nghiên cứu, thiết kế kỹ thuật phân tập không gian - thời gian cho đường xuống của tín hiệu WCDMA

CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG WCDMA

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

- Nhiễu giao thoa do các kênh lân cận là đáng kể.
- BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS.
Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động AMPS (Advanced Mobile
Phone System). Hệ thống di động này sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản.
1
Tuy nhiên, hệ thống không thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả
dung lượng và tốc độ. Vì thế, hệ thống di động thứ 2 ra đời được cải thiện về cả dung
lượng và tốc độ.
1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2
Với sự phát triển nhanh chóng của thuê bao, hệ thống thông tin di động thế hệ 2
được đưa ra để đáp ứng kịp thời số lượng lớn các thuê bao di động dựa trên công
nghệ số.
Tất cả hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sử dụng phương pháp điều chế số và sử
dụng 2 phương pháp đa truy cập :
- Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA.
- Đa truy cập phân chia theo mã CDMA.
Đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:
Phổ quy định cho liên lạc di động được chia thành các dải tần liên lạc, mỗi dải tần
liên lạc này được dùng cho N kênh liên lạc, mỗi kênh liên lạc là một khe thời gian
trong chu kì một khung. Các thuê bao khác nhau dùng chung kênh nhờ cài xen khe
thời gian, mỗi thuê bao được cấp phát cho một khe thời gian trong cấu trúc khung.
Đặc điểm:
- Tín hiệu của thuê bao được truyền dẫn số .
- Liên lạc song công mỗi hướng thuộc các dải tần liên lạc khác nhau, trong đó
một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ trạm gốc đến các máy di
động và một băng tần được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy di động đến
trạm gốc. Việc phân chia tần số như vậy cho phép các máy thu và máy phát
có thể hoạt động cùng một lúc mà không có sự can nhiễu lẩn nhau.
- Giảm số máy thu ở BTS.
- Giảm nhiểu giao thoa.

Hệ thống TDMA điển hình là hệ thống di động toàn cầu GSM. Máy di động kỹ thuật
số TDMA phức tạp hơn FDMA. Hệ thống xử lý số đối với tín hiệu trong MS tương
tự có khả năng xử lý không quá 10
6
lệnh trong 1 giây, còn trong MS số TDMA phải
có khả năng xử lý 50.10
6
lệnh trong 1 giây.
Đa truy cập phân chia theo mã CDMA:
Trong thông tin di động CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử
dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến đồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không sợ
gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên được phân biệt với nhau nhờ mã
trải phổ giả ngẫu nhiên PN, được cấp phát khác nhau cho mỗi người sử dụng.
Đặc điểm
- Dải tần tín hiệu rộng .
2
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường rất
nhỏ và chống fading hiệu quả hơn TDMA và FDMA.
- Việc các thuê bao trong cùng cell dùng chung tần số khiến cho thiết bị truyền
dẫn đơn giản và việc thay đổi , chuyển giao, điều khiển dung lượng cell thực
hiện rất linh hoạt .
1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3:
Để đáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và đa dạng của người sử
dụng, từ đầu thập niên 90 người ta đưa ra hệ thống thông tin di động tổ ong thế hệ
thứ 3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 đưa ra các muc tiêu
chính sau:
- Tốc độ truy nhập cao để đảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập
Internet nhanh hoặc các dịch vụ đa phương tiện.
- Linh hoạt để đảm bảo các dịch vụ mới như đánh số cá nhân và điện thoại

vệ tinh. Các tính năng này sẽ cho phép mở rộng đáng kể tầm phủ sóng của
các hệ thống thông tin di động.
- Tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo sự phát
triển liên tục của thông tin di động.
3G hứa hẹn tốc độ truyền dẫn lên tới 2.05 Mbps cho người dùng tĩnh , 384 Kbps cho
người dùng di chuyển chậm và 128 Kbps cho người dùng trên moto. Công nghệ 3G
dùng sóng mang 5MHz chứ không phải là sóng mang 200KHz như của CDMA nên
3G nhanh hơn rất nhiều so với công nghệ 2G và 2,5G. Nhiều tiêu chuẩn cho hệ thống
thông tin di động thế hệ 3 ITM-2000 đã được đề xuất, trong đó 2 hệ thống WCDMA
và cdma-2000 đã được ITU chấp thuận và đang được áp dụng trong những năm gần
đây. Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA, điều này cho phép thực hiện
tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện thông tin vô tuyến.
1.4 Lộ trình phát triển từ hệ thống thông tin di động thế hệ 2 (GSM) lên
WCDMA
Để đảm bảo ứng dụng được các dịch vụ mới về truyền thông máy tính và hình
ảnh đồng thời đảm bảo tính kinh tế , hệ thống thông tin di động thế hệ 2 sẽ được
chuyển đổi sang thế hệ 3. Quá trình đó được tổng quát trên hình 1.1.
3
Hình 1.1. Các giải pháp nâng cấp hệ thống 2G lên
Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA như sau:
Ký hiệu:
 GSM: Global System for Mobile Communication: Hệ thống thông tin di
động toàn cầu.
 HSCSD: Hight Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch kênh
tốc độ cao.
 GPRS: General Packet Radio Services: Dịch vụ gói vô tuyến chung.
 WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân
chia theo mã băng rộng.
1.5 Tổng quan về mạng WCDMA
WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân chia theo

mã băng rộng) là một trong những hệ thống thông tin di động thế hệ 3, sử dụng công
nghệ CDMA. Công nghệ CDMA ( Code Division Multiple Access: Đa truy cập phân
chia theo mã), là một công nghệ không dây, số sử dụng kỹ thuật trải phổ để phân tần
tín hiệu vô tuyến trong một dãi tần số rộng. Trong công nghệ CDMA, nhiều người sử
dụng chung một thời gian và tần số. Mã PN (giả ngẫu nhiên) với sự tương quan chéo
thấp, được ấn định cho mỗi người sử dụng. Người sử dụng truyền tín hiệu nhờ trải
phổ tín hiệu truyền có sử dụng mã PN đã ấn định. Đầu thu tạo ra một dãy PN như đầu
phát và khôi phục lại tín hiệu dự định nhờ việc trải phổ ngược các tín hiệu đồng bộ
thu được. Cũng giống như TDMA, WCDMA là một trong nhiều công nghệ chủ đạo
để mạng thông tin di động hoạt động. Nó cũng được biết như là một giao diện vô
tuyến hay công nghệ đa truy xuất. WCDMA là một giao diện vô tuyến phức tạp và
tiên tiến trong lĩnh vực thông tin di động. WCDMA có 2 chế độ khác nhau là FDD và
TDD. Khả năng làm việc được ở cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu
quả phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau.
• FDD (Frequency Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đó
truyền dẫn đường lên và đường xuống sử dụng hai tần số riêng biệt. Ở FDD
đường lên và đường xuống sử dụng hai băng tần khác nhau. Hệ thống được
phân bố một cặp băng tần riêng biệt
• TDD (Time Division Duplex): là phương pháp ghép song công trong đó
đường lên và đường xuống được thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử
4
GSM
WCDMA
HSCSD
GPRS
Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA
dụng những khe thời gian luân phiên. Ở TDD các khe thời gian trong các kênh
vật lý được chia thành hai phần : phần phát và phần thu. Thông tin đường
xuống và đường lên được truyền dẫn luân phiên.
1900 1920 1980 2020 2025 2110 2170 (MHz)

TDD
RX/TX
FDD
Uplink
TDD
RX/TX
FDD
Downlink


Khả năng làm việc của cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ
tần được cấp phát ở các vùng khác nhau.
Ba thông số cơ bản của mạng WCDMA:
 Lớp truy nhập: được tạo ra bởi các trạm gốc (node B) và các bộ điều khiển
mạng vô tuyến khác nhau để phân tích và điều khiển lưu lượng vô tuyến.
 Mạng lõi có hai vai trò chính :
 Giải quyết việc định hướng hay định tuyến đến nơi mà cuộc gọi hoặc số liệu
gửi đến. Phương tiện cơ bản là sử dụng hệ thống chuyển mạch để định tuyến
thông tin qua một số máy chủ khác nhau xung quanh mạng.
 Là một mạng đường trục và giải quyết các chức năng kỹ thuật, khả năng truy
nhập thuận tiện tới mạng số liệu gói khác, cung cấp một giao diện với Internet
và phân loại thông tin tính cước và bảo mật.
 Lớp dịch vụ điều khiển các ưu tiên, các đặc tính và khả năng truy nhập cơ bản
của thuê bao tới các dịch vụ nâng cao đã làm cho 3G có một vị trí tuyệt vời.
1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA
 WCDMA là một phương pháp đa truy xuất vô tuyến phân chia theo mã trải
phổ trực tiếp dải rộng, nghĩa là các bit thông tin của các user được trải đều ra
5
f
5MHz

Đường
lên
Đường
xuống
Đường
lên
Đường
xuống
Khoảng Bảo vệ
5MHz
t
t
f
FDD
TDD
Hình 1.3 Phân bố tần số FDD và TDD
trên một dải thông rộng bằng việc nhân dữ liệu của user với các mã ngẫu
nhiên (gọi là chip) nhận được trải phổ trong WCDMA.
 Tốc độ chip 3.84Mcps được sử dụng cho ghép dải thông sóng mang xấp xỉ tới
5MHz. Dải thông sóng mang của WCDMA rộng như thế gắn liền với tốc độ
dữ liệu của uesr cao và còn có hiệu quả nâng cao khả năng phân tập tần số.
Các nhà quản lý mạng có thể tăng dung lượng nhờ dải thông của sóng mang là
5MHz. Khoảng cách các sóng mang có thể chọn trên những khoảng 200KHz
giữa khoảng 4.4 đến 5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang.
 WCDMA cung cấp tốc độ khả biến cho các user rất cao, hiểu theo cách khác
chính là dải thông theo yêu cầu cũng được cung cấp. Mỗi user được cung cấp
một khung giây có chu kỳ 10ms trong khi tốc độ dữ liệu vẫn giữ nguyên
không đổi. Tuy nhiên dung lượng dữ liệu có thể thay đổi từ khung này đến
khung khác.
 WCDMA cung cấp hai chế độ hoạt động cơ bản là FDD và TDD. Trong FDD

các khoảng tần số sóng mang 5MHz được sử dụng cho sóng mang hướng lên
và hướng xuống riêng rẽ, trong khi đó TDD chỉ có một khoảng 5MHz được
dùng cho cả hướng lên và hướng xuống.
 WCDMA cung cấp hoạt động bất đồng bộ cho các trạm gốc và do đó không
giống như hệ thống đồng bộ IS-95 CDMA, nó không cần thời gian chuẩn trên
toàn cầu GPS.
 WCDMA dùng tách sóng kết hợp cho hướng lên và hướng xuống nhờ các ký
hiệu hoa tiêu hay kênh hoa tiêu chung, dẫn tới tăng dung lượng và vùng phủ
sóng .
 WCDMA được thiết kế để phát triển nâng cấp cho chuẩn GSM vì vậy có thể
chuyển giao giữa mạng GSM và mạng WCDMA.
Phương thức đa truy xuất . DS-CDMA.
Phương pháp ghép song công. FDD/TDD.
Đồng bộ trạm gốc. Hoạt động bất đồng bộ.
Tốc độ chip. 3.84Mcps.
Độ dài khung . 10ms.
Ghép dịch vụ.
Đa dịch vụ với yêu cầu chất lượng dịch vụ
khác nhau được ghép trên một kết nối.
Đa tốc độ. Hệ số trải phổ khả biến và đa mã.
Tách sóng.
Tách sóng kết hợp nhờ sử dụng kênh hoa
tiêu.
1.5.2 Những đặc điểm then chốt của WCDMA
6
Giao diện vô tuyến trên cơ sở CDMA băng rộng tạo cơ hội thiết kế hệ thống có
những đặc tính đáp ứng nhu cầu của thế hệ thứ 3. Những đặc điểm chủ yếu trong hệ
thống WCDMA là :
 Cải thiện những hệ thống thế hệ thứ 2 bao gồm: cải thiện dung lượng, cải
thiện vùng phủ sóng, bao gồm cả khả năng di chuyển những dịch vụ thế hệ

thứ 2 sang thế hệ thứ 3.
 Tính linh hoạt cao của dịch vụ bao gồm: Có các dịch vụ tốc độ bit cực đại trên
2 Mb/s và các dịch vụ ghép song song trên một kết nối.
 Thực hiện truy nhập gói hiệu quả và tin cậy.
 Tính linh hoạt cao của vận hành bao gồm: Hỗ trợ hoạt động không đồng bộ
giữa các trạm gốc nên triển khai thuận lợi trong nhiều môi trường. Hỗ trợ một
cách có hiệu quả dạng hoạt động khác chẳng hạn cấu trúc ô có bậc. Sử dụng
kỷ thuật tiến bộ như phối hợp anten dàn và tách người dùng. Mô hình TDD
được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong môi trường không kết hợp.
 Cải thiện dung lượng: Độ rộng băng tần lớn của WCDMA làm tăng hiệu suất
vốn có trên các hệ thống tế bào trước đó do nó làm giảm fading của tín hiệu vô
tuyến. Ta biết rằng WCDMA sử dụng điều chế kết hợp ở đường lên, đây là
tính năng không thể thực hiện được ở trong các hệ thống CDMA tế bào. Điều
khiển công suất chắc chắn ở đường xuống sẽ có hiệu suất hoàn hảo, đặc biệt ở
môi trường trong nhà và môi trường ngoài trời có tốc độ thấp.
Nói chung, đối với dịch vụ thoại, sự cải thiện này là một bước tiến vì đây là một
trong hai yếu tố làm tăng dung lượng cell của WCDMA.
1.5.3 Ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống WCDMA
Trong kênh thông tin vô tuyến lý tưởng, tín hiệu thu được chỉ bao gồm một tín
hiệu đến trực tiếp. Song, trong thực tế điều đó là không thể xảy ra, tín hiệu sẽ bị thay
đổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu thu được sẽ là sự kết hợp các thành phần
khác nhau: tín hiệu suy giảm, khúc xạ, nhiễu xạ của các tín hiệu khác…WCDMA là
hệ thống di động vô tuyến nên sẽ bị ảnh hưởng bởi điều đó. Sau đây là mô hình của
hai loại nhiễu chính, đó là nhiễu fadinh nhiều tia và nhiễu giao thoa.
7
Hình 1.4 Các tín hiệu đa đường
Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa
Để làm giảm các ảnh hưởng của các loại nhiễu trên, trong WCDMA có nhiều kỹ
thuật xử lý đó là: mã hoá kênh, điều chế, trải phổ, phân tập…Trong đồ án này ta sẽ đi
nghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu.

1.5.4 Tính đa dạng phân tập trong WCDMA
Trong hệ thống điều chế băng hẹp như điều chế FM tương tự ,sử dụng trong hệ
thống thông tin di động tổ ong đầu tiên thì tính đa đường tạo nên fading nghiêm
trọng. Tính nghiêm trọng của đa đường fading được giảm đi trong điều chế CDMA
băng rộng ,vì các tín hiệu qua các đường khác nhau được thu nhận một cách độc
lập .Nhưng hiện tượng đa đường xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do
fading đa đường không thể loại trừ hoàn toàn được vì với các hiện tượng fading xảy
ra một cách liên tục đó thì bộ điều chế không thể xử lí tín hiệu thu một cách độc lập
được. Phân tập là một hình thức tốt để làm giảm fading,có 3 loại phân tập là theo tần
số ,theo thời gian và theo khoảng cách .Phân tập theo thời gian đạt được nhờ sử dụng
việc chèn và mã sữa sai .Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất cả các
hệ thống có tốc độ mã truyền dẫn cao mà thủ tục sửa sai yêu cầu. Hệ thống CDMA
8
băng rộng ưứngduụngviệc phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng báo hiệu
trong một băng tần rộng và fading liên hợp với tần số thường có ảnh hưởng đến băng
tần báo hiệu(200-300kHz). Nhưng với một băng tần rộng thì fading ít ảnh hưởng đến
tín hiệu hơn .Phân tập theo khoảng cách hay đường truyền thường đạt được theo 3
phương pháp sau:
-Thiết lập nhiều đường báo hiệu(chuyển vùng mềm) để kết nối máy di động với 2
hoặc nhiều trạm gốc BTS.
-Sử dụng môi trường đa đường qua chức năng trải phổ giống như bộ thu quét thu
nhận và tổ hợp các tín hiệu phát với các tín hiệu phát khác trễ thời gian.
-Đặt nhiều anten tại BS (anten mảng).
Phân tập theo khoảng cách có thể dễ dàng được áp dụng đối với hệ thống TDMA
và FDMA. Phân tập theo thời gian có thể được áp dụng cho tất cả các hệ thống số có
tốc độ mã truyền dẩn cao mà thủ tục sữa sai yêu cầu. Phân tập theo tần số có thể dể
dàng được áp dụng cho hệ thống CDMA.
Bộ điều khiển đa đường tách dạng sóng nhờ sử dụng bộ tương quan song song.
Máy di động sử dụng 3 bộ tương quan ,BTS sử dụng 4 bộ tương quan. Máy thu có bộ
tương quan song song gọi là máy thu quét (Rake), nó xác định tín hiệu thu theo mỗi

đường và tổ hợp, giải điều chế tất cả các tín hiệu thu được. Fading có thể xuất hiện ở
các đường tín hiệu thu nhưng không có sự tương quan giữa các đường tín hiệu thu.Vì
vậy tổng các tính hiệu thu được có độ tin cậy cao vì rất ít có fading đồng thời giữa cá
đường tín hiệu thu được.
Nhiều bộ tách tương quan có thể áp dụng một cách đồng thời cho hệ thống thông
tin có 2 BTS sao cho có thể thực hiện chuyển vùng mềm cho thuê bao di động.
Các kỹ thuật phân tập:
Phân tập thời gian: Đây là phương pháp phân tập cơ bản nhất, dùng những khe
thời gian tại những thời điểm khác nhau để truyền cùng một tín hiệu ban đầu, như
vậy tại đầu thu ta có thể nhận được nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều thời
điểm. Hoặc cùng một tín hiệu thu, có thể được thu theo nhiều khoảng thời gian trễ
khác nhau để chọn ra được tín hiệu thu tốt nhất.
Phân tập tần số: Nguyên lý cơ bản của bất kỳ loại sóng nào (cả sóng cơ và sóng
điền từ ) thì chỉ giao thoa với nhau khi có cùng tần số hay vùng tần số lân cận. Phân
tập tần số dựa vào đặc tính này, dùng nhiều tần số khác nhau để truyền cùng một tín
hiệu, như vậy tại đầu thu sẽ thu được cùng một tín hiệu tại nhiều tần số khác nhau.
Phân tập không gian ( hay phân tập anten ): Trong kiểu phân tập này chúng ta
dùng nhiều anten đặt tại nhiều vị trí khác nhau, có độ phân cực khác nhau để truyền
9
hay thu cùng một tín hiệu. Phương pháp này sẽ không làm mất độ rộng băng thông
của hệ thống.
Kết luận chương
Chương này đã giới thiệu tổng quan về các thế hệ thông tin di động, đặc biệt là hệ
thống WCDMA, các ảnh hưởng của nhiểu trong hệ thống di động. Cuối chương là
phần giới thiệu về các kỹ thuật phân tập để giảm bớt nhiễu trong hệ thống vô tuyến.
Trong chương tiếp theo sẽ đi sâu nghiên cứu về kỹ thuật phân tập không gian và thời
gian.
CHƯƠNG 2
10
PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN

2.1 Giới thiệu
Dung lượng của hệ thống mạng tổ ong bị giới hạn bởi 2 yếu tố chính đó là nhiễu
fading và nhiễu giao thoa sóng (multiple access interference : MAI). Một bộ thu 2
chiều (2-D) có thể giảm được các nhiễu trên bằng cách xử lý tín hiệu thu được trên cả
hai miền không gian và thời gian. Ở đây, xử lý tín hiệu trong miền không gian là tiến
hành xử lý tín hiệu bằng cách phân tập anten, còn xử lý tín hiệu trên miền thời gian là
tiến hành xử lý tín hiệu thu bằng cách phân tập thời gian. Việc kết hợp 2 kỹ thuật
phân tập cho tín hiệu sẽ làm tăng chất lượng của tín hiệu tại bộ thu. Tuy bộ thu 2-D
này có khả năng xử lý tín hiệu đồng thời trên miền không gian và thời gian song điều
này đòi hỏi phải có cấp độ tính toán phức tạp . Trong chương này chúng ta sẽ giới
thiệu một số giải pháp đơn giản để xử lý tín hiệu trong miền không gian và thời gian.
Mảng anten thích nghi [3] có khả năng chống lại nhiễu fading hay MAI chỉ bằng
cách xử lý không gian. Khi các thuê bao của hệ thống mạng trao đổi thông tin từ
những địa điểm khác nhau, mỗi thuê bao sẽ có một thông tin không gian duy nhất
liên quan tới thuê bao đó. Mảng anten thích nghi có thể dựa vào đặc tính không gian
của tín hiệu để giảm bớt nhiễu MAI. Việc xử lý này được thực hiện bởi bộ
Beamformer .Beamformer có thể là một giải pháp hữu hiệu để cải thiện cho hệ thống
CDMA hoạt động tốt trong các kênh tín hiệu giao thoa với nhau. Dung lượng của hệ
thống CDMA có thể được tăng lên bằng cách giảm bớt nhiễu giao thoa co-channel.
2.2 Anten Mảng
Anten mảng là tập hợp gồm nhiều anten thành phần được bố trí tại những vị trí
khác nhau trong không gian mảng .Các anten thành phần này có thể được sắp xếp
theo các cấu trúc hình học bất kỳ .Tuỳ theo cách sắp xếp đó mà mảng có thể là mảng
đường ,mảng tròn hay mảng phẳng . Mảng đường và mảng tròn là trường hợp đặc
biệt của mảng phẳng .Góc phát xạ của một mảng được xác định dựa vào góc phát xạ
của các anten thành phần , vào sự định hướng , vào vị trí của các anten , vào biên độ
và pha của tín hiệu đến. Nếu các anten của mảng là đẳng hướng thì góc phát xạ của
mảng sẽ chỉ phụ thuộc vào cấu trúc không gian của mảng và tín hiệu đến mảng [3]
.Trong trường hợp này góc phát xạ của mảng được gọi là hệ số mảng. Nếu các phần
tử của mảng giống nhau nhưng không đẳng hướng thì góc phát xạ của mảng được

tính theo hệ số mảng và các góc phát xạ thành phần .
2.2.1 Mảng anten dãy
Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng đường thẳng bằng nhau thì mảng
được gọi là mảng anten dãy (ULA) .Hình vẽ sau mô tả một mảng ULA gồm N phần
11
tử .Khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là d .Góc tín hiệu truyền đến mảng là
θ (còn gọi là góc AOA) .
Tín hiệu thu được tại anten đầu tiên của mảng được biểu diễn như sau :

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

})({
11
)()(
βγ
+

=
tj
etAtx
(2.2)
Ta giả thiết rằng tín hiệu có dạng sóng phẳng được truyền đến mảng từ một khoảng
cách rất xa và trong môi trường truyền đồng chất .Lúc này tín hiệu đến các phần tử
trong mảng sẽ có sự sai biệt về thời gian .Tín hiệu đến phần tử thứ 2 trong mảng sẽ
chậm hơn phần tử thứ nhất một
Hình 2.1 Mảng anten ULA
khoảng thời gian là
τ
,tương tự phần tử thứ N sẽ trễ một khoảng là N
τ
.Như thế ta có
thể biểu diễn tín hiệu thu được tại các phần tử khác trong mảng theo biểu thức tín
hiệu thu được tại phần tử thứ nhất .Trong hình vẻ trên ta có thời gian trễ là :

c
d
θ
τ
sin
=
(2.3)
Với c là vận tốc truyền sóng ánh sáng .
12
Vậy ta có biểu thức tín hiệu thu được tại phần tử thứ 2 là :

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

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

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

})(2{
2
)()(
βγτπ
++−
=
tfj
c
etAtx

}2{
1

)(
τπ
c
fj
etx
−
=
(2.6)

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

(2.7)
Do đó tín hiệu nhận được tại phần tử thứ i của mảng là (i=1:N)

}sin)1(2{
1
).()(
θ
λ
π
−−
=
i
d
j
i
etxtx
(2.8)
Ta định nghĩa một trường vector dùng để biểu diễn tất cả các tín hiệu thu được trên
các phần tử của mảng .Trường vector tín hiệu đó được biểu diễn như sau :
x(t) =[x
1
(t) x
2
(t) ….. x
n
(t)]
T
(2.9)
Ta cũng định nghĩa trường vector đáp ứng
a

(
θ
) của mảng như sau :

( )
θ
a
= [1
}sin2{
θ
λ
π
d
j
e
−
……
}sin)1(2{
θ
λ
π
−− N
d
j
e
]
T
(2.10)
Vector đáp ứng của mảng là một trường các giá trị phụ thuộc vào góc tín hiệu truyền
đến mảng, vào cấu trúc hình học của mảng, cách bố trí các phần tử trong mảng và

phụ thuộc vào tần số của tín hiệu đến mảng .Chúng ta giả thiết rằng trong phạm vi
thay đổi của tần số sóng mang thì Vector đáp ứng của mảng không thay đổi .Khi cấu
trúc của mảng không thay đổi (ví dụ mảng ULA) và các phần tử của mảng là đẳng
hướng ,thì vector đáp ứng của mảng chỉ phụ thuộc vào AOA (góc tín hiệu đến mảng).
Lúc này vector tín hiệu nhận được từ mảng có thể được viết như sau :

)()()( txatx
θ
=
(2.11)
Để có được các điều trên thì ta phải giả thiết băng thông của tín hiệu phải nhỏ
hơn nhiều lần thời gian truyền tín hiệu qua mảng .Giả thiết cho hiện tượng này được
gọi là narrowband, tức là các tín hiệu thu được trong các phần tử của mảng sẽ có sự
sai pha lẩn nhau ,song sự sai pha này có thể là nhỏ. Vì thế mô hình narrowband vẫn
chính xác cho những tín hiệu biến thiên dạng hình sin, đặc biệt là ở những tín hiệu có
băng thông rất nhỏ so với thời gian truyền sóng qua mảng. Cũng vì lí do đó mà khi
13
thực hiện mô hình Beamformer để giảm thiểu sự giao thoa thì phải nằm trong giới
hạn cho phép của hiện tượng narrowband. Trong toàn bộ luận văn này chúng ta giả
thiết rằng tín hiệu W-CDMA thoả mãn narrowband .
Thời gian trễ trong quá trình truyền sóng từ phần tử đầu tiên đến phần tử cuối cùng
của mảng được tính như sau :

c
dN
θ
τ
sin)1(
max
−

=
(2.12)
Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là
2
λ


c
N
2
)1(
max
λ
τ
−
=
(2.13)

c
c
f
N
c
f
c
N
2
)1(
2
)1(

max
−
=
−
=
τ
Nếu mảng có 4 phần tử và f
c
=2GHz
Ta có :
6
max
10.2000.2
3
=
τ
Với hệ thống W-CDMA có băng thông tín hiệu là 5MHz. Tỉ số giữa
τ
max
và băng
thông tín hiệu được tính như sau :

6
6
max
10.20002
10.53
×
×
=

χ
=0.0037
Như vậy giả thiết narrowband phù hợp với hệ thống W-CDMA.
2.3 Kỹ thuật Beamformer
Beamforming là một kỷ thuật xử lý không gian chung nhất được thực hiện trong
những anten mảng. Trong hệ thống mạng di động tổ ong, tín hiệu hữu ích của một
cell thường bị tín hiệu các cell khác trộn lẫn vào gây nên hiện tượng nhiễu giao thoa
tín hiệu. Bộ Beamformer có thể phân tách các tín hiệu trong vùng giao thoa sóng để
lấy ra tín hiệu mong muốn của cell đó. Trong bộ Beamformer, tín hiệu thu được từ
các phần tử trong mảng được tổng hợp lại rồi chọn ra tín hiệu có chất lượng tốt nhất.
Hình dưới mô tả nguyên lý chung của một bộ Beamformer.
14
Hình 2.2a Mô hình Beamformer Hình 2.2b Búp sóng anten dãy
Nếu có tất cả K tín hiệu đến mảng với góc tới của mỗi tín hiệu được xác định riêng
biệt. Lúc đó vector tín hiệu nhận được có dạng như sau :

)()()()(
1
tnatstx
K
i
ii
+=
∑
=
θ
(2.14)
Với
)(ts
i

là tín hiệu nhận được tại phần tử thứ i trong mảng ,góc tới là
i
θ
.

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

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

)()()( txtwty
H
=
(2.15)
Với w=[ w
1
w
2
… w
N
]
T

là vector trọng số của mảng .
Thông thường vector trọng số được chọn để phù hợp cho từng kỷ thuật Beamformer
khác nhau. Các kỹ thuật Beamformer thường có là MMSE, MSINR, MSNR, CMA,
ML…sẽ được đề cập ở các chương sau .
2.3.1 Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer với mảng ULA
Bây giờ ta chỉ xét một ví dụ thật đơn giản để diển tả nguyên lí của Beamforming.
Giả thiết rằg tín hiệu của thuê bao truyền đến mảng ULA với góc AOA là 0
o
, và giả
thiết rằng phần tín hiệu nhiễu do giao thoa được thu ở góc AOA là 45
o
.Vector đáp
ứng của mảng cho tín hiệu hữu ích trong trường hợp này là :

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








−−
=








=








==
−
×−
7957.06057.0
1
1
1

)
4
(
2
)
4
sin(
2
1
2
int
j
e
e
aa
j
j
π
π
π
π
(2.17)
15
Bộ thu Beamformer phải tăng cao hệ số khuếch đại đối với tín hiệu mong muốn đồng
thời giảm thiểu tối đa hệ số khuếch đại đối với tín hiệu nhiễu giao thoa. Vì thế vector
đáp ứng của mảng phải thoả mãn các điều kiện sau :

0
1
int

=
=
aw
aw
H
desired
H
(2.18)
Từ trên ta tính được







+
−
=
2478.05.0
2478.05.0
j
j
w
Hàm đặc trưng của Beamformer tương ứng với góc
θ
được cho như sau :

)()(
θθ

awg
H
=
(2.19)
Đồ thị bức xạ (Beam pattern) được xác định bởi độ lớn của
)(
θ
g
:

)()(
θθ
gG =
(2.20)
Đồ thị bức xạ được dùng để mô tả mảng các hệ số khuếch đại tín hiệu ứng với các
góc đến khác nhau, hay được gọi là bộ khuếch đại có chọn lọc. Đồ thị bức xạ cho
trường hợp trên được minh hoạ ở hình 2.3 dưới đây. Quan sát ta thấy, hệ số khuếch
đại của tín hiệu là 1 còn của tín hiệu nhiễu giao thoa là 0. Như vậy, beamformer có
thể hướng búp sóng null về phía tín hiệu nhiễu giao thoa, phương pháp này được gọi
là phương pháp null steering beamformer. Chú ý rằng, trong phương pháp này các bộ
phận của bộ Beamformer chỉ làm việc được khi tổng số các tín hiệu đến phải ít hơn
hay bằng số lượng các phần tử trong mảng. Khi mà số phần tử anten là N, thì có thể
null steering N-1 hướng tín hiệu nhiễu khác nhau, song điều này thì không thể phù
hợp được trong môi trường hệ thống mạng WCDMA ( với rất nhiều nhiễu giao thoa).
Trường hợp số lượng tín hiệu đến mảng vượt quá số phần tử của mảng gọi là
overloaded .Tuy nhiên quá trình xử lý khuếch đại tín hiệu trong bộ thu của hệ thống
CDMA có sự liên kết lớn để chống lại sự quá tải trong mảng, đồng thời việc bố trí
không gian các phần tử của mảng cũng góp phần nâng cao khả năng xử lý của hệ
thống.
16

Hình 2.3 Đồ thị bức xạ của anten dãy đối với góc đến tín hiệu là 0
o

và nhiễu giao thoa là 45
o
.
Từ ví dụ trên ta nhận thấy rằng:
Mặc dầu có thể đặt null trực tiếp đến hướng đến của tín hiệu nhiễu giao thoa,
song từ đồ thị bức xạ (hình 2.3) ta thấy độ lợi của anten không cực đại tại hướng
đến của tín hiệu hữu ích. Như vậy, cần phải có nhiều sự cải tiến trong giải pháp kỹ
thuật của beamformer. Trong chương sau sẽ đề cập đến các giải pháp kỹ thuật
beamformer khác nhau đó.
Nếu chúng ta ngầm giả thiết là đã nhận biết được mảng vector đáp ứng cho
nhiều users khác nhau. Thì trong vùng một cell đô thị, mỗi tín hiệu đa đường sẽ đến
mảng với những góc tới khác nhau, vì thế sẽ có rất nhiều hướng giải quyết cho mỗi
đường tính hiệu này. Trong trườnghợp này, rất khó để xác định chính xác góc tín
hiệu đến mảng và như vậy sự đánh giá vector đáp ứng của mảng là rất không xác
thực. Điều đó cho thấy sự cần thiết phải đánh giá góc đến AOA để tìm ra vector đáp
ứng của mảng. Ngoài ra kỹ thuật trên cần yêu cầu số lượng tín hiệu đến mảng (bao
gồm tín hiệu giao thoa co-channel) phải ít hơn số lượng các phần tử trong mảng.
Điều này không thể có được trong mạng WCDMA. Kỹ thuật Eigen-Beamforming,
được xét đến ở phần sau, là giải pháp thích hợp, không cần phải biết được vector
đáp ứng của mảng cũng như không cần phải đánh giá rõ ràng góc tới AOA.
2.4 Nguyên tắc lấy mẫu tín hiệu trong xử lý không gian
Những nguyên lý lấy mẫu trong miền thời gian có thể được áp dụng trong hệ
thống xử lý không gian do giữa hai hệ thống này cũng có sự tương quan với nhau.
Xét tín hiệu trong miền thời gian và tần số, mẫu tín hiệu lấy theo nguyên tắc lấy mẫu
Nyquist. Tức là, tín hiệu được lấy mẫu với tần số (tốc độ lấy mẫu) lớn hơn 2 lần tần
17
số lớn nhất của tín hiệu. Trường hợp tần số lấy mẫu nhỏ hơn 2f được gọi là

aliasing .Tương tự trong miền không gian, để tránh hiện tượng aliasing thì khối
beamformer phải thoã mãn điều kiện sau :

2
λ
≤d
(2.21)
Điều này được gọi là nguyên lý lấy mẫu trong miền không gian . Điều kiện đó giúp
cho khối beamforming tránh được hiện tượng aliasing, khoảng cách giữa các phần tử
trong mảng phải nhỏ hơn hay bằng nửa bước sóng sóng mang của tín hiệu. Tuy nhiên
khoảng cách giữa các phần tử trong mảng cũng không được nhỏ quá để tránh sự tác
động lẫn nhau giữa các phần tử trong mảng. Vì vậy, trong thực tế khoảng cách giữa
các phần tử trong mảng bằng nữa bước sóng sóng mang là tốt nhất. Trong đồ án này
ta giả thiết khoảng cách giữa các phần tử trong mảng ULA bằng nữa bước sóng sóng
mang .
2.5 Lợi ích của phân tập không gian
Một mãng anten thích nghi có thể có được nhiều cấu trúc không gian khác nhau
và làm giảm được nhiễu fading nhiều tia. Mảng này có khả năng lái búp sóng của
mảng về phía tín hiệu cần nhận và tránh hướng đến của tín hiệu nhiễu .Tín hiệu thu
được tại các phần tử trong mảng có rất ít sự tương quan lẫn nhau. Vì thế nếu tín hiệu
tại một phần tử của mảng là tín hiệu nhiễu fading, tín hiệu này sẽ khác nhiều tín hiệu
thu được tại các phần tử khác trong cùng thời gian đó .Vì thế luôn có một tín hiệu tốt
nhất thu được một trong các phần tử của mảng .Nên việc tổ hợp các tín hiệu thu được
từ các phần tử trong mảng sẽ làm tăng tỷ số SNR và tăng độ trung thực của tín hiệu
thu .
2.6 Phân tập thời gian: Bộ thu Rake trong CDMA
Trong một kênh có chọn lọc tần số ,có nhiều bản sao tín hiệu được truyền đến
máy thu, chúng đi qua nhiều đường khác nhau. Những bản tin sao chép này được
tổng hợp lại tại đầu thu để cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Khi các tín hiệu
này được truyền theo nhiều đường khác nhau, sẽ có một đường truyền không (hoặc

ít) chịu ảnh hưởng bởi nhiễu fading. Điều này có nghĩa là nếu mỗi đường truyền đều
bị ảnh hưởng bởi fading, các tín hiệu đi theo các đường khác nhau sẽ có sự khác biệt
rõ rệt. Tại đầu thu sẽ luôn thu được một kênh tín hiệu có độ trung thực chấp nhận
được. Trong hệ thống CDMA, bộ thu tín hiệu có thể chứa nhiều thiết bị tương quan
nhau để phân chia tín hiệu thành nhiều bản giống nhau và làm giảm nhiễu fading .Bộ
thu này được gọi là bộ thu Rake, nó đã được dùng nhiều trong hệ thống mạng thông
tin di động CDMA thế hệ 2 .Quá trình xử lý thời gian trong bột hu Rake giúp cho hệ
thống CDMA giãm ảnh hưởng của nhiễu fading. Có nhiều kỹ thuật khác nhau được
18
( )
1
*
τ
−t
e
( )
1
*
τ
−t
e
( )
1
*
τ
−t
e
dùng để tổ hợp tín hiệu tương quan .Nếu việc kết hợp tín hiệu có những trọng số phù
hợp với từng kênh riêng lẽ và có hệ số khuếch đại tương xứng với những bộ phận
nhiều đường tương ứng ,quá trình này gọi là tổ hợp tỷ lệ tối đa (MRC). MRC gọi là

một kết cấu tổ hợp . Đối với những bộ kết hợp không có kết cấu ,là tất cả những
trọng số kết hợp đều bằng nhau và được gọi là bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC). Cả hai
MRC và EGC đều hiệu quả để cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR.





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

( )
c
x
c
i
exf
γ

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

{ }
L
scx
γγγ
,....,max
1
=
Trong trường hợp kênh truyền Fading, có thể áp dụng hàm (2.22) cho
sc
s
γ
:

( )
[ ]
[ ]

L
x
L
c
sc
s
exxxF
γ
γ
γγ
/
1
1,....,Pr
−
−=≤≤=
(2.22)
2.6.1.2 Bộ tổ hợp tỷ số tối đa (MRC)
19
finger#L
finger#1
finger#2
Bộ tổ hợp RAKE
∫
∫
∫
Tín hiệu ra
MRC là một bộ tổ hợp tối ưu. Trong bộ tổ hợp MRC, trọng số của các đường tín
hiệu được xác định bởi sự tổ hợp của các đường fading. MRC là một bộ tổ hợp tối
ưu. Ngõ ra của bộ tổ hợp MRC,
mrc

s
γ
được đánh giá bởi hàm cdf sau:

( )
∑
=
−








−=
L
i
i
c
x
x
i
exF
c
mrc
s
0
/

!
1
.1
γ
γ
γ
(2.23)
2.6.1.3 Bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC)
Bộ tổ hợp EGC cung tương tự như bộ tổ hợp MRC, khác nhau duy nhất là trong bộ
tổ hợp EGC không có sự xác định trọng số cho từng nhánh tín hiệu. Tức là, trọng số
cho từng nhánh tín hiệu đều giống nhau. EGC chỉ thích hợp cho các kỹ thuật điều chế
mà các symbol có cùng mức năng lượng như M-PSK.
2.7 Bộ thu Beamformer_Rake
Beamformer_Rake là sự kết hợp giữa Beamformer với Rake để xử lý tín hiệu trên
cả 2 miền thời gian và không gian. Hình 2.5 mô tả cấu trúc và nguyên lý hoạt động
của bộ thu Beamformer-Rake. Nó chứa một mảng các anten thu, tín hiệu thu được từ
mảng được đưa đến các bộ tổ hợp không gian để thực hiện beamforming cho những
tín hiệu đa đường, mỗi đường tín hiệu sẽ được nhân với một vector trọng số khác
nhau trước khi vào bộ tổ hợp. Tín hiệu ra khỏi bộ tổ hợp không gian được đưa tới các
finger sau đó được kết hợp lại bởi bộ tổ hợp Rake.
Kết luận chương:
Chương này đã xét đến hai kỹ thuật phân tập chính là phân tập không gian và phân
tập thời gian và sự kết hợp hai kỹ thuật phân tập này thành kỹ thuật phân tập chung là
kỹ thuật phân tập Không gian-Thời gian. Trong đó, kỹ thuật phân tập không gian
được thực hiện bởi bộ thu Beamformer, thực hiện bằng cách tổ hợp tín hiệu từ nhiều
anten thu để có được tín hiệu thu tốt nhất. Kỹ thuật phân tập thời gian được thực hiện
bởi bộ thu Rake, thực hiện bằng cách phân chia tín hiệu thu thành nhiều khoảng thời
gian trễ khác nhau sau đó dùng kết cấu tổ hợp để tổ hợp tín hiệu chọn ra tín hiệu tốt
nhất. Mục đích của bộ thu Beamformer là làm giảm ảnh hưởng của nhiễu giao thoa
còn bộ thu Rake là làm giảm ảnh hưởng của nhiễu đa đường. Vì thế, sự kết hợp giữa

hai bộ thu này tạo thành bộ thu Beamformer-Rake, là một kết cấu tốt để làm giảm
ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và nhiễu fading lên tín hiệu thu. Trong chương tiếp sẽ
giới thiệu các kỹ thuật khác nhau để xử lý phân tập không gian trong bộ thu
Beamformer.
20
Finger#1
Finger#1
( )
2
*
τ
−
te
Tổ hợp không gian
W
1
Tổ hợp không gian
W
2
Tổ hợp không gian
W
LLLLLLL
Bộ tổ hợp Rake
( )
1
*
τ
−
te
( )

1
*
τ
−
te
( )
2
*
τ
−
te
( )
L
te
τ
−
*
( )
L
te
τ
−
*
Finger#1
Hình 2.5 Bộ thu Beamformer-Rake
CHƯƠNG 3
CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING
3.1 Giới Thiệu
Trong chương này sẽ giới thiệu những kỹ thuật khác nhau có thể được áp dụng
cho Beamforming trong hệ thống mạng thông tin di động tổ ong CDMA và hệ thống

OFDM. Ba kỹ thuật chính được giới thiệu trong chương này là: tối ưu tỉ số tín hiệu
trên nhiễu (MSNR),tối ưu tỉ số tín hiệu /nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt (MSINR) và
kỹ thuật tối thiểu trung bình bình phương sai lệch (MMSE). Mở đầu chương với việc
đi tìm hiểu kỹ thuật MSNR với giải pháp giá trị riêng đơn giản SE. Sau đó xét đến kỹ
thuật MSINR với giải pháp nhóm các giá trị riêng GE. Tiếp theo sẽ nghiên cứu kỹ
thuật MMSE Beamforming. Sau đây là nội dung của chương.
3.2 Kỹ thuật MSNR Beamforming
Kỹ thuật MSNR được dùng để làm cho giá trị SNR tại đầu ra của beamformer là
cực đại. Để làm được điều đó, cần phải xác định được vector trọng lượng của anten
mảng, sao cho khi nhân vector tín hiệu thu với vector trọng lượng thì sẽ có tín hiệu
đầu ra có SNR cực đại. Vector trọng lượng cần xác định chính là là vector riêng
tương ứng với giá trị riêng lớn nhất của của ma trận hiệp phương sai tín hiệu thu.
Điều kiện tốt nhất cho kỹ thuật này chính là: nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt là nhiễu
không gian trắng .
3.2.1 Cực đaị tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSNR)
Trong kỹ thuật này, để có tỷ số tín hiệu SNR là cực đại, ta giả thiết rằng nhiễu tác
động vào tín hiệu là nhiễu trắng .Khi đó, tín hiệu thu được có thể viết như sau :

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

Nn
H
nn

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

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

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

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

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

ww
wRw
SNR
H
n
ss
H
2

σ
=
(3.6)
Để tìm giá trị vector trọng lượng của mảng sao cho tỉ số SNR cực đại . Ta đạo hàm
vế phải của biểu thức (3.6) theo
H
w
và gán biểu thức đó bằng 0 ,ta được

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

w
ww
wRw
wR
H
ss
H

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

wwR
ss
max
λ

=
(3.8)
max
λ
chính là giá trị lớn nhất của SNR .Vector riêng
MSNR
w
tương ứng với giá trị
max
λ
là vector trọng số tối ưu làm cực đại SNR tại đầu ra của mảng .
Như vậy, giải pháp MSNR để tìm ra vector đáp ứng tối ưu được thực hiện bằng cách
tìm ra vector riêng (tương xứng với giá trị riêng lớn nhất) từ chuổi các giá trị riêng
đơn giản, phương pháp này được gọi là phương pháp SE (simple Eigenvalue):

MSNRMSNR
ss
wwR
λ
=
(3.9)
Kỹ thuật Beamforming thực hiện theo cách trên được gọi là Eigen_Beamforming.
Nếu có tín hiệu đi đến mảng từ một góc
d
θ
,vector tín hiệu có thể được viết như sau :
22

)()()(
d

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

( )
)()(
2
d
H
d
ss
aadER
θθ
=
(3.11)
Từ (3.8) ta có :

( )
MSNRMSNRd

H
d
wwaadE
max
2
)()(
λθθ
=
(3.12)
Ta đặt
( )
max
2
)(
λ
θ
ζ
MSNRd
H
wadE
=
,vector đáp ứng cho MSNR được cho như sau :

)(
0
θζ
aw
MSNR
=
(3.13)

Từ phương trình (3.13) ta nhận thấy. Nếu không có nhiễu tác động vào thì bằng
phương pháp định pha cho từng tín hiệu đến các phần tử của mảng, ta sẽ xác định
được giá trị lớn nhất của SNR. Ngoài ra MSNR beamforming có thể được hỗ trợ bởi
các giải pháp tính toán trực tiếp (DF). Tuy nhiên kỹ thuật DF không được áp dụng
rộng rãi. Hơn thế nữa kỹ thuật DF luôn luôn đòi hỏi số lượng tín hiệu đến (bao gồm
cả nhiễu giao thoa phải ít hơn số lượng anten trong mảng ). Điều này không thể đáp
ứng được trong hệ thống mạng tổ ong CDMA .
3.2.2 Phương thức cải tiến SE cho Beamforming
Từ phương trình 3.9 ta thấy cần phải xác định ma trận hiệp phương sai (
ss
R
) của
tín hiệu đến để thực hiện bài toán SE. Tuy nhiên rất khó để tách tín hiệu khỏi nhiễu
và tính
ss
R
. Nếu như có thể tách được tín hiệu khỏi nhiễu thì lúc đó ta không cần phải
có Beamforming nữa. Vì thế, có một kỹ thuật thay thế mà không cần đòi hỏi phải
lượng tính ma trận hiệp phương sai của tín hiệu
ss
R
. Nếu tín hiệu độc lập với nhiễu
thì trường tín hiệu nhận được theo thống kê có thể được viết như sau :

NN
ssxx
IRR
2
σ
+=

(3.14)
Vì thế tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại bộ thu là :
RSNR = 1 + SNR (3.15)
Từ biểu thức (3.15) ta nhận thấy khi RSNR đạt cực đại thì SNR cũng cực đại. Thực
hiện các bước biến đổi tương tự như các phương trình từ 3.4 đến 3.9 ta sẽ tìm được
vector trọng số làm cực đại SNR:

MSNRMSNR
xx
wwR
'
λ
=
(3.16)
Vector riêng chính của ma trận hiệp phương sai
xx
R
tạo thành một không gian con
gồm tín hiệu và nhiễu . Những vector riêng còn lại tương với N-1 giá trị riêng không
23
chỉ tạo thành một cơ sở trực giao mà trực giao tới tín hiệu và nhiễu. Vì vậy, bằng việc
áp dụng vector trọng số ,beamformer thực hiện một hàm biến đổi theo tín hiệu làm
cho không gian con (của tín hiệu và nhiễu )chỉ trực giao đến tín hiệu nhiễu .
Nếu nhiễu lấn át tín hiệu, thì giá trị riêng lớn nhất sẽ không đáp ứng cho tín hiệu
được nữa và đối với vector riêng ở biểu thức (3.16) cũng không còn là vector trọng
số đối với MSNR nữa. Tuy nhiên trong môi trường CDMA, điều này không thường
xảy ra bởi vì đã có quá trình xử lý độ lợi và kỹ thuật điều khiển công suất. Các bộ thu
trong CDMA là những thiết bị có nhiều bộ tương quan với nhau. Đầu ra của các bộ
tương quan này chứa tín hiệu băng hẹp (narrowband) cùng với nhiễu giao thoa và
nhiễu Gauss. Vì thế ma trận hiệp phương sai có thể được tính được tại ngỏ ra của các

bộ tương quan từ đó tìm được MSNR cực đại.
Trong phần trước chúng ta đã phân tích về tín hiệu nhiễu và tiếng ồn ,và giả thiết
rằng nhiễu đó là nhiễu trắng. Chúng ta có thể chia tín hiệu nhiễu trong biểu thức (3.1)
thành hai thành phần như sau :

inn +=
'
(3.17)
Trong đó
'
n
là nhiễu trắng không gian và thời gian ,
i
là nhiễu giao thoa. Nếu
nhiễu giao thoa là nhiễu trắng, vector trọng số MSNR là tốt nhất .Còn nếu chúng
không phải là nhiễu trắng, thì vector riêng đáp ứng cho giá trị riêng lớn nhất của tín
hiệu thu được không đáp ứng được cho vector trọng số MSNR. Tuy nhiên vấn đề này
được đề cập đến một khi cấu trúc không gian của tín hiệu giao thoa được tính đến và
vector trọng số tối ưu sẽ đựơc xác định để làm cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu giao
thoa và tiếng ồn (SINR). Việc xácđịnh giá trị lớn nhất của SINR sẽ được đề cập sau.
3.2.3 Pha tín hiệu trong Eigen-Beamforming
Trước khi đi nghiên cứu các kỹ thuật beamforming khác ,chúng ta sẽ xét đến mặt
hạn chế trong khả năng xử lý pha tín hiệu của kỹ thuật Eigen-Beamforming, hay gọi
là sự nhập nhằng về pha trong kỹ thuật Eigen-Beamforming. Trong khi Beamformer
xác định giá trị tối ưu của SNR, ta thấy không có sự ràng buộc nào về pha của tín
hiệu. Việc dùng vector trọng số MSNR để tìm SNR theo như biểu thức (3.9) thì SNR
tại ngõ ra của beamformer được cho như sau :

MSNR
H

MSNRn
MSNR
ss
H
MSNR
ww
wRw
SNR
2
max
σ
=
(3.18)
Ta hãy quan sát xem SNR sẽ như thế nào nếu beamformer dùng vector trọng số là
MSINR
ww
ρ
=
∧
với
ρ
là một hệ số vô hướng. SNR tại ngõ ra của beamformer được cho
như sau:
24

∧∧
∧∧
=
ww
wRw

SNR
H
MSNRn
ss
H
2
'
σ


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

MSNR
H
MSNR

n
MSNR
ss
H
MSNR
ww
wRw
2
2
2
ρσ
ρ
=
(3.19)

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

Vì vậy vector trọng số
∧
w
cũng làm cực đại giá trị SNR và không có liên quan đến
pha của tín hiệu. Như thế sự nhập nhằng về pha vẫn tồn tại trong MSINR Eigen-
Beamformer.Vì vậy trong Eigen-Beamforming không có bộ điều chế pha , không có
bộ tách sóng coherent.
3.3 Kỹ thuật MSINR Beamforming
Phần này ta sẽ đề cập đến kỹ thuật Eigen-Beamforming xác định MSINR tại đầu
ra của beamformer. Trong phần trước chúng ta đã nói đến kỹ thuật MSNR với điều
tốt nhất là tín hiệu giao thoa và nhiễu là không gian trắng. Nhưng trong hệ thống
mạng WCDMA, các user khác nhau có data rate khác nhau, với hệ số trãi phổ khác
nhau. Trong cùng một thời gian chúng sẽ có BER khác nhau. Vì thế, các users có data
rate cao yêu cầu phải hoạt động ở mức công suất cao hơn các users có data rate thấp
hơn và như vậy các tín hiệu nhiễu giao thoa không thể là nhiễu không gian trắng như
đã giả thiết trong kỹ thuật MSNR được nữa. Kỹ thuật MSINR beamforming là một
tiêu chí kỹ thuật đáp ứng tốt cho trường hợp này, nó hoạt động tốt trong trường hợp
nhiễu không phải là nhiễu trắng. Không giống như MSNR, MSINR là một kỹ thuật
xử lý tín hiệu với một chuổi bài toán giá trị riêng đơn giản hay còn gọi là bài toán
nhóm các giá trị riêng GE. Sau đây là nội dung của kỹ thuật.
3.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR)
Vector tín hiệu thu được có dạng như sau :

usx +=
(3.20)
25