1
CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG MẠNG DI ðỘNG WCDMA

Giới thiệu chung
Trong những năm gần ñây, công nghệ không dây là chủ ñề ñược nhiều chuyên
gia quan tâm trong lĩnh vực máy tính và truyền thông. Trong thời gian này công
nghệ này ñược rất nhiều người sử dụng và ñã trải qua rất nhiều thay ñổi. Quá trình
thay ñổi thể hiện qua các thế hệ:
 Thế hệ không dây thứ nhất là thế hệ thông tin tương tự sử dụng công nghệ
ña truy cập phân chia theo tần số (FDMA).
 Thế hệ thứ 2 sử dụng kỹ thuật số với công nghệ ña truy cập phân chia theo
thời gian (TDMA) và phân chia theo mã (CDMA).
 Thế hệ thứ 3 ra ñời ñánh giá sự nhãy vọt nhanh chóng về cả dung lượng và
ứng dụng so với các thế hệ trước ñó, và có khả năng cung cấp các dịch vụ ña phơng
tiện gói.
1.1 Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 1
Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 1 chỉ hổ trợ các dịch vụ thoại tương tự và sử
dụng kỹ thuật ñiều chế tương tự ñể mang dữ liệu thoại của mỗi người, và sử dụng
phương pháp ña truy cập phân chia theo tần số (FDMA). Với FDMA, khách hàng
ñược cấp phát một kênh trong tập hợp có trật tự các kênh trong lĩnh vực tần số. Sơ
ñồ báo hiệu của hệ thống FDMA khá phức tạp, khi MS bật nguồn ñể hoạt ñộng thì
nó dò sóng tìm ñến kênh ñiều khiển dành riêng cho nó. Nhờ kênh này, MS nhận
ñược 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 ñược truy cập.
Phổ tần số quy ñịnh cho liên lạc di ñộng ñược chia thành 2N dải tần số kế tiếp, và
ñược cách nhau bởi một dải tần số phòng vệ . Mỗi dải tần số ñược 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.
ðặc ñiểm :

- Giảm số máy thu ở BTS.
- Giảm nhiểu giao thoa.
Hệ thống TDMA ñiển hình là hệ thống di ñộng toàn cầu GSM. Máy di ñộng kỹ
thuật số TDMA phức tạp hơn FDMA. Hệ thống xử lý số ñối 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.
ða truy cập phân chia theo mã CDMA:
Trong thông tin di ñộng CDMA sử dụng kỹ thuật trải phổ cho nên nhiều người sử
dụng có thể chiếm cùng kênh vô tuyến ñồng thời tiến hành các cuộc gọi mà không
sợ gây nhiễu lẫn nhau. Những người sử dụng nói trên ñược phân biệt với nhau nhờ
mã trải phổ giả ngẫu nhiên PN, ñược cấp phát khác nhau cho mỗi người sử dụng.
ðặc ñiểm
- Dải tần tín hiệu rộng .
- Sử dụng kỹ thuật trải phổ phức tạp.
- Kỹ thuật trải phổ cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường ñộ 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 ñơn giản và việc thay ñổi, chuyển giao, ñiều khiển dung lượng cell thực hiện rất
linh hoạt.
1.3 Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 3:
ðể ñáp ứng kịp thời các dịch vụ ngày càng phong phú và ña dạng của người sử
dụng, từ ñầu thập niên 90 người ta ñưa ra hệ thống thông tin di ñộng tổ ong thế hệ
thứ 3. Hệ thống thông tin di ñộng thế hệ 3 với tên gọi ITM-2000 ñưa ra các muc
tiêu chính sau:
- Tốc ñộ truy nhập cao ñể ñảm bảo các dịch vụ băng rộng như truy cập
Internet nhanh hoặc các dịch vụ ña phương tiện.

Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA như sau: Ký hiệu:
 GSM: Global System for Mobile Communication: Hệ thống thông tin di
ñộng toàn cầu.
 HSCSD: Hight Speed Circuit Switched Data: Số liệu chuyển mạch kênh
tốc ñộ cao.
 GPRS: General Packet Radio Services: Dịch vụ gói vô tuyến chung.
 WCDMA: Wideband Code Division Multiple Access: ða truy cập phân
chia theo mã băng rộng.
Hình 1.1. Các gi
ải pháp nâng cấp hệ thống 2G l
ên

GSM

WCDM
HSCSD

GPRS

Hình 1.2 Lộ trình phát triển từ GSM lên WCDMA
4


TDD
RX/TX

FDD
Downlink f
5MHz

ðường
lên
ðường
xuống
ðường
lên
ðường


1.5.1 Các thông số chính của W-CDMA
 WCDMA là một phương pháp ña truy xuất vô tuyến phân chia theo mã trải
phổ trực tiếp dải rộng, nghĩa là các bit thông tin của các user ñược trải ñều ra trên
một dải thông rộng bằng việc nhân dữ liệu của user với các mã ngẫu nhiên (gọi là
chip) nhận ñược trải phổ trong WCDMA.
 Tốc ñộ chip 3.84Mcps ñược 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 ñộ 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 ñến 5MHz tuỳ thuộc vào nhiễu giữa các sóng mang.
 WCDMA cung cấp tốc ñộ khả biến cho các user rất cao, hiểu theo cách khác
chính là dải thông theo yêu cầu cũng ñược cung cấp. Mỗi user ñược cung cấp một
khung giây có chu kỳ 10ms trong khi tốc ñộ dữ liệu vẫn giữ nguyên không ñổi. Tuy
nhiên dung lượng dữ liệu có thể thay ñổi từ khung này ñến khung khác.
 WCDMA cung cấp hai chế ñộ hoạt ñộng cơ bản là FDD và TDD. Trong
FDD các khoảng tần số sóng mang 5MHz ñược sử dụng cho sóng mang hướng lên
và hướng xuống riêng rẽ, trong khi ñó TDD chỉ có một khoảng 5MHz ñược dùng
cho cả hướng lên và hướng xuống.
 WCDMA cung cấp hoạt ñộng bất ñồng bộ cho các trạm gốc và do ñó không
giống như hệ thống ñồng 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 ñược thiết kế ñể phát triển nâng cấp cho chuẩn GSM vì vậy có thể
chuyển giao giữa mạng GSM và mạng WCDMA.

6


 Cải thiện dung lượng: ðộ rộng băng tần lớn của WCDMA làm tăng hiệu suất
vốn có trên các hệ thống tế bào trước ñó do nó làm giảm fading của tín hiệu vô
tuyến. Ta biết rằng WCDMA sử dụng ñiều chế kết hợp ở ñường lên, ñây là tính
năng không thể thực hiện ñược ở trong các hệ thống CDMA tế bào. ðiều khiển
công suất chắc chắn ở ñường xuống sẽ có hiệu suất hoàn hảo, ñặc biệt ở môi trường
trong nhà và môi trường ngoài trời có tốc ñộ thấp.
Nói chung, ñối với dịch vụ thoại, sự cải thiện này là một bước tiến vì ñây 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 ñược chỉ bao gồm một tín
hiệu ñến trực tiếp. Song, trong thực tế ñiều ñó là không thể xảy ra, tín hiệu sẽ bị
thay ñổi trong suốt quá trình truyền, tín hiệu thu ñược 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 ñộng vô tuyến nên sẽ bị ảnh hưởng bởi ñiều ñó. Sau
ñây là mô hình của hai loại nhiễu chính, ñó là nhiễu fadinh nhiều tia và nhiễu giao
thoa.
7

Hình 1.4 Các tín hiệu ña ñường

Hình 1.5 Các tín hiệu nhiễu giao thoa
ðể làm giảm các ảnh hưởng của các loại nhiễu trên, trong WCDMA có nhiều kỹ
thuật xử lý ñó là: mã hoá kênh, ñiều chế, trải phổ, phân tập…Trong ñồ án này ta sẽ
ñi nghiên cứu các kỹ thuật phân tập tín hiệu.
1.5.4 Tính ña dạng phân tập trong WCDMA
Trong hệ thống ñiều chế băng hẹp như ñiều chế FM tương tự ,sử dụng trong hệ
thống thông tin di ñộng tổ ong ñầu tiên thì tính ña ñường tạo nên fading nghiêm
trọng. Tính nghiêm trọng của ña ñường fading ñược giảm ñi trong ñiều chế CDMA
băng rộng ,vì các tín hiệu qua các ñường khác nhau ñược thu nhận một cách ñộc lập
.Nhưng hiện tượng ña ñường xảy ra một cách liên tục trong hệ thống này do fading

ñộng.
Các kỹ thuật phân tập:
 Phân tập thời gian: ðây là phương pháp phân tập cơ bản nhất, dùng những
khe thời gian tại những thời ñiểm khác nhau ñể truyền cùng một tín hiệu ban ñầu,
như vậy tại ñầu thu ta có thể nhận ñược nhiều bản sao của một tín hiệu tại nhiều
thời ñiểm. Hoặc cùng một tín hiệu thu, có thể ñược thu theo nhiều khoảng thời gian
trễ khác nhau ñể chọn ra ñược tín hiệu thu tốt nhất.
 Phân tập tần số: Nguyên lý cơ bản của bất kỳ loại sóng nào (cả sóng cơ và
sóng ñiền từ ) thì chỉ giao thoa với nhau khi có cùng tần số hay vùng tần số lân cận.
Phân tập tần số dựa vào ñặc tính này, dùng nhiều tần số khác nhau ñể truyền cùng
một tín hiệu, như vậy tại ñầu thu sẽ thu ñược 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 ñặt tại nhiều vị trí khác nhau, có ñộ phân cực khác nhau ñể
truyền hay thu cùng một tín hiệu. Phương pháp này sẽ không làm mất ñộ rộng băng
thông của hệ thống.
Kết luận chương
Chương này ñã giới thiệu tổng quan về các thế hệ thông tin di ñộng, ñặc biệt là hệ
thống WCDMA, các ảnh hưởng của nhiểu trong hệ thống di ñộng. Cuối chương là
phần giới thiệu về các kỹ thuật phân tập ñể giảm bớt nhiễu trong hệ thống vô tuyến.
Trong chương tiếp theo sẽ ñi sâu nghiên cứu về kỹ thuật phân tập không gian và
thời gian.
9
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 ñó là nhiễu
fading và nhiễu giao thoa sóng (multiple access interference : MAI). Một bộ thu 2
chiều (2-D) có thể giảm ñược các nhiễu trên bằng cách xử lý tín hiệu thu ñược trên

Nếu khoảng cách giữa các phần tử trong mảng ñường thẳng bằng nhau thì mảng
ñược gọi là mảng anten dãy (ULA) .Hình vẽ sau mô tả một mảng ULA gồm N phần
tử .Khoảng cách giữa các phần tử trong mảng là d .Góc tín hiệu truyền ñến mảng là
θ (còn gọi là góc AOA) .
Tín hiệu thu ñược tại anten ñầu tiên của mảng ñược biểu diễn như sau :
10

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

})({
11
)()(
βγ
+
=
tj

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 ñược viết như sau :

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

})(2{
2
)()(
βγτπ
++−
=
tfj
c
etAtx

11


−−
==
(2.7)

Do ñó tín hiệu nhận ñược 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 ñịnh nghĩa một trường vector dùng ñể biểu diễn tất cả các tín hiệu thu ñược trên
các phần tử của mảng .Trường vector tín hiệu ñó ñược biểu diễn như sau :
x(t) =[x
1
(t) x
2
(t) … x
n
(t)]

]
T
(2.10)
Vector ñáp ứng của mảng là một trường các giá trị phụ thuộc vào góc tín hiệu
truyền ñến 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 ñến mảng .Chúng ta giả thiết rằng trong
phạm vi thay ñổi của tần số sóng mang thì Vector ñáp ứng của mảng không thay ñổi
.Khi cấu trúc của mảng không thay ñổi (ví dụ mảng ULA) và các phần tử của mảng
là ñẳng hướng ,thì vector ñáp ứng của mảng chỉ phụ thuộc vào AOA (góc tín hiệu
ñến mảng). Lúc này vector tín hiệu nhận ñược từ mảng có thể ñược viết như sau :

)()()(
txatx
θ
=
(2.11)
ðể có ñược các ñiều 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 ñược
gọi là narrowband, tức là các tín hiệu thu ñược 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, ñặc biệt là ở những tín hiệu
có băng thông rất nhỏ so với thời gian truyền sóng qua mảng. Cũng vì lí do ñó mà
khi thực hiện mô hình Beamformer ñể 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 ñầu tiên ñến phần tử cuối
cùng của mảng ñược tính như sau :

c
dN

N
2
)1(
2
)1(
max
−
=
−
=
τ

12
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


)()()()(
1
tnatstx
K
i
ii
+=
∑
=
θ
(2.14)
Với
)(
ts
i
là tín hiệu nhận ñược tại phần tử thứ i trong mảng ,góc tới là
i
θ
.

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



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







−−
=







e
e
aa
j
j
π
π
π
π
(2.17)
Bộ thu Beamformer phải tăng cao hệ số khuếch ñại ñối với tín hiệu mong muốn
ñồng thời giảm thiểu tối ña hệ số khuếch ñại ñối với tín hiệu nhiễu giao thoa. Vì thế
vector ñáp ứng của mảng phải thoả mãn các ñiều kiện sau :

0
1
int
=
=
aw
aw
H
desired
H
(2.18)
Từ trên ta tính ñược





gG =
(2.20)
ðồ thị bức xạ ñược dùng ñể mô tả mảng các hệ số khuếch ñại tín hiệu ứng với các
góc ñến khác nhau, hay ñược gọi là bộ khuếch ñại có chọn lọc. ðồ thị bức xạ cho
trường hợp trên ñược minh hoạ ở hình 2.3 dưới ñây. Quan sát ta thấy, hệ số khuếch
ñại 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 ñược
gọi là phương pháp null steering beamformer. Chú ý rằng, trong phương pháp này
các bộ phận của bộ Beamformer chỉ làm việc ñược khi tổng số các tín hiệu ñến 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 ñiều này thì không
thể phù hợp ñược trong môi trường hệ thống mạng WCDMA ( với rất nhiều nhiễu
giao thoa). Trường hợp số lượng tín hiệu ñến mảng vượt quá số phần tử của mảng
gọi là overloaded .Tuy nhiên quá trình xử lý khuếch ñại tín hiệu trong bộ thu của hệ
thống CDMA có sự liên kết lớn ñể chống lại sự quá tải trong mảng, ñồng thời việc
bố trí không gian các phần tử của mảng cũng góp phần nâng cao khả năng xử lý của
hệ thống.

14

Hình 2.3 ðồ thị bức xạ của anten dãy ñối với góc ñến tín hiệu là 0
o

và nhiễu giao thoa là 45
o
.
Từ ví dụ trên ta nhận thấy rằng:
 Mặc dầu có thể ñặt null trực tiếp ñến hướng ñến của tín hiệu nhiễu giao thoa,
song từ ñồ thị bức xạ (hình 2.3) ta thấy ñộ lợi của anten không cực ñại tại hướng
ñến của tín hiệu hữu ích. Như vậy, cần phải có nhiều sự cải tiến trong giải pháp kỹ

nhiên khoảng cách giữa các phần tử trong mảng cũng không ñược nhỏ quá ñể tránh
sự tác ñộng 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
ñồ 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 ñược nhiều cấu trúc không gian khác nhau
và làm giảm ñược nhiễu fading nhiều tia. Mảng này có khả năng lái búp sóng của
mảng về phía tín hiệu cần nhận và tránh hướng ñến của tín hiệu nhiễu .Tín hiệu thu
ñược 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 ñược tại các phần tử khác trong cùng thời gian ñó .Vì thế luôn có một
tín hiệu tốt nhất thu ñược một trong các phần tử của mảng .Nên việc tổ hợp các tín
hiệu thu ñược từ các phần tử trong mảng sẽ làm tăng tỷ số SNR và tăng ñộ 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 ñược truyền ñến
máy thu, chúng ñi qua nhiều ñường khác nhau. Những bản tin sao chép này ñược
tổng hợp lại tại ñầu thu ñể cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Khi các tín hiệu
này ñược truyền theo nhiều ñường khác nhau, sẽ có một ñường truyền không (hoặc
ít) chịu ảnh hưởng bởi nhiễu fading. ðiều này có nghĩa là nếu mỗi ñường truyền
ñều bị ảnh hưởng bởi fading, các tín hiệu ñi theo các ñường khác nhau sẽ có sự khác
biệt rõ rệt. Tại ñầu thu sẽ luôn thu ñược một kênh tín hiệu có ñộ trung thực chấp
nhận ñược. Trong hệ thống CDMA, bộ thu tín hiệu có thể chứa nhiều thiết bị tương
quan nhau ñể phân chia tín hiệu thành nhiều bản giống nhau và làm giảm nhiễu
fading .Bộ thu này ñược gọi là bộ thu Rake, nó ñã ñược dùng nhiều trong hệ thống
mạng thông tin di ñộng 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 ñược dùng ñể 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 ñại tương

−t
e 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 ñường tại bộ thu, song có 3 phương
pháp chính ñó là: Bộ tổ hợp tỷ lệ tối ña (MRC), Bộ tổ hợp cùng ñộ lợi (EGC) và bộ
tổ hợp chọn lọc (SC). Giả thiết rằng, tín hiệu ñến ñược chia thàn L ñường thông qua
L bộ thu. Và ta ký hiệu
i
γ
( i=1,…,L) là tỷ số năng lượng tín hiệu trên nhiễu cho
ñường thứ i.
Như vậy, với kênh truyền Rayleigh fading
i
γ
, sẽ có:


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 ña (MRC)
MRC là một bộ tổ hợp tối ưu. Trong bộ tổ hợp MRC, trọng số của các ñường tín
hiệu ñược xác ñịnh bởi sự tổ hợp của các ñường fading. MRC là một bộ tổ hợp tối

0
/
!
1
.1
γ
γ
γ
(2.23)
2.6.1.3 Bộ tổ hợp cùng ñộ 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 ñịnh trọng số cho từng nhánh tín hiệu. Tức là, trọng
finger#L
finger#1
finger#2
Bộ tổ hợp RAKE
∫

∫

∫

Tín hiệu ra
17
số cho từng nhánh tín hiệu ñều giống nhau. EGC chỉ thích hợp cho các kỹ thuật ñiều
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 ñể xử lý tín hiệu
trên cả 2 miền thời gian và không gian. Hình 2.5 mô tả cấu trúc và nguyên lý hoạt
ñộng của bộ thu Beamformer-Rake. Nó chứa một mảng các anten thu, tín hiệu thu


T
ổ hợp không gian

W
L

∫
∫
∫
Bộ tổ hợp Rake
(
)
1
*
τ
−te

(
)
1
*
τ
−te

(
)
2
*
τ


19
CHƯƠNG 3
CÁC KỸ THUẬT BEAMFORMING

3.1 Giới Thiệu
Trong chương này sẽ giới thiệu những kỹ thuật khác nhau có thể ñược áp dụng
cho Beamforming trong hệ thống mạng thông tin di ñộng tổ ong CDMA và hệ
thống OFDM. Ba kỹ thuật chính ñược giới thiệu trong chương này là: tối ưu tỉ số tín

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)
ðể tìm ñược tỷ số SNR tại ñầu ra, ta cần tính công suất tín hiệu và nhiễu tại ñầu ra
của bộ Beamformer.
Công suất của tín hiệu tại ñầu ra của beamformer như sau (giả thiết rằng tín hiệu
chưa ñược xử lý ):

là vector
trọng lượng của mảng N anten.
20
Tương tự, công suất của nhiễu tại ñầu ra của beamformer là :

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

ww
wRw
SNR
H
n
ss

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

θ
,vector tín hiệu có thể ñược viết như sau
:

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

(
)
)()(
2
d
H
d
ss
aadER

,vector ñáp ứng cho MSNR ñược cho như sau :
21

)(
0
θ
ζ
aw
MSNR
=
(3.13)
Từ phương trình (3.13) ta nhận thấy. Nếu không có nhiễu tác ñộng vào thì bằng
phương pháp ñịnh pha cho từng tín hiệu ñến các phần tử của mảng, ta sẽ xác ñịnh
ñược giá trị lớn nhất của SNR. Ngoài ra MSNR beamforming có thể ñược hỗ trợ
bởi các giải pháp tính toán trực tiếp (DF). Tuy nhiên kỹ thuật DF không ñược áp
dụng rộng rãi. Hơn thế nữa kỹ thuật DF luôn luôn ñòi hỏi số lượng tín hiệu ñến (bao
gồm cả nhiễu giao thoa phải ít hơn số lượng anten trong mảng ). ðiều này không
thể ñáp ứng ñược 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 ñịnh ma trận hiệp phương sai (
ss
R
) của
tín hiệu ñến ñể thực hiện bài toán SE. Tuy nhiên rất khó ñể tách tín hiệu khỏi nhiễu
và tính
ss
R
. Nếu như có thể tách ñược tín hiệu khỏi nhiễu thì lúc ñó ta không cần
phải có Beamforming nữa. Vì thế, có một kỹ thuật thay thế mà không cần ñòi hỏi
phải lượng tính ma trận hiệp phương sai của tín hiệu

không 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 ñổi theo tín
hiệu làm cho không gian con (của tín hiệu và nhiễu )chỉ trực giao ñến tín hiệu nhiễu
.
Nếu nhiễu lấn át tín hiệu, thì giá trị riêng lớn nhất sẽ không ñáp ứng cho tín hiệu
ñược nữa và ñối với vector riêng ở biểu thức (3.16) cũng không còn là vector trọng
số ñối với MSNR nữa. Tuy nhiên trong môi trường CDMA, ñiều này không thường
xảy ra bởi vì ñã có quá trình xử lý ñộ lợi và kỹ thuật ñiều khiển công suất. Các bộ
thu trong CDMA là những thiết bị có nhiều bộ tương quan với nhau. ðầu 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 ñược tính ñược tại ngỏ ra của
các bộ tương quan từ ñó tìm ñược MSNR cực ñại.
Trong phần trước chúng ta ñã phân tích về tín hiệu nhiễu và tiếng ồn ,và giả thiết
rằng nhiễu ñó 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)
22
Trong ñó
'
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 ñáp ứng cho giá trị riêng lớn nhất của tín
hiệu thu ñược không ñáp ứng ñược cho vector trọng số MSNR. Tuy nhiên vấn ñề
này ñược ñề cập ñến một khi cấu trúc không gian của tín hiệu giao thoa ñược tính

ρ
=
∧
với
ρ
là một hệ số vô hướng. SNR tại ngõ ra của beamformer ñược
cho như sau:

∧∧
∧∧
=
ww
wRw
SNR
H
MSNRn
ss
H
2
'
σ
(
)
(
)
( ) ( )
MSNR

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 ñại giá trị SNR và không có liên quan
ñến 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 ñiều chế pha ,
không có bộ tách sóng coherent.

23


ss
H
s
=
(3.21)
Ở ñây
(
)
H
ss
ssER =
là ma trận hiệp phương sai của vector tín hiệu
s
.
Tương tự, năng lượng của tín hiệu không mong muốn tại ngỏ ra của mảng là:

wRwuwEP
uu
HH
u
=






=
2
(3.22)

wR
uu
uu
H
ss
H
ss








=
(3.24)
Giá trị của
wRw
wRw
uu
H
ss
H
giới hạn trong bởi giá trị riêng lớn nhất và nhỏ nhất của ma
trận ñối xứng
ssuu
RR
1−
.Giá trị riêng lớn nhất là

=
(3.26)
Chúng ta có thể thấy rằng ma trận hiệp phương sai của nhiễu giao thoa và tiếng ồn
ñã ñược giới thiệu trong biểu thức trước ñược dùng ñể xác ñịnh cấu trúc không gian
của tín hiệu nhiễu .Ma trận
uu
R
cũng ñược dùng trong việc xác ñịnh vector trọng số
bằng cách giải bài toán giá trị riêng
wwR
ss
λ
=
.MSINR beamforming có thể ñược
xem là kỹ thuật xác ñịnh giá trị lớn nhất của SNR trong trường hợp nhiễu tác ñộng
là nhiễu màu, hay MSNR beamforming là trường hợp ñặc biệt của MSINR trong
ñiều kiện nhiễu tác ñộng là nhiễu không gian trắng.
Trong việc phân tích sau ñây, nếu tín hiệu ñến ñược xác ñịnh bởi góc tới là
d
θ

,ma trận hiệp phương sai của tín hiệu ñược biết như sau :

(
)
),()(
2
d
H
d

)(
λ
θ
ξ
MSINd
H
wadE
=
,Vector trọng số MSINR ñược cho như sau

).(
0
1
R
θξ
aRw
uu
MSIN
−
=
(3.29)
Một lần nữa ta có thể nhận thấy rằng ma trận hiệp phương sai (của nhiễu giao thoa
và tiếng ồn ) cùng với vector trọng số MSNR ñược dùng ñể tính trọng số MSINR.
Như thế biểu thức cho vector trọng số dễ dàng ñược thay ñổi theo góc tới của các
ñường tín hiệu khác nhau.
3.3.2 Xác ñịnh giá trị cực ñại của tỉ số tín hiệu trên nhiễu (MSINR)
Nếu tín hiệu thu ñược bao gồm cả nhiễu giao thao và tiếng ồn, ma trận hiệp
phương sai của tín hiệu thu ñược biểu diễn như sau :

uussxx

muốn.
3.4 Kỹ thuật MMSE Beamforming
Kỹ thuật MMSE (Minimum Mean Squared Error) ñược dùng ñể tìm ra giá trị
của vector trọng lượng
MMSE
w
mà làm cực tiểu sự sai lêch giữa tín hiệu mẫu ban ñầu
với tín hiệu tổ hợp. Sự sai ñó ñược ñịnh nghĩa bởi phương trình sau :

),()()(
kxwkdke
H
−=
(3.33)
Với d là một mẫu tín hiệu tại anten ñầu tiên,
w
là vector trọng lượng của mảng,
x
là vector tín hiệu thu ñược tại mảng anten , k biểu thị cho mẩu tín hiệu ñang xét .
Vì thế MMSE ñược cho như sau

[
]
2
)(
keEJ
=
(3.34)
Từ 3.33 ta viết lại như sau :


*
2
+−−=
(3.35)

[
]
wRwrwwrkdE
xx
H
xd
HH
xd
+−−=
2
)(Với
[
]
)()(
kxkxER
H
xx
=
là ma trận hiệp phương sai của tín hiệu ,
[
]
)()(

.
Vì thế ta có thể viết

0|)(
=
∇
MMSE
w
J
(3.37)

022
=
+
−
MMSE
xx
xd
wRrxd
MMSE
xx
rwR
=
⇒
(3.38)
Từ 3.38 ta có thể viết lại như sau :