MỤC LỤC Chương 1: Tổng Quan Hệ Thống W-CDMA 1 Giới thiệu chung 1 1.1. Hệ thống thông tin di động thế hệ 1 1 1.2. Hệ thống thông tin di động thế hệ 2 2 1.3. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 3 1.4. Lộ trình phát triển hệ thống di động thế hệ 2 (GSM) lên (WCDMA) 3 1.5. Tổng quan mạng WCDMA 4 1.5.1. Các thông số chính của mạng WCDMA 6 1.5.2. Những đặc điểm then chốt của mạng WCDMA 7 1.5.3. Ảnh hưởng của nhiễu trong hệ thống WCDMA 7 1.5.4. Tính đa dạng phân tập trong hệ thống WCDMA 8 Kết luận chương 10 Chương 2: Khái Niệm Phân Tập Không Gian-Thời Gian 11 2.1 Giới thiệu 11 2.2 Anten Mảng 11 2.2.1 Mảng Anten dãy 12 2.3 Kỹ thuật Beamformer 14 2.3.1 Ví dụ đơn giản của bộ Beamformer trong mảng ULA 15 2.4 Nguyên tắc lấy mẫu trong xử lý không gian 17 2.5 Lợi ích của phân tập không gian 18 2.6 Phân tập thời gian- Bộ thu Rake trong CDMA 18 2.6.1 Các kỹ thuật tổ hợp tín hiệu 19 2.6.1.1 Bộ tổ hợp chọn lọc (SC) 19 2.6.1.2 Bộ tổ hợp tỉ số tối đa (MRC) 20 2.6.1.3 Bộ tổ hợp cùng độ lợi (EGC) 20 2.7 Bộ thu Beamformer_Rake 20 Kết luận chương 21 Chương 3: Các Kỹ Thuật Beamforming 22 3.1 Giới Thiệu 22 3.2 MSNR Beamforming 22 3.2.1 Kỹ Thuật MSNR 22 3.2.2 Phương Thức cải tiến SE cho Beamforming 24 3.2.3 Pha Tín Hiệu Trong Eigen-Beamforming 25 3.3. Kỹ thuật MSINR Beamforming 26 3.3.1 Cực đại tỷ số tín hiệu trên nhiễu(SINR) 27 3.3.2 Xác định giá trị cực đại của tỷ số tín hiệu trên nhiễu (MSINR) 28 3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming 29 3.5 So sánh 2 kỹ thuật MSINR và MMSE trong trường hợp đơn giản 30 Kết luận chương 32 Chương 4: CÁC THUẬT TOÁN BEAMFORMING 33 4.1 Đơn vị đánh giá độ phức tạp tính toán 33 4.2 Thuật toán tính toán trong kỹ thuật MSNR 33 4.2.1 Phương pháp Power 34 4.2.2 Phương pháp bội số nhân Lagrange 35 4.2.3 Phương pháp liên hợp Gradient 38 4.2.4 Đánh giá chung các phương pháp 43 4.2.5 Mô hình bộ thu MSNR Beamformer-Rake trong WCDMA 43 4.3 Giải pháp tính toán cho kỹ thuật MSINR 44 4.3.1 Giới thiệu 44 4.3.2 MSINR trong hệ thống WCDMA 44 4.3.2.1 Giải pháp lọc số tiếp cận (CFA) 44 4.3.2.2 Giải pháp cải tiến CFA (M-CFA) 45 4.3.2.3 Giải pháp mã hoa cổng (CGA) 46 4.3.3 Các giải thuật tính toán bài toán GE 47 4.3.3.1 Phương pháp power 48 4.3.3.2 Phương pháp hệ số nhân Largrange 48 4.3.3.3 Phương pháp đảo ma trận (AMI) 50 4.4 Giải pháp tính toán cho kỹ thuật MMSE 54 4.4.1 Giới thiệu 54 4.4.2 Tiêu chí kỹ thuật của phương pháp MMSE 54 4.4.2.1 Phương pháp tính trực tiếp ma trận đảo (DMI) 55 4.4.2.2 Phương pháp tính từng bước 56 4.4.2.3 Phương pháp LMS 57 4.4.3 Mô hình bộ thu MMSE Beamformer-Rake 57 Kết luận chương 58 Chương 5 CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 5.1 Giới thiệu chương mô phỏng 59 5.2 Các lưu đồ thuật toán 60 5.3 Kết quả mô phỏng 64 Kết luận chương 76 Kết luận và hướng phát triển đề tài 77 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI Thời đại vô tuyến đã bắt đầu từ cách đây hơn 100 năm với sự phát minh ra máy điện báo radio của Gudlielmo Marconi và công nghệ không dây hiện nay đang được thiết lập với sự phát triển nhanh chóng đã đưa chúng ta vào một thế kỷ mới và một kỷ nguyên mới. Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật vô tuyến đang tạo ra nhiều dịch vụ mới và cải tiến với giá cả thấp hơn, dẫn đến sự gia tăng trong việc sử dụng khoảng không gian thời gian và số lượng các thuê bao. Các xu hướng này đang tiếp tục tăng trong những năm tới. Mục tiêu của hệ thống thông tin thế hệ mới là cung cấp nhiều loại hình dịch vụ thông tin cho mọi người vào mọi lúc, mọi nơi. Các dịch vụ được cung cấp cho thuê bao điện thoại di động thế hệ mới như truyền dữ liệu tốc độ cao, video và multimeadia cũng như dịch vụ thoại. Công nghệ thoả mãn được những yêu cầu này và làm cho các dịch vụ đó được sử dụng rộng rãi được gọi là hệ thống di động thế hệ thứ 3 (3G). Hệ thống thế hệ thứ 3 đáp ứng đáng kể phần thiếu hụt các tiêu chuẩn thế hệ 2 hiện có, cả về loại hình ứng dụng và dung lượng. Hệ thống di động số hiện tại được thiết kế tối ưu cho thông tin thoại, trong khi đó hệ thống 3G chú trọng đến khả năng truyền thông đa phương tiện. Hệ thống 3G điển hình hiện nay là cdma2000 và WCDMA. WCDMA là phương thức đa truy cập phân chia theo mã băng rộng. Trong hệ thống WCDMA, hệ số tái sử dụng tần số là 1, nên khi số thuê bao tăng lên đồng nghĩa với nhiễu giao thoa đồng kênh tăng lên làm ảnh hưởng đến dung lượng của hệ thống. Vì thế trong mạng WCDMA phải có nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu nhằm làm giảm ảnh hưởng của nhiễu. Các kỹ thuật đó gọi là kỹ thuật phân tập tín hiệu. Trong đồ án này sẽ tìm hiểu về kỹ thuật phân tập Không gian - Thời gian trong hệ thống mạng WCDMA với mục đích phân tập làm giảm ảnh hưởng của nhiễu giao thoa và nhiễu fading lên tín hiệu thông qua việc làm tăng tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở đầu ra của mảng anten dãy bằng cách điều khiển hướng búp sóng của anten dãy về hướng đến của tín hiệu thu và hướng Null về hướng đến của tín hiệu nhiễu giao thoa. Nội dung đồ án gồm 5 chương : - Chương 1:Trình bày ưu nhược điểm của hệ thống WCDMA và hướng giải quyết cho những nhược điểm. - Chương 2:Trình bày khái niệm phân tập không gian - thời gian. Phân tập anten bằng bộ thu Beamformer-Rake. - Chương 3: Trình bày các kỹ thuật xử lý phân tập không gian bằng bộ thu Beamformer. Các kỹ thuật xử lý bao gồm MSNR, MSINR và MMSE. - Chương 4 : Trình bày các thuật toán tính toán cho từng kỹ thuật Beamformer. - Chương 5: Chương trình mô phỏng thực hiện bằng ngôn ngữ Matlap gồm các phần sau:  Mô phỏng các giải pháp điều khiển búp sóng anten dãy.  Mô phỏng giản đồ BER của hệ thống trải phổ có sử dụng kỹ thuật Beamforming.  Mô phỏng chất lượng các bộ tổ hợp (SC, EGC, MRC) trong bộ thu Rake (phân tập thời gian). Đánh giá bằng đồ thị BER.  Mô phỏng hệ thống WCDMA có sử dụng kỹ thuật phân tập Không gian - Thời gian. Đà Nẵng, ngày 01 tháng 06 năm 2006 LỜI CẢM ƠN Sau gần 4 tháng nghiên cứu em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình. Tập đồ án này là kết quả năm năm học tập tại trường Bách Khoa – Khoa Điện Tử Viễn Thông và thay lời cảm ơn chân thành nhất của em đến tất cả các thầy cô giáo trong khoa, những người đã tận tâm, nhiệt tình giảng dạy tất cả các môn học để em có kiến thức thực hiện tốt đề tài. Qua đây em gửi lời cảm ơn đến thầy Nguyễn Duy Nhật Viễn, người đã tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian qua. Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn của mình đến gia đình, những người đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong việc học tập và động viên giúp đở em cố gắng làm tốt đề tài tốt nghiệp. Sau cùng, là lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè, các anh chị trong suốt quá trình hoch tập tại trường. Đà Nẵng, ngày 01 tháng 06 năm 2006 Sinh viên Cao Liêm Cộng Hoà Xã Hội Chủ Nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự do - Hạnh phúc *** LỜI CAM ĐOAN Kính gửi : Hội đồng bảo vệ, khoa Điện Tử-Viễn Thông, trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng. Tôi tên là : Cao Liêm. Lớp : 01ĐT2 Tên đề tài tốt nghiệp: “Giải pháp phân tập Không gian-Thời gian trong WCDMA“ Tôi xin cam đoan đồ án này không giống hoàn toàn với đồ án hoặc công trình đã có trước đó. Đà Nẵng, ngày 01 tháng 06 năm 2006 Sinh viên thực hiện CAO LIÊM CAÙC TÖ Ø VIEÁT TAÉT AOA Angle of Arrival Góc đến tín hiệu AWGN Additive White Gaussian Noise Cộng nhiễu trắng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha PSK 2 mức CDMA Code Division Multiplex Access Đa truy cập phân chia theo mã CG Coding Gain Mã hoá cổng dB Decibel DMI Diercted Matric Invesion Ma trận đảo trực tiếp DPCCH Dedicated Physical Control Channel Kênh điều khiển vật lý DPDCH Dedicated Physical Data Channel Kênh điều khiển dữ liệu EGC Equal Gain Combine Tổ hợp cùng độ lợi ISI Inter Symbol Interfere Nhiễu xuyên ký tự GE Generalized Eigenvalue Nhóm các giá trị riêng ML Maximum Likelihood Cực đại tối ưu MLSE Maximum Likelihood Sequence Estimation Đánh giá chuổi cực đại tối ưu MMSE Minimum Mean Square Error Tối thiểu bình phương sai lệnh MRC M aximum Ratio Combine Bộ tổ hợp tỷ số tối đa OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Điều chế tần số trực giao PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế biên độ xung PSK Phase Shift Keying Điều chế pha QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế QAM QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế RF Radio Frequence Sóng radio SC Selected Combine Bộ tổ hợp chọn lọc SE Simple Eigen Giá trị riêng đơn giản SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký tự SINR Signal to Interference plus-Noise Ratio Tỷ số tín hiệu/ nhiễu giao thoa và nhiễu nhiệt SISO Single Input Single Output Vào đơn ra đơn SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu TCM Trellis Code Modulation Mã hoá lưới TCM TDMA Time Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo thời gian WLAN Wireless Local Area Network Mạng không dây WCDMA Wideband Code Division Multiplex Access Đa truy cập phân chia theo mã băng rộng 1 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. [...]... 1  e* t   2  Finger#1 Tổ hợp không gian WL  e t   L  * e* t   L  Hình 2.5 Bộ thu Beamformer-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,... 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 8 CDMA băng rộng ưứngduụngviệc phân tập theo tần số nhờ việc mở rộng khả năng báo hiệu trong một băng tần rộng và fading liên... 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... 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... 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... 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... thời gian 10 CHƯƠNG 2 PHÂN TẬP KHÔNG GIAN THỜI GIAN 2.1 Giới thiệu Dung lượng của hệ thống mạng tổ ong bị giới hạn bởi 2 yếu tố chính 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... 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. .. 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. .. 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 9  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 . 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. giản của bộ Beamformer trong mảng ULA 15 2.4 Nguyên tắc lấy mẫu trong xử lý không gian 17 2.5 Lợi ích của phân tập không gian 18 2.6 Phân tập thời gian- Bộ thu Rake trong CDMA 18 2.6.1 Các. Chương 2:Trình bày khái niệm phân tập không gian - thời gian. Phân tập anten bằng bộ thu Beamformer-Rake. - Chương 3: Trình bày các kỹ thuật xử lý phân tập không gian bằng bộ thu Beamformer.