗi x (t ) #
k
m
mã
Vm (− n)
chiều
#
dài N
VM (−n)


Bộ
bk ,i
quyết
định

Hình 2.6: Sơ đồ khối máy thu MTC-MC-CDMA
2.3 Cải thiện mã CI bằng giải thuật thích nghi
Có hai dạng tín hiệu CI thích nghi, được gọi là thích nghi địa phương và thích
nghi tồn cục. Trong thích nghi địa phương, thì những user riêng biệt sẽ điều chỉnh
biên độ tín hiệu CI của mình mà khơng cần quan tâm tới những user cịn lại. Tức là
user chỉ cần quan tâm đến tình trạng hiện thời của user mà thôi. Ngược lại trong thích
nghi tồn cục, thì các user khơng những phải điều chỉnh biên độ tín hiệu trải phổ CI
một cách đồng thời mà cịn phải quan tâm đến tình trạng của tồn bộ hệ thống. Trong

cả hai trường hợp, thì ta giả sử đã biết đặc tính của kênh truyền ở tại bộ thu. Điểm
khác biệt là đối với thích nghi địa phương thì ta chỉ cần biết thơng tin kênh truyền của
user đang xét. Trong khi đó thì ở thích nghi tồn cục ta phải biết khơng những đặc tính
kênh truyền của các user còn lại mà còn phải biết đặc tính bộ lọc máy thu. Ở đây, ta có
thể sử dụng các phương pháp tách sóng đa user.
Xét bộ thu MMSE với vector trọng số là:

wk = R −1 H k Pk ck

7

(2.1)


Với R là ma trận tương quan của bộ thu, Pk là ma trận đường chéo NxN với
phần tử trên đường chéo chính thứ m là e

jmΔθ k

T

, ck = ⎡⎣ck(0) ,..., ck( m ) ,..., ck( N −1) ⎤⎦ là
vector biên độ sóng mang cho user thứ k, Hk là ma trận đường chéo NxN với
(m)
phần tử trên đường chéo chính thứ m là hk
-

Thích nghi địa phương

Mục tiêu là ta phải giải phương trình tối ưu sau:

min MSE j = E {|| b j (n) − w Hj r ||2 }
cj

(2.2 )

với || c j ||2 ≤ κ j
+ Phương pháp forward-backward
Vector biên độ sóng mang:

c j = ν H Hj PjH w j
ν=

Với:

κj
w Hj H Hj H j w j

(2.3)
(2.4)

+ Phương pháp nối

max
cj

SINR j = c Hj PjH H Hj R −j 1 H j Pj c j

(2.5)

với || c j ||2 ≤ κ j

Sử dụng phương pháp nhân tử Lagrange, nghiệm của phương trình tối ưu ở phía
trên phải thỏa điều kiện sau:

{P

H
j

H Hj R −j 1H j Pj } c j = μ j c j

(2.6)

Khi đó μ j là nhân tử Lagrange, ta có thể chứng minh được rằng cj là eigenvector
của ma trận ⎡⎣c Hj PjH H Hj R −j 1 H j Pj c j ⎤⎦ thì giá trị SINRj đạt cực đại.
Lưu ý rằng, nếu khơng có hiện tượng đa đường và Hj=I thì khi đó cj được chọn
một cách đơn giản chính là eigenvector tương ứng với giá trị eigenvalue lớn nhất của
ma trận R −j 1 .
-

Thích nghi tồn cục

Phương trình tối ưu cho bởi cơng thức:
K

min TMSE = ∑ MSE j = E {|| b(n) − W H r ||2 }
cj

j =1

với || c j ||2 ≤ κ j ,

8

j=1,2,..,K

(2.7)


+ Phương pháp forward-backward
Vector biên độ sóng mang cập nhật:

c j = ( PjH H Hj WW H H j Pj + μ j I ) H Hj PjH w j
−1

(2.8)

+ Phương pháp nối
Công thức tối ưu được cho như sau:

max
cj

K

TSINR j = ∑ SINR j
j =1

K

= ∑ c Hj PjH H Hj R −j 1H j Pj c j

(2.9)

k =1

2.4 Hệ thống Rate Adaptive MTC-CDMA
Các hệ thống CDMA hiện tại điều khiển công suất phát theo từng frame để
khắc phục hiệu ứng gần xa. Ở đây, ta giả sử rằng tất cả các user đều phát tín hiệu với
cùng một cơng suất, nhằm mục đích đơn giản hóa trong việc khảo sát. Ta không tiến
hành điều khiển công suất mà thay vào đó sẽ thực hiện điều khiển tốc độ dữ liệu phát
để cải thiện hiệu suất phổ và dung lượng hệ thống.
Giả sử rằng máy thu có thể ước lượng kênh truyền một cách hồn hảo, và có thể
hồi tiếp thơng tin này về phía máy phát mà không bị lỗi. Sau khi nhận được các thông
tin về kênh truyền, máy phát sẽ tính lại tốc độ truyền dữ liệu M đối với frame kế dựa
vào giá trị tỷ số SINR (Signal-to-interference and noise ratio) tức thời, yêu cầu về tỷ lệ
lỗi bit và tốc độ dữ liệu tối đa cho phép trong hệ thống.
Ta cũng giả sử rằng hệ thống truyền có sự đồng bộ, nghĩa là mọi user phát dữ
liệu của họ tại cùng một thời điểm. Tín hiệu thu của user thứ i sẽ là tổng của tín hiệu
mong muốn, tín hiệu giao thoa từ các user khác và tín hiệu nhiễu nhiệt, như trong
phương trình:
ri (t ) =

K

∑ rij (t ) + n(t ),

i = 1, 2,..., K

j =1

=

K

∑ gij I + n(t )

(2.10)

j =1

Trong đó:

- K là tổng số user.
- rij (t ) là tín hiệu thu thứ i xuất phát từ tín hiệu phát của user
thứ j.
- gij là độ lợi kênh truyền tương ứng.

Do tính trực giao của các chuỗi mã, tỷ số SINR có thể tính theo phương trình
2.11:
9


γˆi =

K

ri2

∑ r j2 + n2
j =1
j ≠i

=

K

∑

j =1
j ≠i

Trong đó:

gi2
g 2j

(2.11)

+ N 0 / Eb

- ri2 là cơng suất tín hiệu thu của user thứ i,
- r j2 là cơng suất tín hiệu giao thoa phát bởi user thứ j,
- n 2 là cơng suất tín hiệu nhiễu AWGN.
- Độ lợi kênh truyền g j là trung bình của các độ lợi đa đường ở

thời điểm đang xét.
Chất lượng hệ thống đang khảo sát xấp xỉ bằng hệ thống MFSK (M-ary
Frequency Shift Keying) bởi vì các tập mã của ta là trực giao lẫn nhau. Xác suất lỗi bit
trong hệ thống M-FSK trong điều kiện kênh truyền có nhiễu AWGN được xác định
bởi phương trình:
Pb =

M
M ⎛ Eb
log 2 M
Ps =
Q⎜
2( M − 1)
2 ⎜⎝ N 0

⎞
⎟⎟
⎠

(2.12)

Trong đó:
- Ps là tỷ lệ lỗi ký hiệu. Ta cũng có thể xấp xỉ phương trình (2.13)
qua mơ phỏng thành:
Pb ≈ 0,1.e−γ log 2 M / 2

Trong đó:

(2.14)

-γ là tỷ số tín hiệu so với nhiễu (SNR).

Từ đó, ta xây dựng giải thuật tốc độ thích nghi như sau:
M i, next = 2− K / γ i .α
ˆ

Trong đó:

- K = 2 ln

(2.15)

Pb
<0,
0,1

- α là hệ số điều chỉnh được xác định thơng qua q trình mơ
phỏng, giá trị thích hợp của α là 4 đối với hệ thống MTC-CDMA và là 3 đối với hệ
thống MTC-MC-CDMA.
3. Các phương pháp tách sóng mới trong hệ thống MTC-CDMA
Vector tín hiệu thu:

10


rn = [Rn ,1 Rn ,2 ... Rn ,L ]T
⎡ K
⎤
⎢ ∑ hk ,n ,1vbk ,n ck ,1 ⎥
⎢ k =1
⎥
⎡ nn ,1 ⎤
⎢ K
⎥
⎢n ⎥
hk ,n ,2 vbk ,n ck ,2 ⎥

n ,2 ⎥
∑
⎢
= k =1
+ ⎢
⎢
⎥
⎢ # ⎥
#
⎢
⎥
⎢
⎥
⎢K
⎥
⎣ nn,L ⎦
⎢ h v c ⎥
k ,n ,L bk ,n k ,L
⎢⎣ ∑
⎥⎦
k =1
rn = hCI vn + nn

Trong đó:

(3.1)

- K là số người dùng tích cực,

- hk ,n ,l là hệ số kênh truyền cho người dùng k trên sóng mang phụ

l ứng với khoảng thời gian thu bit thứ n .
- L giá trị phức của vector rn sẽ được đưa vào khối dị tìm đơn/đa
user để xác định giá trị mềm vbk ,n cho bit vbk ,n của người dùng k .
- I = [ I ...I ]T , I kí hiệu cho ma trận đơn vị (KxK)
0 ⎤
"
0 0 0
⎡h1,n ,1 " hK ,n ,1 0 "
⎢
0 ⎥⎥
"
0 "
0 h1,n , 2 " hK ,n ,1 0 0
⎢
-h =
(LxKL)
⎢ #
# ⎥
#
% #
⎢
⎥
" 0 " " 0 h1,n , L " hK ,n , L ⎦
⎣ 0

- C = diag (c1,1 " cK ,1 "" c1L " cK , L ) là ma trận mã KLxKL
Ngõ ra bộ cân bằng là một vector có chiều dài L :
u k ,n = Gk ,n rn

(3.2)

Trong đó:
- Gk là ma trận đường chéo kích thước L × L chứa các hệ số cân
bằng kênh truyền. Gk có dạng:

Gk = diag( gk ,n ,1 , gk ,n ,2 ,..., gk ,n,L )
3.1 Các phương pháp tách sóng đơn user
a) Bộ cân bằng EGC:
gk ,n,l

hk*,n ,l
=
hk ,n ,l

(3.3)

b) Bộ cân bằng MRC:
gk ,n,l = hk*,n ,l

11

(3.4)


c) Bộ cân bằng ORC(ZF):
gk ,n ,l =

hk*,n ,l
hk ,n ,l

(3.5)

2

d) Bộ cân bằng MMSE:
hk*,n ,l

gk ,n ,l =

(3.6)

2

hk ,n ,l + σ 2

3.2 Các phương pháp tách sóng đa user
Vector rn ở phương trình (3.1) có thể được viết lại dưới dạng thu gọn như sau:
rn = An vb ,n + nn

(3.7)

Trong đó:
An = [a1,n , a2,n , ..., a K ,n ]
ak ,n = ⎡⎣ hk ,n ,1ck ,1 , hk ,n ,2ck ,2 , ... , hk ,n ,L ck ,L ⎤⎦
v b,n = ⎡⎣ vb1 ,n , vb2 ,n , ... , vbK ,n ⎤⎦

T

T

n n = [nn ,1 , nn ,2 , ... , nn ,L ]T

a) Kỹ thuật Maximum-Likelihood(ML):
Với hệ số kênh truyền cho trước, biến quyết định của symbol được truyền v của
các user hiệu dụng là:
⎧⎪ L
⎫⎪
vˆ = arg max {Pr(r | v)} = arg max ⎨∏ Pr(rj | v) ⎬
v
v
⎪⎩ j =1
⎪⎭
K
⎧⎪ L
⎧L
⎫
= arg max ⎨∑ log(Pr(rj | v)) ⎬ = arg min ⎨∑ rj − ∑ hk , j vbk ck , j
v
v
k =1
⎩ j =1
⎭
⎩⎪ j =1

2

⎫⎪
⎬
⎭⎪

(3.8)

Ký hiệu theo ma trận sẽ là:

{
= arg max {Re {v

vˆ = arg min ( r − hCIv )
v

H

v

H

( r − hCIv )}

}

2
I C h r − 1 hCIv
2
H

H

H

}

(3.9)

b) Kỹ thuật dị tìm giải tương quan(Decorrelation):
vb ,n = ⎡⎣ vb1 ,n , vb2 ,n , ... , vbK ,n ⎤⎦ = ( AnH An ) AnHrn

(3.10)

v~b ,n = vb ,n + ( A H A) −1 A H nn = vb ,n + n~n

(3.11)

T

12

−1


Trong đó, n~n = M + nn .
Với user tích cực thứ k,
vˆbk ,n = sign(Re{v~b ,n }) = sign(vbk ,n + 1kH n~n )

(3.12)

c) Kỹ thuật dị tìm cực tiểu trung bình bình phương sai số (MMSE):
vb ,n = ⎡⎣ vb1 ,n , vb2 ,n , ... , vbK ,n ⎤⎦ = ( AnH An + σ 2 I K ) AnHrn
T

−1

(3.13)

3.3 Các phương pháp tách sóng đa user mới:
Kỹ thuật MIMO (Multiple Input, Multiple Output) là một kỹ thuật antenna mà
nhiều antennas được sử dụng ở cả phía phát và phía thu. Các antennas ở mỗi đầu kênh
thơng tin sẽ được kết hợp lại nhằm tối thiểu lỗi tối ưu tốc độ dữ liệu. MIMO là một
trong nhiều dạng của kỹ thuật antenna thông minh. Bên cạnh MIMO cịn có MISO
(Multiple Input, Single Output) và SIMO (Single Input, Multiple Output). Trong phần
này, sẽ sử dụng kỹ thuật SIMO với 2 antennas thu.
Xét hệ thống MTC-MC-CDMA có K user tích cực, N carriers, sử dụng 2
antennas thu. Lúc này tín hiệu thu tại khoảng thời gian mth của từng antenna sẽ là:

[

y1 (m) = y11 (m),..., y1N (m)

]

T

và y2 (m) = [y12 (m),..., y N2 (m)]

T

(3.14)

Dựa vào 2 vector y1 và y2, ta định nghĩa vector y (m) = [y1T (m), y 2T (m)] . Tương
T

tự, ta định nghĩa vector nhiễu n(m) = [n1T (m), n2T (m)] .
T

Tín hiệu sau phép biến đổi FFT:
K

K

k =1

k =1

y (m) = ∑ rk (m) + n(m) = ∑ H k ak (m) + n(m)

Trong đó,

(3.15)

ak (m) là ký tự điều chế mth, và

⎡Ck g 1k ⎤
i
Hk = ⎢
⎥ , g k là đáp ứng kênh truyền của antenna thứ i cho user thứ k,
2
⎢⎣Ck g k ⎥⎦
Ck là mã trải phổ của user thứ k.

Tín hiệu trong miền tần số y(m) có thể được viết lại như sau:
y(m) = Ha(m) + n(m)

Trong đó:

(3.16)

H = [ H1 ,..., H k ,..., H K ]

a(m) = [ a1 ,..., ak ,..., aK ]

T

Không mất tính tổng quát, chỉ số m sẽ được lược bỏ:
y = Ha + n

(3.17)

Ma trận tự tương quan của y sẽ là:
R = E ⎡⎣ yyT ⎤⎦ = HH T + σ 2 I 2 N
13

(3.18)


Ma trận vng R có thể được phân tích thành các thành phần SVD (Singular
Value Decomposition)
R = U ΛU T
= U s Λ sU sT + U n Λ nU nT

(3.19)

T

⎡ Λ s 0 ⎤ ⎡U s ⎤
= [U s U n ] ⎢
⎥⎢ T⎥
⎣0 Λ n ⎦ ⎢⎣U n ⎥⎦

Trong đó:

- U s là ma trận con trong khơng gian con tín hiệu
- U n là ma trận con trong không gian con nhiễu

U s và U n trực giao với nhau. Λ s là ma trận chứa K trị đặc trưng lớn nhất.

Ngõ ra sau bộ tách sóng sẽ là:

a = sgn ⎡⎣ℜ(W T y ) ⎤⎦

Trong đó: W là ma trận trọng số cho các user khác nhau ở các sóng mang khác
nhau.
Với các ma trận trọng số khác nhau, ta có các phương pháp tách sóng đa user
Space-Frequency khác nhau: Non-blind MMSE, Semi-blind MMSE, Semi-blind
Decorrelation.
a) Non-Blind Optimal Space-Frequency MMSE:
Ma trận trọng số W được định nghĩa:
W = ( HH T + σ 2 I 2 N ) H
−1

(3.20)

Biến quyết định sau bộ tách sóng MMSE:


a = sgn ⎡⎣ℜ(W T y ) ⎤⎦

(3.21)

b) Semi-Blind Subspace-Based Space-Frequency MMSE:
Ma trận trọng số W sẽ là:
W = U s Λ −s 1U sT H

(3.22)

Biến quyết định sau bộ tách sóng MMSE:

a = sgn ⎡⎣ℜ(W T y ) ⎤⎦

c)

(3.23)

Semiblind Subspace-Based Space-Frequency Decorrelation:

Ma trận trọng số W sẽ là:
WA = U s ( Λ s − σ 2 I ) U sT

(3.24)

1
WA H
H WA H

(3.25)

−1

W=

T

14


Biến quyết định sau bộ tách sóng giải tương quan:

a = sgn ⎡⎣ℜ(W T y ) ⎤⎦

(3.26)

3.4 Ước lượng kênh truyền mờ
Với kênh truyền fading chọn lọc tần số, đáp ứng xung của kênh truyền là hữu
(3.27)
hạn hk = [hkμ (0),..., hkμ ( L − 1), 01x ( N −l ) ]T
μ

Trong đó:

- μ = 1, 2 số antennas thu khác nhau
- k = 1,...,K

- L là bậc kênh truyền lớn nhất, ta thêm (N-L) giá trị 0 để có chiều
dài N, bằng số lượng sóng mang.
Gọi g kμ là vector fading ứng với kênh truyền fading ở các sóng mang khác của

user thứ k tại antenna μ . g kμ = F N hkμ = [ H kμ (0),..., H kμ ( N − 1)]T , với F N là ma trận biến
đổi Fourier rời rạc với phần tử thứ (q,p) được cho bởi (1/ N ) exp(− j 2π ( pq / N )) , (p,q
= 0,...,N-1).
Ta viết lại y (m) ∈ ^ 2 N ở phương trình 3.16 tạo ma trận dữ liệu y (m) ∈ ^ 2 NxM như
sau:
y = [ y (m),..., y (m + M − 1)]
= H [a(m),..., a(m + M − 1)] + [n(m),..., n( m + M − 1)]
= HA + Ξ

(3.28)

Một kỹ thuật ước lượng kênh truyền mờ dựa trên phân tích giá trị đơn (SVD)
được mở rộng cho hệ thống MTC-MC-CDMA. Do kênh truyền giữa cặp antenna phát
– thu khác nhau được giả sử là độc lập, nên ta có thể lấy kênh truyền từ máy phát đến
antenna thu thứ nhất như một ví dụ.
Khơng mất tính tổng qt, giả sử chúng ta ước lượng kênh truyền cho user thứ k
trong hệ thống N sóng mang. Ký hiệu tín hiệu thu của antenna thứ nhất là
Y = Y1 ∈ ^ NxM được dùng để ước lượng kênh truyền fading cho tất cả N sóng mang.
Từ 3.28 ta sẽ có được:
 + Ξ
Y = HA

(3.29)

Bởi vì tính trực giao giữa khơng gian con tín hiệu và khơng gian con bù trực
giao:

(

)

U nH H = 0 ⇒ U nH C k g 1k = 0

Suy ra, U nH ( C k F N hk1 ) = 0

k = 1, 2...K ,

(3.30)
(3.32)

U n có được bằng cách phân tích giá trị đơn của Y và vector trong U n kéo ra
không gian con bù trực giao. Ma trận C là chuỗi trải phổ tương ứng của user thứ k trên
k

N sóng mang. Điều này cho thấy hệ số fading có thể xác định được từ không gian con
15


bù trực giao của ma trận dữ liệu Y . Ước lượng hk1 có thể tìm được bằng cách giải bài
toán minimum sau:
hˆk1 = arg min
(hk1 ) H ⎡⎣ F NH C kH U nU nH C k F N ⎤⎦ hk1
1 2


hk =1
Qk1

(3.32)

h Qh
= arg min
2
hk1 =1

1H
k

1 1
k k

Việc ước lượng hk1 đến hˆk1 vô hướng được cho bởi trị đặc trưng riêng ứng với
2
giá trị đặc trưng nhỏ nhất của Qk1 với điều kiện hk1 = 1 . Sau khi có được hˆkμ , ta dễ

dàng kênh truyền fading trong miền tần số gˆ kμ .

16


4. Mô phỏng
4.1 So sánh các bộ mã trong hệ thống MTC-CDMA:
BER theo SNR cua cac he thong MTC-CDMA

0

10

Hadamard
Gold

Kasami
-1

10

-2

BER

10

-3

10

-4

10

-5

10

0

5

10

15

SNR(dB)

Hình 4.1: Khảo sát BER theo SNR của hệ thống MTC- CDMA (FADING)
với các loại mã khác nhau.
Thông số
Hệ thống
Kênh truyền
Số user
Số sóng mang phụ
Kích thước tập chuỗi mã Multicode(M)
Phương pháp tách sóng
Loại mã sử dụng

Giá trị
MTC-CDMA
FADING
10
32
16
MRC
Walsh-Hadamard
Gold
Kasami

Bảng 4.1: Thơng số mơ phỏng hình 4.1
Hình 4.1 là kết quả mơ phỏng BER của hệ thống MTC-CDMA trong môi
trường nhiễu Gauss theo SNR với các loại mã khác nhau: mã Walsh – Hadamard,
Gold, Kasami. Từ kết quả mô phỏng ta thấy trong môi trường chỉ có nhiễu Gauss
(AWGN) thì bộ mã Walsh – Hadamard cho kết quả tốt hơn các bộ mã khác. Vì hệ

thống MTC-CDMA cũng là một trong các hệ thống CDMA, mà chất lượng hệ thống
CDMA phụ thuộc vào tính tương quan của bộ mã. Mã Walsh – Hadamard có tính trực
giao tốt nên chất lượng hệ thống MTC-CDMA dùng bộ mã Walsh – Hadamard sẽ tốt
hơn.

17


10

BER theo SNR cua cac he thong MTC-MC-CDMA

0

Hadamard
Gold
Kasami
10

-2

BER

10

-1

10

-3

10

-4

10

-5

0

5

10

15

SNR(dB)

Hình 4.2: Khảo sát BER theo SNR của hệ thống MTC-MC-CDMA (FADING)
với các loại mã khác nhau.
Thơng số
Hệ thống
Kênh truyền
Số user
Số sóng mang phụ
Kích thước tập chuỗi mã Multicode(M)
Phương pháp tách sóng
Loại mã sử dụng

Giá trị
MTC-MC-CDMA
FADING
10
32
16
MRC
Walsh-Hadamard
Gold
Kasami

Bảng 4.2: Thơng số mơ phỏng hình 4.2
Hình 4.2 là kết quả mô phỏng BER của hệ thống MTC-MC-CDMA trong môi
trường fading theo SNR với các bộ mã khác nhau. Cũng tương tự kết quả mô phỏng
của hệ thống MTC-MC-CDMA trong môi trường nhiễu Gauss, bộ mã Walsh –
Hadamard vẫn cho BER tốt nhất.

18


BER theo user cua he thong MTC-CDMA(FADING) voi K=10, M=16
Hadamard
Gold
Kasami

-0.8

BER

10

-0.9

10

5

10

15

20

user

Hình 4.3: Khảo sát BER theo user của hệ thống MTC-CDMA (FADING)
với các loại mã khác nhau
Thông số
Hệ thống
Kênh truyền
Số user
Số sóng mang phụ
Kích thước tập chuỗi mã Multicode(M)
Phương pháp tách sóng
Loại mã sử dụng

Giá trị
MTC-MC-CDMA
FADING
5-10

32
16
MRC
Walsh-Hadamard
Gold
Kasami

Bảng 4.3: Thơng số mơ phỏng hình 4.3
Hình 4.3 là kết quả mơ phỏng BER theo user ứng với các bộ mã khác nhau. Khi
lượng user tăng thì BER của hệ thống cũng tăng, nhưng mã Hadamard vẫn cho BER
thấp hơn so với mã Gold, mã Kasami.
Tiếp theo, ta xem xét kích thước chuỗi mã M ảnh hưởng đến BER của hệ thống.
Hình 4.4 là kết quả mô phỏng BER của hệ thống MTC-CDMA với các giá trị chiều dài
mã khác nhau. Khi thay đổi M, chính là thay đổi số bit trong một ký hiệu dữ liệu phát,

19


chính là thay đổi tốc độ dữ liệu của hệ thống. Khi kích thước chuỗi mã càng lớn thì
BER của hệ thống càng tăng.
BER theo SNR cua he thong MTC-CDMA

0

10

M=32
M=16
M=8
M=4

M=2

-1

10

-2

BER

10

-3

10

-4

10

-5

10

-6

10

0

5

10

15

SNR(dB)

Hình 4.4 : Khảo sát BER theo SNR của hệ thống MTC-CDMA (FADING)
với chiều dài mã khác nhau.
Thông số
Hệ thống
Kênh truyền
Số user
Số sóng mang phụ
Phương pháp tách sóng
Kích thước tập chuỗi mã Multicode(M)
Loại mã sử dụng

Giá trị
MTC- CDMA
FADING
10
32
MRC
2, 4, 8, 16, 32
Walsh-Hadamard

Bảng 4.4: Thơng số mơ phỏng hình 4.4
BER của hệ thống tăng khi kích thước chuỗi mã tăng.

20


10

10

M=32
M=16
M=8
M=4
M=2

-1

-2

BER

10

BER theo SNR cua cac he thong MTC-MC-CDMA

0

10

10

10

-3

-4

-5

0

5

10

15

SNR(dB)

Hình 4.5: Khảo sát BER theo SNR của hệ thống MTC-MC-CDMA (FADING)
với chiều dài mã khác nhau.
Thơng số
Hệ thống
Kênh truyền
Số user
Số sóng mang phụ
Kích thước tập chuỗi mã Multicode(M)
Loại mã sử dụng

Giá trị
MTC-MC-CDMA

FADING
10
32
2, 4, 8, 16, 32
Walsh-Hadamard

Bảng 4.5: Thơng số mơ phỏng hình 4.5
BER của hệ thống MTC-MC-CDMA cũng bị ảnh hưởng bởi kích thước tập mã
Multicode. Do đó, nên chọn giá trị M thích hợp để vừa đáp ứng được yêu cầu về tốc độ,
vừa đạt chất lượng BER trong giới hạn cho phép.

21


BER theo SNR cua he thong MTC-CDMA

0

10

user=16
user=8
user=4
user=2
user=1

-1

10

-2

BER

10

-3

10

-4

10

-5

10

0

5

10

15

SNR(dB)

Hình 4.6: Khảo sát BER theo SNR của hệ thống MTC-MC-CDMA (FADING) với số
lượng user khác nhau

Thơng số
Hệ thống
Kênh truyền
Loại mã sử dụng
Số user
Kích thước tập chuỗi mã Multicode(M)
Phương pháp tách sóng SUD

Giá trị
MTC-MC-CDMA
FADING
Walsh-Hadamard
10
16
MRC

Bảng 4.6: Thơng số mơ phỏng hình 4.6
Kết quả mơ phỏng BER với số lượng user khác nhau được cho trên hình 4.6.
Khi số lượng user càng lớn thì BER của hệ thống càng tăng theo do nhiễu MAI tăng.

22


10

10

BER

10

10

10

10

10

BER theo SNR cua he thong MTC-MC-CDMA

0

user=16
user=8
user=4
user=2
user=1

-1

-2

-3

-4

-5

-6

0

5

10

15

SNR(dB)

Hình 4.7: Khảo sát BER theo SNR của hệ thống MTC-MC-CDMA (FADING) với số
lượng user khác nhau
Thơng số
Hệ thống
Kênh truyền
Loại mã sử dụng
Số user
Kích thước tập chuỗi mã Multicode(M)
Phương pháp tách sóng SUD

Giá trị
MTC-MC-CDMA
FADING
Walsh-Hadamard
10
16
MRC

Bảng 4.7: Thơng số mơ phỏng hình 4.7

Cũng tương tự hệ thống MTC-CDMA, BER của hệ thống MTC-MC-CDMA
cũng bị ảnh hưởng bởi số lượng user tích cực trong hệ thống. Để giảm bớt sự can
nhiễu đa truy nhập, ta nên sử dụng các phương pháp triệt nhiễu đa truy cập dùng giải
thuật PIC, SIC (không được mô phỏng trong chương này).

23


4.2 So sánh các phương pháp tách sóng:
Trong phần này, chúng ta xem xét ảnh hưởng của của các phương pháp tách
sóng lên chất lượng hệ thống MTC-CDMA và MTC-MC-CDMA
BER theo SNR cua he thong MTC-CDMA(FADING) theo SUD

0

10

EGC
MMSE
MRC
ZF-ORC

-1

10

-2

BER

10

-3

10

-4

10

-5

10

-6

10

0

5

10

15

SNR(dB)

Hình 4.8: Khảo sát BER theo SNR của hệ thống MTC-CDMA (FADING) với các
phương pháp tách sóng đơn user khác nhau

Thơng số
Hệ thống
Kênh truyền
Loại mã sử dụng
Số user
Kích thước tập chuỗi mã Multicode(M)
Phương pháp tách sóng SUD

Giá trị
MTC-CDMA
FADING
Walsh-Hadamard
10
16
EGC
MMSE
MRC
ORC(ZF)

Bảng 4.8: Thơng số mơ phỏng hình 4.8
Kết quả mơ phỏng BER của hệ thống MTC-CDMA theo các phương pháp tách
sóng đơn user được cho trên hình 4.8. Phương pháp tách sóng đơn user EGC cho kết
quả BER xấu nhất bởi vì nó làm tăng nhiễu MAI.

24