Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

KỸ THUẬT TÁCH TÍN HIỆU ĐA NGƯỜI DÙNG
CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN SỬ DỤNG
KHÓA DỊCH MÃ TUẦN HOÀN
Nguyễn Thị Thu*, Bồ Quốc Bảo
Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu một hệ thống thông tin vô tuyến đa người dùng sử
dụng kỹ thuật khóa dịch mã tuần hoàn (Cyclic Code Shift Keying − CCSK) đã được
đề xuất trước đây. Dựa trên tính chất cận trực giao của chuỗi trải CCSK sẽ được sử
dụng cho mỗi người dùng, chúng tôi đề xuất một phương pháp tách tín hiệu đa
người dùng kết hợp bộ lọc phối hợp và tách tín hiệu tuyến tính theo tiêu chuẩn sai
số bình phương trung bình cực tiểu. Hiệu năng của hệ thống dựa trên tỉ lệ lỗi bit
(Bit Error Rate – BER) được đánh giá thông qua mô phỏng và so sánh với hệ thống
đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), hệ thống khóa dịch không gian thời gian
đa người dùng (MU-STCSK). Kết quả cho thấy hệ thống đề xuất đạt được hiệu năng
tốt hơn so với hệ thống CDMA, đồng thời có tính bảo mật tốt hơn.
Từ khóa: Thông tin vô tuyến; Khóa dịch mã tuần hoàn; Tách đa người dùng.

1. MỞ ĐẦU
Với sự phát triển không ngừng của khoa học và kỹ thuật luôn song hành với sự phát
triển các ứng dụng truyền thông vô tuyến kèm theo đó là tài nguyên phổ tần vô tuyến ngày
càng khan hiếm. Đây là bài toán đặt ra cho cả hệ thống thông tin quân sự và thông tin dân
dụng, đòi hỏi phải có các giải pháp truyền dẫn có hiệu quả tận dụng nguồn tài nguyên phổ
tần vô tuyến hiện có. Bên cạnh đó, các hệ thống thông tin vô tuyến nói chung và các hệ
thống thông tin quân sự nói riêng còn đòi hỏi phải có khả năng bảo mật vô tuyến tốt để
chống lại hiện tượng bị thu chặn trên môi trường không gian. Điều này đòi hỏi phải có các
giải pháp vô tuyến tiên tiến phải đáp ứng đồng thời các yêu cầu về hiệu suất sử dụng phổ
tần với mức độ bảo mật vô tuyến tốt. Trong những thập niên vừa qua, đã có một loạt giải
pháp được nghiên cứu để đáp ứng các yêu cầu này.
Để đáp ứng các yêu cầu của người dùng, các hệ thống thông tin vô tuyến đa truy nhập
phân chia theo mã (Code Division Multiple Access - CDMA) tất cả các người sử dụng

Tuy nhiên, tại máy thu để đáp ứng môi trường đa người dùng, hệ thống MU-CCSK cần
được thiết kế cùng với các phương pháp tách tín hiệu đa người dùng sao cho giảm thiểu
được xuyên nhiễu đồng kênh giữa các người dùng với nhau. Vì vậy, chúng tôi đề xuất sử
dụng phương pháp kết hợp bộ lọc phối hợp với tách tín hiệu tuyến tính theo tiêu chuẩn sai
số bình phương trung bình cực tiểu (Minimum Mean Square Error - MMSE) để tách tín
hiệu đa người dùng, trước khi sử dụng bộ tách tương quan để giải điều chế CCSK.
Đề xuất của chúng tôi góp phần mở ra một hướng nghiên cứu thực tế giải quyết bài
toán nâng cao độ bảo mật vô tuyến cho các hệ thống đa người dùng mà vẫn giải quyết
được nhược điểm của hệ thống đề xuất trong [1], [6].
Các kết quả mô phỏng tỉ lệ lỗi bít (Bit Error Rate –BER) theo phương pháp MonteCarlo minh chứng cho thấy, giải pháp tách đa người dùng cho phép cải thiện phẩm chất
BER của hệ thống rõ rệt so với hệ thống CDMA [6] với cùng số người dùng và độ dài
chuỗi trải tương đương, nâng cao tính bảo mật cũng như hiệu suất sử dụng tài nguyên phổ
tần vô tuyến.
Những đóng góp mới của chúng tôi trong bài báo này có thể được tóm tắt như sau:
 Đề xuất hệ thống thông tin vô tuyến đa người dùng mới gọi là hệ thống đa người
dùng khóa dịch mã tuần hoàn cho phép tận dụng nguồn tài nguyên phổ tần vô
tuyến, giải quyết vấn đề tài nguyên phổ tần hạn chế.
 Hệ thống MU-CCSK đề xuất cho phép chia sẻ chung băng tần truyền dẫn.
 Hệ thống MU-CCSK đề xuất cho phép nâng cao tính bảo mật hơn so với hệ thống
CDMA.
Bài báo có cấu trúc gồm 4 phần. Sau phần mở đầu, chúng tôi sẽ trình bày mô hình hệ
thống MU-CCSK trên kênh pha-đinh Rayleigh ở mục 2. Mục 3 trình bày phương pháp
tách tín hiệu đa người dùng sử dụng cho hệ thống MU-CCSK. Các kết quả mô phỏng và
đánh giá hiệu quả của hệ thống đề xuất MU-CCSK được phân tích ở mục 4. Cuối cùng,
các kết luận và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo được rút ra ở mục 5.
2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG MU-CCSK
Chúng tôi xét một hệ thống đa người gồm U người dùng, mỗi người dùng sử dụng kỹ
thuật khóa dịch mã tuần hoàn CCSK để liên lạc với trạm gốc qua kênh pha-đinh Rayleigh
phẳng. Mỗi người dùng được giả thiết sử dụng Nt ăng-ten, trong khi trạm gốc có Nr ăng-ten.
Kênh truyền giữa mỗi người dùng và trạm gốc được giả thiết chịu ảnh hưởng của pha-đinh

h1

b1 m 

1

b1

1

b2

s1 t 

1

b3

ms  3

c1 l 

bU m 

dU


b1 m 

d1

70

N. T. Thu, B. Q. Bảo, “Kỹ thuật tách tín hiệu đa người dùng … khóa dịch mã tuần hoàn.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ
L 1

gu (t ) 

 cu (l )p(t  lTc ), 0  t  T

(1)

l 0

trong đó: cu (l ) - chuỗi PN của người dùng thứ u , p(t ) - xung có độ rộng Tc với Tc và T
tương ứng là thời gian của một chip và một symbol. Không mất tính tổng quát, chúng tôi
giả thiết rằng tất cả U dạng sóng này được chuẩn hóa sao cho giá trị tự tương quan của
chúng bằng 1.
Giả thiết chuỗi dữ liệu phát chứa các tổ hợp m s bit là {bu (m ), 1  m  M } , trong đó
bu (m )  {1, 0} . Các tổ hợp chuỗi nhị phân này được chuyển thành các số nguyên
m
{a u (n ), 1  n  N } trong đó: N  M / m s và au (n )  {0,1,..., 2 s  1} . Như vậy,

dạng sóng của tín hiệu phát băng gốc tương đương có thể biểu diễn ở dạng:
N

su t   Eu  au n   gu t  nTc 



trong đó, { u } ký hiệu trễ truyền dẫn với: 0   u  T cho 1  u  U .
Kênh truyền giữa người dùng u và máy thu được giả thiết chịu ảnh hưởng của phađinh Rayleigh phẳng không tương quan. Ký hiệu hu (t ) là hệ số kênh truyền giữa ăng-ten
của người dùng u với máy thu. Trong khoảng thời gian một symbol có thể biểu diễn kênh
truyền giữa người dùng u và máy thu như sau: hu (t )  huT (t ) .
Để đơn giản, chúng tôi giả thiết truyền dẫn đồng bộ giữa các người dùng sao cho:
 1   2  ...  U  0 . Dưới giả thiết này có thể đủ để xem xét tín hiệu thu trong một
khoảng thời gian tín hiệu và tín hiệu thu có thể được biểu diễn lại như sau:
U

y t    Eu huT t au 1  gu t   z t 
u 1
U

  Eu hu t au 1  gu t   z t , 0  t  T

(5)

u 1

trong đó, z (t ) ký hiệu tạp âm Gauss trắng với kỳ vọng bằng không và phương sai

z2 .

Tại máy thu, tín hiệu thu được đưa qua một bộ lọc phối hợp để phân tách người dùng.
Đầu ra của nhánh bộ lọc thứ u được cho bởi công thức sau:

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019

71

công thức sau:
y  RAd  z
(8)
trong đó: R - Ma trận tương quan chéo, kích thước UxU, A = diag  E1 , E2 ,...., EU  là
ma trận đường chéo chứa biên độ tín hiệu phát của U người dùng và d  Ha  . Ở đây, H Ma trận kênh truyền tổng cộng của U người dùng được cho bởi: H = diag  h1, h2 ,...., hU  ,
a   [a1, , a 2 ,  , aU ]T là vectơ chứa đầu ra của các nhánh bộ lọc.

3. TÁCH TÍN HIỆU ĐA NGƯỜI DÙNG CHO HỆ THỐNG MU-CCSK
Từ phương trình hệ thống ở trên có thể thấy, tín hiệu đầu ra từ các nhánh bộ lọc phối
hợp có dạng biểu diễn tương tự như trong hệ thống DS-CDMA. Ngoài ra, trong trường
hợp tổng quát R không phải là ma trận đường chéo do còn tồn tại xuyên nhiễu giữa các
người dùng phát sinh do mã trải không hoàn toàn trực giao. Vì vậy, để thực hiện tách được
tín hiệu của mỗi người dùng cần sử dụng thêm một bộ tách tín hiệu đa người dùng sau bộ
lọc phối hợp. Với mô hình thu được ở (8), với mục tiêu đạt được hiệu năng BER tốt trong
khi không đòi hỏi độ phức tạp tính toán cao, chúng tôi lựa chọn bộ tách tín hiệu tuyến tính
MMSE để sử dụng, chúng tôi đề xuất thực hiện chia tách tín hiệu thành 2 giai đoạn. Thứ
nhất, sử dụng bộ tách MMSE để tách ra vectơ tín hiệu phát tương đương d trong điều kiện
không cần thông tin về kênh truyền. Phương pháp tách này còn được gọi là phương pháp
kết hợp sau khi tách (Post-Combining MMSE) [6]. Tiếp theo, sau khi đã tách được tín hiệu
cho từng người dùng, chúng tôi sử dụng phương pháp giải điều chế CCSK [1] để tìm ra
chuỗi tín hiệu phát.
Trong phương pháp tách MMSE, máy thu sử dụng một ma trận trọng số W kết hợp với
vectơ tín hiệu thu y để thu được vectơ ước lượng dˆ sao cho sai số bình phương trung
bình E {| d - dˆ |2 } đạt cực tiểu. Ma trận trọng số tối ưu tìm được theo điều kiện này [6]
được xác định như (9).



W = R  z2A2


N. T. Thu, B. Q. Bảo, “Kỹ thuật tách tín hiệu đa người dùng … khóa dịch mã tuần hoàn.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

quan như trong [3]. Từ đây, máy thu thực hiện phép quyết định sau để xác định luồng bít
dữ liệu nhị phân đầu ra.
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Để làm rõ hiệu quả của giải pháp đề xuất cho hệ thống MU-CCSK đề xuất, chúng tôi
thực hiện mô phỏng Monte-Carlo qua phần mềm Matlab. Mô phỏng được thực hiện với số
ăng-ten phát là Nt = 1, số ăng-ten thu Nr =1. Số chip sử dụng cho MU-CCSK là 32 chip/5
symbols trong khi đó của CDMA tương ứng là 31chip/symbol, số chip sử dụng cho MUSTCSK là 32 chip/5 symbols. Kênh truyền được giả thiết là kênh pha-đinh Rayleigh phẳng
biến đổi chậm. Máy thu được giả thiết biết đầy đủ thông tin trạng thái kênh. Các hệ thống
MU-CCSK, MU-STCSK và MU-CDMA đều sử dụng cùng cùng phương pháp tách tín
hiệu đa người kết hợp bộ lọc phối hợp và MMSE giống như trong [6].
Hình 2 biểu diễn kết quả mô phỏng đặc tính BER cho hệ thống đề xuất một ăng-ten
phát và một ăng-ten thu, viết tắt là (1,1), trường hợp một người dùng và mười người dùng.
Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống đề xuất đạt được phẩm chất BER vượt trội so với hệ
thống MU-STCSK do đường đặc tính BER có độ dốc lớn hơn. Điều này là do hệ thống đề
xuất cho phép thu được độ lợi xử lý do phương pháp trải phổ CCSK mang lại như trong
[2]. Ví dụ, khi số người dùng là 1, hệ thống đề xuất đạt độ lợi 4 dB tại cùng một tỉ lệ lỗi bít
2x 102 , độ lợi tăng lên theo khi tỉ số Eb/N0 tăng, khi số người dùng là 10, hệ thống đề xuất
đạt độ lợi 6 dB tại cùng một tỉ lệ lỗi bít 3x 102 , độ lợi tăng lên theo khi tỉ số Eb/N0 tăng.

Hình 2. So sánh phẩm chất BER của hệ thống MU-CCSK 32 chip đề xuất
với giải pháp MU-STCSK 32 chip[7].
Hình 3 so sánh hiệu năng BER của giải pháp khi sử dụng bộ tách đề xuất trường hợp
tăng số người dùng lên hai mươi và ba mươi người dùng với giải pháp MU-STCSK. Kết

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019


N. T. Thu, B. Q. Bảo, “Kỹ thuật tách tín hiệu đa người dùng … khóa dịch mã tuần hoàn.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Hình 4. So sánh phẩm chất BER của hệ thống MU-CCSK 32 chip đề xuất
với giải pháp CDMA 31 chip khi tăng số người dùng.
5. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một hệ thống khóa dịch mã tuần hoàn đa người
dùng (MU-CCSK) trên cơ sở kỹ thuật khóa dịch mã tuần hoàn. Tương tự như hệ thống
CDMA, hệ thống đề xuất gán cho mỗi người dùng một mã trải gần trực giao để thực hiện
điều chế tín hiệu phát đi. Lợi dụng tính chất cận trực giao của các mã điều chế, chúng tôi
xây dựng bộ tách tín hiệu đa người dùng sử dụng kết hợp lọc phối hợp và tách tín hiệu
tuyến tính MMSE. Bộ tách tín hiệu đề xuất cho phép phân tách tốt tín hiệu của các người
dùng, vì vậy giúp nâng cao phẩm chất của hệ thống. So sánh với hệ thống CDMA và MUSTCSK hệ thống MU-CCSK đạt được ưu điểm về hiệu năng BER tốt hơn, đồng thời nâng
cao tính bảo mật hơn so với hệ thống CDMA [1]. Hạn chế của hệ thống MU-CCSK là có
độ phức tạp xử lý cao hơn kỹ thuật CDMA do thực hiện giải điều chế CCSK. Tuy nhiên,
hiện nay, do các thiết bị thông tin vô tuyến tiên tiến đều đã tích hợp mạch phần cứng có tài
nguyên tính toán lớn và tốc độ xử lý cao nên hệ thống MU-CCSK có thể thích hợp cho
các hệ thống thông tin vô tuyến đa người dùng tiên tiến với độ bảo mật cao hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. G. M. Dillard and et al., “Cyclic code shift keying: A low probability of intercept
communication technique”, IEEE Trans. Aerospace and Electronic System, vol. 39,
No. 3, pp. 786–798, 2003.
[2]. D. T. Tran and X. N. Tran, “Performance evaluation of CCSK transmission systems
over Rayleigh fading channel”, J. of Sci. and Military Technology, vol 15, pp. 59–63,
October 2011.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019

Nhận bài ngày 13 tháng 5 năm 2019
Hoàn thiện ngày 06 tháng 6 năm 2019
Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 6 năm 2019
Địa chỉ: Đại học Công nghiệp Hà Nội.
*
Email:

76

N. T. Thu, B. Q. Bảo, “Kỹ thuật tách tín hiệu đa người dùng … khóa dịch mã tuần hoàn.”