Nguyễn Thị Diệu hồng

Bộ Giáo dục v đo tạo
Trờng đại học bách khoA h nội
-------------------------------------

Luận văn Thạc sĩ khoa học
Kỹ thuật điện tử

Ngành : kỹ thuật điện tử

Quá trình xử lý không gian v thời
gian trong hệ thống CDMA

Nguyễn Thị DiƯu Hång
2004 - 2006

Hµ Néi
2006

Hµ Néi -2006


Bộ giáo dục đo tạo
Trờng đại học bách khoa h nội
-------------------------------------------

Luận văn thạc sĩ khoa học

Quá trình xử lý không gian vµ thêi
gian trong hƯ thèng CDMA

Ngµnh : kü tht ®iƯn tư
M∙ sè: 50 62 70

Ngun ThÞ diƯu Hång

Ng−êi h−íng dẫn khoa học : PGS-TS. PHạm minh Hà

Hà nội 2006


Lời nói đầu
Với nhiều anten, các tín hiệu thu và phát có thể đợc phân tách không chỉ bằng
quá trình xử lý thời gian mà cả quá trình xử lý không gian. Chúng ta có thể gọi
chung quá trình xử lý thời gian và quá trình xử lý không gian là quá trình xử lý
không gian - thời gian STP. STP là cách để cải thiện toàn bộ tính kinh tế và hiệu
quả của hệ thống thông tin tế bào số thông qua khai thác việc sử dụng phân tập
anten. Các cải thiện này có thể ảnh hởng đáng kể đến toàn bộ đặc tính của mạng
vô tuyến.
STP tại bộ thu cải thiện tỷ số tín hiệu và nhiễu thông qua việc giảm thiểu nhiễu
đồng kênh, giảm fađing thông qua việc cải thiện sự phân tập đầu thu, cung cấp tỷ
số S/N cao hơn bằng cách khuyếch đại mảng và giảm nhiễu giữa các ký tự do sử
dụng bộ cân bằng không gian. Cũng nh vậy, STP tại bộ phát giảm việc phát
nhiễu liền kênh, cải thiện việc phân tập phát và trong một số trờng hợp tối thiểu
hoá việc phát nhiễu giữa các ký tự. Ngoài ra, việc sử dụng các mà không gianthời gian có thể tăng khả năng truyền dẫn của kênh vô tuyến vốn luôn bị giới hạn
bởi tài nguyên băng tần.
Trong thông tin vô tuyến, các tín hiệu thờng bị phụ thuộc vào nhiễu liền ký tù
cịng nh− gi÷a nh÷ng ng−êi sư dơng víi nhau. Trong luận văn sẽ đề cập đến các
bộ cân bằng hồi tiếp quyết định không gian-thời gian và các bộ ớc tính kênh
không gian và thời gian liên quan đến kênh không gian và thời gian với mô hình

nhiều đầu vào và nhiều đầu ra MIMO. Gắn liền với các mô hình MIMO các mÃ
không gian-thời gian nhằm cải thiện đặc tính hệ thống (cả khả năng truyền dẫn
và sự phân tập) cũng đợc trình bày.
Nh vậy những thành phần của STP xẩy ra lần lợt từ phía phát, kênh truyền và
cuối cùng là ở phía thu sẽ đợc đề cập đến trong luận văn. Để đánh giá và tìm
hiểu cấu trúc và hiệu năng của hệ thống sử dụng STP với mô hình MIMO, một
mô hình mô phỏng với những thuật toán của quá trình STP và giới hạn về việc
ớc tính kênh là lí tởng sẽ đợc thực hiện. Thông qua mô phỏng, sự so sánh

i


giữa kết quả mô phỏng và những kết quả thực nghiệm sẽ đợc thực hiện từ đó có
thể rút ra đợc những kết luận cho việc hiện thực hóa hệ thống với những giới
hạn và sự tối u về độ phức tạp (giá thành) và chất lợng (tốc độ và BER). Với
những nội dung nh đà đề cập ở trên luận văn sẽ chia ra làm 3 chơng:
Chơng I: Xử lý không gian và thời gian trong thông tin vô tuyến sẽ trình
bày khái quát chung về khái niệm STP và những quá trình cụ thể xẩy ra tại
hai đầu thu phát và trên kênh vô tuyến.
Chơng II: STP trong hệ thống 4G sẽ trình bày sơ lợc về lịch sử phát triển
của các hệ thống thông tin di động và khẳng định xu hớng phát triển của
các hệ thống với việc sử dụng STP. Tiếp sau đó việc áp dơng STP trong hƯ
thèng thÕ hƯ thø 4 4G (tiªn tiến nhất đợc biết cho đến thời điểm này) sẽ
đợc đề cập.
Chơng III : Mô phỏng hệ thống sẽ trình bày mô hình và những tham số và
những kết quả và đánh giá.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với các thầy giáo khoa ĐTVTĐHBKHN đà hết lòng giảng dạy và trang bị kiến thức cho tác giả trong những
năm vừa qua, đặc biệt là PGS-TS Phạm Minh Hà đà tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tác
giả hoàn thành luận văn này. Do thời gian và trình độ bản thân còn hạn chế nên
chắc chắn không tránh khỏi những thiếu xót trong luận văn, rất mong sự đóng

góp ý kiến của các thầy giáo và các b¹n.

ii


Mục lục
Lời nói đầu ........................................................................................................i
Mục lục............................................................................................................iii
Danh mục hình vẽ........................................................................................ v
Danh mục bảng biểu ............................................................................... vii
Danh sách Từ viết tắt........................................................................... viii
Danh mơc kÝ tù ........................................................................................... xii
Ch−¬ng 1: Tỉng quan vỊ Xư lý không gian và thời gian ........ 1
1.1 Định nghĩa và phân loại quá trình xử lý không gian và thời gian (STP) ...... 1
1.1.1 Định nghĩa .............................................................................................. 1
1.1.2 Phân loại theo kiến trúc .......................................................................... 2
1.1.3 Phân loại theo thuật toán ........................................................................ 4
1.2 Ước tính kênh .............................................................................................12
1.3 Cân bằng .....................................................................................................16
1.3.1 Căn bản về quá trình cân bằng .............................................................16
1.3.2 Phân loại các kỹ thuật cân bằng ...........................................................17
1.4 Xử lý mảng..................................................................................................19
1.4.1 Giới thiệu chung ...................................................................................19
1.4.2 Lọc hớng.............................................................................................20
1.5 MÃ không gian và thời gian STC ................................................................24
1.5.1 Nguyên lý của STC...............................................................................26
1.5.2 Tiêu chuẩn đặc tính của STC................................................................27
1.5.3 Hệ thống sử dụng STC..........................................................................28
1.5.4 Giảm độ phức tạp mà hoá của STC .....................................................31
1.6 Hệ thống MIMO .........................................................................................37

1.6.1 Khả năng của hệ thống MIMO.............................................................37

iii


1.6.2 Kênh MIMO .........................................................................................39
Chơng 2: STP trong hệ thống 4g.......................................................42
2.1 Con đờng phát triển của hệ thống thông tin di ®éng ................................42
2.1.1 HƯ thèng tr−íc 4G ................................................................................43
2.1.2 HƯ thèng 4G .........................................................................................51
2.2 Xử lý không gian và thời gian trong hệ thống 4G. .....................................52
2.2.1 Mạng 4G và môi trờng vô tuyến hỗn hợp. .........................................52
2.2.2 Lớp vật lý và đa truy nhập ....................................................................56
2.2.3 Đặc tính kênh cho hệ thống 4G............................................................60
Chơng 3: Mô phỏng hệ thống .............................................................70
3.1 Mục tiêu và giới hạn ...................................................................................70
3.1.1 Mục tiêu................................................................................................70
3.1.2 Giới hạn ................................................................................................70
3.2 Mô hình mô phỏng......................................................................................72
3.2.1 Bộ mà hoá và giải mà hoá không gian thời gian. .................................72
3.2.2 Ghép xen và giải ghép xen ký tự. ........................................................73
3.2.3 Tx MC-CDMA .....................................................................................75
3.2.4 Mô phỏng kênh.....................................................................................76
3.2.5 Xử lý mảng anten .................................................................................77
3.2.6 Tham số của hệ thống...........................................................................77
3.3 Kết quả và đánh giá ....................................................................................78
Kết luận ..........................................................................................................81
Tài liệu tham khảo....................................................................................82
Phụ lục A: Cấu tróc bé m∙ hãa STCM ...............................................85
Phơ lơc B: ®é phøc tạp của hệ thống sử dụng STC....................86

B.1 Định lý cơ sở...............................................................................................86
B.2 Độ phức tạp của STC ..................................................................................86

iv


Danh mục hình vẽ
Hình 1.1 Phân loại STP .......................................................................................... 2
Hình 1.2 Phân loại STP theo kiến trúc. .................................................................. 3
Hình 1.3 Cấu trúc đờng truyền với số anten khác nhau tại phía thu và phát........ 4
Hình 1.4 Phân loại STP theo thuật toán.................................................................. 5
Hình 1.5 Phân loại thuật toán thu TDMA sử dụng STP trờng hợp đơn và đa
ngời dùng.............................................................................................................. 8
Hình 1.6 C¸c tht to¸n thu CDMA sư dơng STP trong trờng hợp đơn và đa
ngời dùng............................................................................................................11
Hình 1.7 Mô hình của kênh thông tin vô tuyến vô hớng...................................13
Hình 1.8 Phân loại các bộ cân bằng. ...................................................................18
Hình 1.9 Mảng các cảm biến để xác định đặc tính không gian-thời gian của
trờng sóng...........................................................................................................19
Hình 1.10 Nguyên lý bộ lọc hớng trễ-và-cộng...................................................22
Hình 1.11 Nguyên lý bộ lọc hớng lọc-và-cộng. .................................................23
Hình 1.12 Sơ đồ khối tham chiếu cho mà hoá và giải mà hoá không gian-thời
gian [8] . ...............................................................................................................26
Hình 1.13 Sơ đồ khối của hệ thống CDMA phân tập phát sử dụng STC [14] .....30
Hình 1.14 (a) Nguyên lý của mà không gian-thời gian tầng, (b)Thứ tù trun cđa
m· HLST, (c)Thø tù trun cđa m· DLST [3] ....................................................33
Hình 1.15 Cấu trúc tầng của một ma trận tõ m· LST (a) HLST, (b) DLST, [3] .35
H×nh 1.16 Nguyên lý của việc kết hợp xử lý mảng và STC. ................................37
Hình 1.17 Tái tạo kênh MIMO trong miền góc. ..................................................40
Hình 2.1 Sự phát triển lên 4G từ các công nghÖ WAN .......................................43


v


Hình 2.2 Hệ thống IMT 2000...............................................................................46
Hình 2.3 Môi trờng vô tuyến hỗn hợp trong các mạng 4G ...............................54
Hình 2.4 Kiến trúc của đầu cuối hoạt động trong môi trờng vô tuyến hỗn hợp 55
Hình 2.5 Cấu trúc của đầu cuối hoạt động với khái niệm cấu hình lại đợc. ......56
Hình 2.6 ý tởng cơ bản của OFDM. ..................................................................58
Hình 2.7 Sơ đồ hệ thống MC CDMA đa sóng mang............................................59
Hình 2.8 Bản tóm tắt chức năng của kiểu MIMO. ...............................................64
Hình 3.1 Hệ thống mô phỏng đơn giản ................................................................71
Hình 3.2 Hệ thống mô phỏng phức tạp ................................................................73
Hình 3.3 Bộ ghép xen mảng 64 Symbol...............................................................74
Hình 3.4 Tx MC-CDMA trong hệ thống mô phỏng.............................................75
Hình 3.5 Mô hình kênh trong hệ thống mô phỏng...............................................76
Hình 3.6 Hiệu năng của hệ thống 4 ăngten .........................................................79
Hình 3.7 Hiệu năng của hệ thống 4 ăngten với nhiều ngời dùng.......................80
Hình A.1 Lợc đồ chùm và lới của 2-STCM [16]..............................................85
Hình A.2 Bộ m· ho¸ 2-STCM. .............................................................................85

vi


Danh mục bảng biểu
Bảng 2.1 Tổng hợp điều kiện đo đạc trong môi trờng rộng ...............................60
Bảng2.2 Cấu hình hệ thống cho các đo đạc di động trong môi trờng thành phố
..............................................................................................................................64
Bảng 2.3 Các dạng suy hao đờng truyền cho môi trờng thành phố..................65
Bảng 2.4 Các dạng suy hao đờng truyền cho môi trờng ngoại ô và nông thôn 66

Bảng 3.1 Những tham số của chơng trình mô phỏng .........................................77

vii


Danh sách Từ viết tắt
AR

AutoRegressive

Tự nội suy

AWGN

Additive White Gaussian
Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng

MAC

Multiple-Access Channel

Kênh đa truy nhập

BC

Broadcast Channel

Kênh quảng bá


BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

CC

Constituent Code

MÃ thành phần

CDI

Channel Distribution
Information

Thông tin phân bố kênh

CDF

Cumulative Distribution
Function

Hàm phân bố tích luỹ

CDMA

Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mÃ

CDTD

Code Division Transmit
Diversity

Phân tập phát phân chia theo mÃ

CRE

Composite Radio
Environment

Môi trờng vô tuyến hỗn hợp

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

DFE

Decision Feedback
Equalizer

Bộ cân bằng hồi tiếp quyết định


viii


DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DMC

Discrete Memoryless
Channel

Kênh không nhớ rêi r¹c

DOA

Direction Of Arrival

H−íng tíi cđa tÝn hiƯu

DS-CDMA

Direct Spread CDMA

CDMA trải phổ trực tiếp

FDD


Frequency Division Duplex

Song công phân chia theo tần số

FIR

Finite Impulse Response

Đáp ứng xung giới hạn

i.i.d.

Independent identically
distributed

Phân bố xác định độc lập

IC

Interference Cancellation

Khử nhiễu

IDFT

Inverse Discrete Fourier
Transform

Biến đổi Fourier rời rạc ngợc


IIR

Infinite Impulse Response

Đáp ứng xung vô hạn

ISI

InterSymbol Interference

Nhiễu liền ký tự

LE

Linear Equalizer

Bộ cân bằng tuyến tính

LST

Layered Space-Time

Không gian-thời gian tầng

MA

Moving Average

Dịch chuyển trung bình


MAC

Multiple-Access Channel

Kênh đa truy nhập

MAI

Multi Access Interference

NhiƠu ®a truy nhËp

MC-MA

Multicarrier CDMA

CDMA ®a sãng mang

ix


MI

Multiple Input

Nhiều đầu vào

MLSE


Maximum Likelihood
Sequence Estimator

Bộ ớc tính chuỗi giống nhất có thể

MO

Multiple Output

Nhiều đầu ra

OFDM

Orthogonal Frequency
Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao

PSK

Phase Shift Keying

Khoá dịch pha

Rx

Receiver

Phía thu


S/P

Serial to Parallel converter

Bé biÕn ®ỉi nèi tiÕp/ song song

SI

Single Input

Mét đầu vào

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

SO

Single Output

Một đầu ra

SR

Spreading Rate

Tốc độ tán xạ


STCM

Space Time Trellis Code
Modulation

Điều chÕ m· Trellis kh«ng gian-thêi
gian

ST-CM

Space –Time Trellis Code

m· Trellis kh«ng gian-thời gian

STP

Space Time Process

Quá trình xử lý không gian-thời gian

TCM

Trellis Coded Modulation

Điều chế mà Trellis

TDD

Time Division Duplex


Song công phân chia theo thời gian.

TDMA

Time Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo thêi

x


Access

gian

TDTD

Time Division Transmit
Diversity

Phân tập phát phân chia theo thời
gian

Tx

Transmitter

Phía phát


WLAN

Wireless Local Area
Network

Mạng nội hạt vô tuyến

xi


Danh môc kÝ tù
Δt
Δm

ξ
σ n2
Tsampl

Es
cti

α i, j (t )
ηtj
y tj
V (c, e )

V (c, e )

λi
Mc

r
f (x , t )
r
x
y m (t )

ωm
z (t )

Ci

j

d ij

Difference of observation time
Delay for antenna element mth of
antenna array
Propagation direction
Variance of the additive
Gaussian noise
Sampling period
Symbol Energy
The symbol transmitted from
antenna i at time t
The path gain from transmit
antenna i to receive antenna j at
time t
Noise signal at receive antenna j
at time t

Received signal by receive
antenna j at time t
The set of time instances of pairs
c and e
The number of elements in
V (c, e )

The nozero eigenvalues
The number of symbols
available for transmission
Wave field function
Direction vector
Received wave form by antenna
element mth
Amplitude weight for antenna
element mth
Beamformer’s output signal
Spreading code instant ith for
user jth
Transmission data instant ith of
user jth

Thêi gian giám sát
Trễ của phần tử anten thứ m của
mảng anten
Vectơ hớng truyền
Biến của nhiễu Gauss
Chu kỳ lấy mẫu
Năng lợng của ký tự
Ký tự phát từ anten i tại thời

điểm t
Hệ số khuếch đại đờng truyền
từ anten phát i tới anten thu j tại
thời điểm t
Tín hiệu nhiễu tại anten thu j tại
thời điểm t
Tín thiệu thu bởi anten thu j tại
thời điểm t
Tập khoảng thời gian của cặp từ
mà c và e
Số lợng phần tử trong V (c, e )

Số lợng ký tự trên đờng truyền
Hàm trờng sóng
Vectơ hớng
Dạng sóng thu đợc tại phần tử
anten thứ m
Tín hiệu đầu ra bộ beamformer
MÃ trải phổ tại thời điểm thứ i
cho ngời dùng thứ j
Dữ liệu truyền tại thời điểm thứ i
cđa ng−êi sư dơng thø j

xii


fc
fi
j
S MC


K MC
TS
P

BMC

rMC
f Dn

A
B
b
Bc
c
C
C
C
e
E
Lr
Lt
r
R
r
s(t)
Tc
z

Carrier frequency

Subcarrier ith
MC-CDMA symbol of user jth

TÇn sè sãng mang
Sãng mang con thø i
Ký hiƯu MC-CDMA cđa ngời
dụng thứ j
Length of spreading code
Độ dài mà trải phổ
Original MC-CDMA symbol Chu kú ký hiÖu MC-CDMA gèc
duration
Serial to parallel factor
HƯ sè chun ®ỉi nèi tiÕp sang
song song
Frequency bandwidth of MC- Băng tần của hệ thống MCCDMA system
CDMA
Received signal in MC-CDMA Tín hiệu thu đợc trong hệ thống
system
MC-CDMA
Desired-random noise spectrum Phỉ nhiÕu ngÉu nhiªn mong
mn
Matrix constructed from pairs of Ma trận đợc xây dựng từ cặp từ
distinct codewords to evaluate
mà riêng biệt để ớc tính tiêu
performance criteria
chuẩn đặc tính.
Bandwidth of the system
Băng thông hệ thống
The
output

of
discrete Đầu ra của nguồn không nhớ rời
memoryless source
rạc
Coherent bandwidth of channel
Code vector of codeword
Vectơ mà của từ mÃ
Code vector sequence
Chuỗi vectơ mÃ
Matrix of transmitted symbols
Ma trËn cđa c¸c ký hiƯu trun
Matrix of codewords
Ma trËn tõ mÃ
Error symbol
Ký tự lỗi
Error matrix
Ma trận lỗi
Number of receive antennas
Số lợng anten thu
Number of transmit antennas
Số lợng anten phát
Diversity advantage
Received code vector sequence
Chuỗi vectơ mà thu
Received codeword
Từ mà thu
Source signal
Nguồn tín hiệu
Coherent time of channel
The channel state information Chuỗi thông tin trạng tháI kênh

sequence

xiii


Chơng 1: Tổng quan về Xử lý không gian v thời gian

1.1 Định nghĩa và phân loại quá trình xử lý không gian và thời gian (STP)
1.1.1 Định nghĩa
Với nhiều anten, các tín hiệu thu và phát có thể đợc phân tách không chỉ bằng
quá trình xử lý thời gian mà cả quá trình xử lý không gian. Chúng ta có thể định
nghĩa việc sử dụng kết hợp quá trình xử lý thời gian và quá trình xử lý không
gian là quá trình xử lý không gian - thời gian STP. STP là cách để cải thiện mang
tính cách mạng toàn bộ tính kinh tế và hiệu quả của hệ thống vô tuyến số nói
chung và hệ thống thông tin vô tuyến tế bào nói riêng[20].
Với ý tởng kết hợp quá trình xử lý không gian và thời gian với nhau, các quá
trình xử lý tín hiệu trong hệ thống sẽ diễn ra đa dạng và phức tạp hơn rất nhiều so
với kiểu xử lý riêng biệt trớc đây. Để mô tả và gọi tên tất cả các quá trình STP
cụ thể chúng ta sẽ thực hiện việc phân loại nó dựa trên những tiêu chí khác nhau,
trong những phân tiếp theo của mục này và chơng này chúng ta sẽ phân loại gọi
tên và tập trung trình bày theo hớng phân loại theo cấu trúc và trình bày từng
quá trình STP và những quá trình xử lý tín hiệu liên quan (bị thay đổi do STP đÃ
đợc áp dụng ở các phần khác).
Việc phân chia loại các STP đợc thực hiện tuỳ theo các khía cạnh ảnh hởng
khác nhau cđa nã tíi hƯ thèng th«ng tin v« tun. Ta có thể phân loại dựa trên
kiến trúc của hệ thống, bao gåm c¸c thiÕt kÕ kh¸c nhau cho líp vËt lý của mạng
vô tuyến (phần 1.1.2). Ngoài ra, còn có cách phân loại khác dựa trên thuật toán,
đó là các lựa chọn thuật toán xử lý tín hiệu và tiêu chuẩn tối u đánh giá (phần
1.2.3). ảnh hởng cơ bản của các phân loại này tới các đặc điểm của kênh truyền
bao gồm: góc, độ trễ, và trải phổ Doppler.


1


1.1.2 Phân loại theo kiến trúc
Phân loại theo kiến trúc có thể dựa trên các sự lựa chọn khác nhau của cách thiết
kế lớp vật lý của hệ thống vô tuyến mà nó bị ảnh hởng trực tiếp bởi STP. Chúng
ta có thể phân loại theo kiến trúc với ba hớng đợc chỉ ra trong hình 1.2. Thứ
nhất, trong cấu trúc đờng truyền, ta có thể chọn cách và khi nào sử dụng quá
trình xử lý không gian- thời gian trong các phần tử mạng. Thứ đến, trong việc sử
dụng lại kênh truyền, chúng ta có thể chọn việc sử dụng lại phổ tần số (đối với hệ
thống thông tin di động). Cuối cùng, đa truy nhập là mặt quan trọng của lớp vật
lý có thể chịu ảnh hởng của STP.

Quá trình xử lý
không gian thời
gian
(STP)

Kiến trúc

Kênh

Thuật toán

Hình 1.1 Phân loại STP
Cấu trúc đờng truyền
Cấu trúc đờng bắt nguồn từ tất cả các mặt của STP có liên quan đến các đờng
truyền vô tuyến giữa trạm thu và phát. Cấu trúc đờng truyền, lần lợt có thể
đợc phân loại dựa trên số lợng anten tại đầu phát và đầu thu, và cách sử dụng

STP tại trạm thu và trạm phát. Khái niệm về các loại cấu trúc đờng truyền khác
nhau nh là SISO, MISO và MIMO đợc diễn tả trong hình 1.3.
STP tại trạm gốc và đơn vị thuê bao

2


STP sử dụng phân tập anten có thể đợc dùng tại trạm gốc, đơn vị thuê bao hay cả
hai vị trí trên. Sự khác nhau trong môi trờng truyền dẫn, các giới hạn vật lý, sự
bắt buộc về giá cả dẫn đến các sự lựa chọn khác nhau về chủng loại và số lợng
anten tại trạm gốc và đơn vị thuê bao. Các trạm gốc có thể sử dụng các phần tử
phân tập anten dễ dàng hơn do sự thúc ép về kích thớc và giá cả ít hạn chế hơn.
Việc sử dụng phân tập anten là nguồn quan trọng của tính đa dạng khi sự hiệu
chỉnh giữa các phần tử anten không cao. Tại đơn vị thuê bao, do có các bộ tán xạ
nội hạt cung cấp sự giải tơng quan thích hợp với khoảng cách từ 0.3 đến 0.5
chiều dài sóng giữa các anten. Tại các trạm gốc, các bộ tán xạ thờng đợc đặt xa
hơn với khoảng cách từ 5 đến 10 lần chiều dài sóng để thu đợc sự giải tơng
quan tơng tự [20] . Với những lý do trên, số lợng anten, thiết kế các phần tử,
khoảng cách và cấu trúc liên kết mạng là khác nhau tại trạm gốc và tại đơn vị
thuê bao. Ngày nay, STP tại trạm gốc là tiêu điểm chính mặc dù STP tại đơn vị
thuê bao sẽ trở nên khả thi hơn.

Kin trỳc

Cu trỳc
ng truyn

C ch a
truy nhp
S dng li

kờnh

Hình 1.2 Phân loại STP theo kiến trúc.
Thu và phát STP

3


STP có thể đợc sử dụng hoặc chỉ khi phát hoặc chỉ khi thu hoặc trong cả hai
đờng phát và thu. Sự khác nhau giữa hai đờng truyền là rất khó trong việc
quyết định kênh truyền dẫn nào cần truyền STP.
Đặc tính STP trong khi thu và phát có thể rÊt kh¸c nhau tuú thuéc sù kh¸c nhau
trong nhËn biÕt các kênh liên kết. Tại đầu thu, các kênh có thể đợc đánh giá
bằng các phơng pháp blind hoặc non-blind, vì thế các tín hiệu sẽ đợc truyền
qua các kênh trớc khi đợc giám sát tại bộ thu. Đồng thời, nhiễu cũng xuất hiện
tại đầu vào của bộ thu, và có thể đợc lợng tử hoá hoặc bị huỷ bỏ. Nói cách
khác, trong khi truyền kênh truyền sẽ đợc thu sau khi tÝn hiƯu rêi khái m¶ng
anten. ViƯc sư dơng STP trong khi truyền vì thế yêu cầu sự nhận biết trớc về
kênh truyền. Hơn thế nữa, sự nén nhiễu trong truyền dẫn yêu cầu sự nhận biết về
các kênh truyền đối với các thuê bao sử dụng cùng kênh.
Tx

Rx

SISO
MISO

SIMO
Rx


Tx

MIMO

Hình 1.3 Cấu trúc đờng truyền với số anten khác nhau tại phía thu và phát
1.1.3 Phân loại theo thuật toán
Thuật toán của STP có thể đợc phân chia theo cách nó đợc sử dụng cho ớc
tính kênh và trong quá trình xử lý tại phía thu và phía phát, theo h×nh 1.4.

4


1.1.3.1 Thuật toán ớc tính kênh
Ước tính kênh đầu thu
Trong các thuật toán ớc tính kênh đầu thu, chúng ta có thể sử dụng phơng pháp
non-blind hoặc blind. Trong phơng pháp blind, không có các tín hiệu huấn
luyện nên cấu trúc cơ bản của kênh và/hoặc dạng điều chế tín hiệu đợc dùng để
ớc tính kênh . Còn trong các phơng pháp non-blind, các tín hiệu huấn luyện
đợc truyền cùng với các tín hiệu thông tin để có thể ớc tính kênh ở bộ thu.

Thuật
toán

Ước tính
Kênh

Thuật toán
phát
Thuật toán
thu

Hình 1.4 Phân loại STP theo thuật toán.

Trong hệ thống TDMA có chuỗi huấn luyện nên ta có thể sử dụng để ớc tính
kênh. Phần lớn các kênh vô tuyến có thể đợc mô phỏng tốt với bộ lọc FIR thời
gian rời rạc. Cách thông thờng nhất để ớc tính kênh là ớc tính các nhánh
trong bộ lọc FIR bằng phơng pháp bình phơng nhỏ nhất. Phổ của nhiễu và giao
thoa có đợc ớc tính thành bảng kê ma trận mẫu đối với sãng cã hiƯu trƠ thêi
gian kh¸c nhau. Chóng ta cã thể xác định ít nhất năm bảng kê ma trận khác nhau
để ớc tính các đặc tính của nhiễu và kênh.
Nh đà biết, việc lọc thời gian trong bộ phát và bộ thu đợc sử dụng để giảm bớt
số lợng các tham số cần xác định. Điều này có thể cải thiện việc ớc tính kênh,

5


đặc biệt nếu chuỗi huấn luyện là ngắn và xung ở trong bộ thu và bộ phát có
quÃng thời gian dài.
Kênh truyền đợc mô phỏng với các đờng tín hiệu đà đợc biểu diễn bằng tham
số hóa các hớng truyền tới và các hệ số khuếch đại tơng ứng. Các hệ số này
sau đó đợc xác định và đợc sử dụng để thực hiện ớc tính kênh cải thiện. Mặc
dù vậy, tỷ lệ lỗi bit BER của bộ cân bằng không đợc cải thiện ở cùng cấp độ.
Điều này phải thực hiện với thức tế là không phải tất cả các khía cạnh của ớc
tính kênh đều quan trọng.
Số lợng ký hiệu huấn luyện đợc tăng thêm do sử dụng dữ liệu đà lựa chọn để
ớc tính lại kênh và phổ nhiễu cộng giao thoa sau khi khởi tạo cân bằng. Việc
tăng một lợng lớn dữ liệu huấn luyện đà cải thiện các ớc tính cho cả kênh và
phổ của nhiễu cộng giao thoa. Việc này cải thiện sự cân bằng và triệt nhiễu liền
kênh.
Ước tính kênh truyền
Trong ớc tính kênh truyền, hai phơng pháp chính đợc sử dụng là mạch đảo và

hồi tiếp. Trong phơng pháp mạch đảo, trên thực tế ta sử dụng các kênh thu và
kênh phát có cùng tần số và tại cùng một thời điểm là đồng nhất tuỳ theo nguyên
lý của mạch đảo. Do các kênh thu có thể đợc ớc tính nh đà đợc miêu tả trên,
vì thế các kênh phát đôi khi gần đúng khi sử dụng nguyên lý này.
Trong các hệ thống song công phân chia theo tần số FDD, các tần số phát và thu
đợc tách riêng với 4 đến 5 % tần số sóng mang. Các kênh này sau đó đợc đảo,
tuy nhiên, nếu góc của tín hiệu nhỏ thì dấu hiệu không gian của kênh sẽ bằng
xấp xỉ nghịch đảo [7] . Nếu kênh phát không thể xem xét nh mạch đảo, chúng
ta có thể thử tham số hoá các nhánh trong kênh FIR dới các dạng đờng tín
hiệu của các hớng đến và các hệ số khuếch đại. Việc ớc tính này trong kênh
thu có thể đợc biến đổi thành việc ớc tính kênh truyền. Tuy vậy, trong thực tế
điều này có thể là khó sử dụng. Một vấn đề đặt ra là chúng ta cần phải tính toán
chính xác kích cỡ các mảng anten.

6


Trong các hệ thống song công phân chia theo thời gian TDD , kênh thu và phát
đợc tách biệt về mặt thời gian nhng không đợc tách biệt về mặt tần số. Với
nguyên lý này, chúng ta có thể dựa vào mạch đảo và sử dụng các ớc tính kênh
của kênh thu để ớc tính kênh truyền. Mặc dù vậy, chú ý rằng đối với các kênh
thay đổi theo thời gian, mạch đảo chỉ có giá trị nếu thời gian song công nhỏ hơn
nhiều so với thời gian liên lạc đồng nhất. Sự chính xác của việc ớc tính kênh
truyền vì thế phụ thuộc vào kỹ thuật truyền song công và các đặc tính kênh.
Một cách tính gần đúng cho việc ớc tính kênh truyền là sử dụng hồi tiếp. Tín
hiệu thu đợc tại đầu thu đợc đa trở lại đầu phát, điều này cho phép đầu phát
ớc tính kênh. Hoặc có thể chọn các tham số của kênh phát đợc xác định tại
đầu thu đa trở lại đầu phát. Một lần nữa, đặc tính của các kỹ thuật hồi tiếp tuỳ
thuộc vào các đặc điểm kênh và bản chất cđa tht to¸n håi tiÕp.
1.1.3.2 Tht to¸n thu TDMA

Trong TDMA, các nhiệm vụ chính đợc thực hiện bởi một bộ thu không gianthời gian thực hiện sự phân tập thu, cân bằng nhiễu liền ký tự, triệt nhiễu liền
kênh. Chúng ta có thể phân loại các thuật toán TDMA thành STP đợc tách riêng
hoặc chung trong miền không gian và thời gian. Điều này đợc mô tả ở hình 1.5.
Phân tách không gian và thời gian một ngời dùng
Trong STP, chúng ta có thể tách riêng quá trình xử lý không gian và quá trình xử
lý thời gian. Điều này dẫn đến có beamformer không gian trớc và sau là bé xư
lý thêi gian (bé c©n b»ng). Bé xư lý không gian có thể đợc sử dụng để giảm
nhiễu liền kênh trong khi vẫn tối đa hoá phân tập không gian. Đầu ra của bộ xử
lý không gian đợc đa tới bộ xử lý thời gian để giảm nhiễu liền ký tự và khôi
phục sự phân tập thời gian.
Bộ xử lý không gian có thể là beamformer tơng thích đầy đủ cho đến là hệ
thống chuyển mạch chùm tia đơn giản. Các lựa chọn chính của bộ xử lý thời gian

7


là bộ cân bằng tuyến tính LE, bộ cân bằng hồi tiếp quyết định DFE, hoặc bộ ớc
tính mảng giống tối đa MLSE.
Beamformer không gian và bộ cân bằng thời gian có thể hoặc đợc điều chỉnh
riêng biệt, beamformer đợc điều chỉnh trớc rồi đến bộ cân bằng, hoặc chúng
có thể đợc điều chỉnh chung .

TDMA
Đa ngời sử
dụng

Một ngời sử
dụng
Thời gian
không gian

tách biệt

Beamformer
không gian

LE/DFE

Thời gian
không gian
chung

LE/DFE

DFE

MLSE

MLSE

MLSE

Hình 1.5 Phân loại thuật toán thu TDMA sử dụng STP trờng hợp đơn và đa
ngời dùng
Kết hợp không gian thời gian cho một ngời dùng
Khi xuất hiện đồng thời trải rộng độ trễ và góc của tín hiệu yêu cầu, ví dụ nh
không tách biệt khi thực hiện trải rộng trong miền không gian và thời gian, quá
trình xử lý chung không gian và thời gian có nhiều đặc tính thuận lợi. Quá trình
xử lý chung không gian-thời gian chất lợng cao hơn so với các phơng pháp xử

8



lý không gian thời gian tách biệt khi xử lý với trải rộng trễ trong nhiễu liền kênh.
Một số cấu trúc bộ thu đợc đa ra, đợc chia ra thành các bộ cân bằng tuyến
tính không gian-thời gian, các bộ cân bằng hồi tiếp không gian-thời gian, các bộ
MLSE .
Khi điều chỉnh các bộ cân bằng không gian-thời gian sử dụng chuỗi huấn luyện
ngắn, ta sẽ bắt gặp một vấn đề là nếu ta có nhiều phần tử anten, khi đó có thể rất
khó khăn để sử dụng toàn bộ phổ không gian-thời gian của nhiễu cộng giao thoa.
Việc điều chỉnh các bộ cân bằng khi đó dễ trở nên kém chất lợng hoặc kỳ quặc.
Một giải pháp cho vấn ®Ị nµy lµ tËp trung vµo viƯc −íc tÝnh vµ sử dụng phổ
không gian của nhiễu cộng giao thoa. Điều này dẫn đến một bộ cân bằng chỉ nén
nhiễu trong miền không gian. Khi sử dụng nhiều phần tử anten, giải pháp này có
thể đủ tốt. Một giải pháp khác có thể để ớc tính là kiểu tự nội suy AR bËc thÊp
cho phỉ kh«ng gian-thêi gian cđa nhiƠu céng giao thoa. Giải pháp này là thuận
lợi với hai lý do. Thø nhÊt, kiĨu AR cho nhiƠu céng giao thoa đợc ớc tính dễ
dàng hơn so với kiểu trung bình dịch chuyển MA, là hiệu ứng xảy ra khi ớc
tính phỉ víi ma trËn mÉu c¸c −íc tÝnh cđa c¸c sãng hiƯu trƠ kh¸c nhau. Thø hai,
kiĨu AR bËc thÊp ®−a ra nh− c¸c hƯ sè cđa bé läc FIR bậc thấp trong các bộ lọc
của các bộ cân bằng tối u. Khi kênh đợc mô phỏng bởi bộ lọc FIR, nhiễu cộng
giao thoa đợc mô phỏng bởi kiểu AR, thì MMSE với bộ cân bằng hồi tiếp phân
bố tối −u DFE sÏ cã cÊu tróc chØ gåm c¸c bé lọc FIR. Đây là đặc tính tốt vì khi
bộ lọc của bộ cân bằng chỉ gồm các bộ lọc FIR chúng ta không phải lo lắng tới vị
trí các cực của chúng [13] .
Đối với quá trình xử lý thời gian đơn thuần với bộ thu một anten, bộ cân bằng hồi
tiếp tốt hơn nhiều so với bộ cân bằng tuyến tính và MLSE tốt hơn bộ cân bằng
hồi tiếp. Khi sử dụng STP và sử dụng một lợng tơng đối lớn các anten thu thì
sự khác nhau về đặc tính giữa ba bộ cân bằng ít đợc đa ra [20] . Với lý do đó,
bằng việc cộng thêm đại lợng không gian, kênh có thể dễ dàng đợc biến ®ỉi
bëi bé c©n b»ng tun tÝnh. Bé läc håi tiÕp của DFE không gian-thời gian và


9


mảng ớc tính của MLSE sẽ không thêm nhiều đặc tính nh trờng hợp một
anten, thuần tuý thời gian.
Tách sóng đa ngời dùng
Với trờng hợp nhiều anten, việc tách sóng ®a ng−êi sư dơng trong hƯ thèng
TDMA nhiỊu antenna m¹nh hơn so với trờng hợp một anten. Đại lợng không
gian giúp tách riêng các tín hiệu đa ngời sử dụng. Có hai sự lựa chọn chính đó là
bộ cân bằng hồi tiếp đa ngời sử dụng hoặc MLSE đa ngời sử dụng. Bộ cân
bằng hồi tiếp đa ngời sử dụng có thuận lợi về mặt tính toán hơn so với MLSE vì
độ phức tạp của nó tăng tuyến tính với số lợng ngời sử dụng, ngợc lại độ phức
tạp lại tăng theo hàm mũ với số lợng ngời ở MLSE. Một vấn đề quan trọng cần
giải quyết trong tách sóng đa ngời sử dụng là việc ớc tính các kênh cho ngời
sử dụng. Nếu các tín hiệu tơng quan thì đó có thể là điều thuận lợi cho việc ớc
tính kênh. Tuy nhiên, trong trờng hợp này một số các hệ số kênh có thể dễ dàng
trở nên thừa khi điều khiển với chuỗi huấn luyện ngắn.
1.1.3.3 Thuật toán thu CDMA
ở đây chúng ta giới hạn chỉ đề cập tới hƯ thèng DS-CDMA. Trong DS-CDMA
c¸c nhiƯm vơ chÝnh cđa bé thu là nén nhiễu MA và tách sóng. Trong sơ đồ hình
cây các sự lựa chọn thuật toán đợc chỉ ra trong hình 1.6
Có hai kiểu sơ đồ tách sóng chính cho CDMA, tách sóng một ngời sử dụng và
tách sóng đa ngời sử dụng. Trong trờng hợp một ngời sử dụng, chỉ một tín
hiệu của ngời sử dụng đợc nhận diện tại một thời điểm và các tín hiệu khác
đợc coi là nhiễu. Trong trờng hợp tách sóng đa ngời sử dụng, tất cả ngời sử
dụng đợc cùng nhận diện.
Tách sóng một ngời sử dụng
STP có thể đợc tách riêng thành beamformer không gian sau khi ra khỏi bộ tách
sóng giải tơng quan đơn giản có sử dụng mà trải phổ. Đó là bản sao không gian-


10