Tóm tắt luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu nâng cao chất lượng xử lý tín hiệu trong các hệ thống thông tin đa người dùng

1<br /> MỞ ĐẦU<br /> 1. Tính cấp thiết của đề tài<br /> Các hệ thống thông tin đa ngƣời dùng đang phát triển mạnh mẽ. Trong<br /> số đó các hệ thống thông tin di động tiên tiến 3G WCDMA hay 4G LTE là<br /> những ví dụ điển hình.<br /> Các hệ thống này vừa phải đáp ứng dung lƣợng cao (số lƣợng ngƣời<br /> dùng lớn) vừa phải có chất lƣợng tốt (đa dịch vụ, QoS cao). Đáp ứng đƣợc<br /> đồng thời các yêu cầu này là nhờ các tiến bộ mạnh mẽ của các kỹ thuật xử<br /> lý tín hiệu.<br /> Vì các lí do nêu trên việc nghiên cứu nâng cao chất lƣợng xử lý tín<br /> hiệu trong các hệ thống thông tin đa ngƣời dùng là cấp thiết.<br /> 2. Đối tượng phạm vi nghiên cứu<br /> Các hệ thống thông tin đa ngƣời dùng; Các phƣơng pháp tách tín hiệu đa<br /> ngƣời dùng; Mã sửa sai trong thông tin di động đa ngƣời dùng 3G và 4G.<br /> 3. Nội dung, phương pháp nghiên cứu, kết cấu luận án<br /> Nội dung nghiên cứu:<br /> Nghiên cứu các kỹ thuật chống nhiễu; Mã sửa sai BICM-ID (BitInterleaved Coded Modulation-Iterative Decoding); Các phƣơng pháp tách<br /> tín hiệu đa ngƣời dùng.<br /> Xây dựng mô hình kết hợp kỹ thuật tách tín hiệu đa ngƣời dùng MUD<br /> MMSE (khử nhiễu có độ phức tạp thấp) với sơ đồ BICM-ID (hoạt động tốt<br /> trên kênh AWGN và pha-đinh) và điều chế bậc cao (thƣờng là 16-QAM)<br /> trong hệ thống di động đa ngƣời dùng 3G trở lên để nâng cao chất lƣợng<br /> xử lý tín hiệu.<br /> Nghiên cứu đề xuất kỹ thuật kết hợp tạo dạng biểu đồ chòm sao tín hiệu<br /> 16-QAM với hệ thống BICM-ID. Tuy nhiên, do sử dụng điều chế bậc cao<br /> nên hệ thống phải trả giá về khả năng chống nhiễu và tạp âm. Để khắc phục<br /> điều này ta có thể kết hợp điều chế bậc cao với mã kênh và sử dụng tính chất<br /> bảo vệ lỗi không đều (UEP: Unequal Error Protection) của 16-QAM.<br /> Phương pháp nghiên cứu: Dựa trên phân tích giải tích, xây dựng mô<br /> hình mô phỏng hệ thống và tiến hành mô phỏng trên MATLAB để khảo sát<br /> và khẳng định kết quả nghiên cứu.<br /> <br /> 2<br /> Kết cấu luận án được chia thành 3 chương:<br /> Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về thông tin đa ngƣời dùng, Các<br /> phƣơng pháp đa truy nhập; Nguyên nhân và biện pháp khắc phục nhiễu<br /> MAI và MI; Tổng quan về các phƣơng pháp MUD; Vai trò của mã hóa<br /> trong thông tin di động.<br /> Chƣơng 2: Xây dựng mô hình MUD dựa trên MMSE và BICM–ID<br /> với điều chế 16-QAM.<br /> Chƣơng 3: Hệ thống BICM-ID dùng 16-QAM tái sử dụng một phần<br /> các điểm tín hiệu và khảo sát tính chất UEP trong hệ thống 4G LTE.<br /> 4. Ý nghĩa thực tiễn<br /> Các đề xuất cải tiến phƣơng pháp tách tín hiệu trong luận án cho phép<br /> nâng cao chất lƣợng của hệ thống thông tin di động đa ngƣời dùng.<br /> Chương 1<br /> THÔNG TIN ĐA NGƢỜI DÙNG<br /> 1.1 Tổng quan về hệ thống đa người dùng<br /> Hệ thống thông tin đa ngƣời dùng hay còn gọi là hệ thống đa truy<br /> nhập. Có ba phƣơng pháp đa truy nhập hệ thống là: Đa truy nhập phân chia<br /> theo tần số (FDMA); Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA; Đa<br /> truy nhập phân chia theo mã (CDMA).<br /> 1.2 Nhiễu đa truy nhập (MAI) và nhiễu đa đường (MI)<br /> Có hai nguồn nhiễu chủ yếu trong hệ thống CDMA: nhiễu đa truy<br /> nhập MAI (Multiple Acess Interference) và nhiễu đa đƣờng MI (MultiPath<br /> Interference). MAI gây bởi các hàm tƣơng quan chéo CCF (Cross<br /> Correlation Function) không hoàn hảo của các mã CDMA, còn nhiễu MI<br /> là do hiệu quả kết hợp giữa các hàm tƣơng quan chéo CCF và Hàm tự<br /> tƣơng quan ACF (Auto Correlation Function) lệch pha của các mã trải phổ<br /> đƣợc dùng bởi hệ thống trong kênh đa đƣờng. Ngoài MAI và MI, hiệu ứng<br /> gần xa cũng ảnh hƣởng tới dung lƣợng (số ngƣời dùng trong hệ thống) và<br /> chất lƣợng của hệ thống. Hiệu ứng gần-xa xảy ra khi một máy di động ở<br /> gần trạm gốc có công suất phát quá lớn có thể ngăn chặn các máy di động<br /> ở xa hoặc có thể toàn bộ lƣu lƣợng của tế bào.<br /> <br /> 3<br /> 1.3 Các kỹ thuật để chống lại nhiễu<br /> Có một số kỹ thuật để chống lại nhiễu nhƣ: Điều khiển công suất<br /> chống lại hiệu ứng gần-xa; Tách tín hiệu đa ngƣời dùng để chống lại nhiễu<br /> MAI; Máy thu RAKE để khắc phục MI; Các kĩ thuật tạo búp để chống lại<br /> nhiễu đồng kênh; Tách tín hiệu CDMA có sự trợ giúp của pilot; Mã sửa sai<br /> kênh truyền. Luận án nghiên cứu sâu về mã sửa sai chống nhiễu kênh<br /> truyền và tách tín hiệu đa ngƣời dùng.<br /> 1.4 Tách tín hiệu đa người dùng (MUD)<br /> 1.4.1 Mô hình hệ thống<br /> Tín hiệu thu trên đƣờng lên có thể đƣợc biểu diễn bởi:<br /> (1.1)<br /> Giả thiết các xung symbol là vuông, dạng tƣơng quan của mạch lọc<br /> phối hợp đơn giản là tích phân của tín hiệu thu đƣợc nhân với mã trải phổ<br /> quan tâm ak(t) và sóng mang đồng bộ pha cos(ct ) trong khoảng thời gian<br /> symbol Tb.<br /> (1.3)<br /> Ta có thể biểu diễn tập đầu ra của mạch lọc phối hợp ở dạng véctơ<br /> nhƣ sau:<br /> (1.4)<br /> Trong đó y  [ y1 , y2 , , yK ]T và R là ma trận K  K biểu diễn sự tƣơng<br /> quan giữa các dạng sóng trải phổ trong khoảng bít đầu tiên. Do đó, nếu j,k<br /> là các phần tử của R thì:<br /> (1.5)<br /> A là ma trận đƣờng chéo với véc-tơ [A1, A2,…, AK]T dọc theo đƣờng<br /> chéo; Ak  Pk / 2, , b = [b1, b2,.., bK] là các bít dữ liệu từ từng tín hiệu trong<br /> K tín hiệu và n  [n1, n2 , , nK ]T là véctơ các mẫu tạp âm Gao-xơ, với trung<br /> bình bằng 0 và ma trận hiệp phƣơng sai ∑n=2R,<br /> tạp âm sau khi giải trải phổ.<br /> <br />  2  N0 / 4Tb<br /> <br /> là công suất<br /> <br /> 4<br /> Khi đó các quyết định các bít tín hiệu đƣợc thực hiện nhƣ sau:<br /> (1.6)<br /> trong đó hàm sgn(x) đƣợc áp dụng theo từng phần tử:<br /> (1.7)<br /> 1.4.2 Thu đa người dùng tối ưu<br /> (1.18)<br /> Thu đa ngƣời dùng dựa trên dãy hợp lý cực đại có độ tăng ích cao<br /> nhƣng độ phức tạp tăng theo hàm mũ của ngƣời sử dụng nên giải pháp cận<br /> tối ƣu đƣợc quan tâm.<br /> 1.4.3 Thu đa người dùng cận tối ưu tuyến tính<br /> Bộ tách tín hiệu tuyến tính là thiết bị đƣa ra các quyết định dựa trên<br /> biến đổi tuyến tính của véc tơ đầu ra bộ lọc phối hợp y:<br /> (1.19)<br /> Trong đó T là toán tử tuyến tính trên y và sgn(x) đƣợc xác định trong<br /> phƣơng trình (1.7).<br /> <br /> Hình 1.5 Sơ đồ khối của cấu trúc máy thu cận tối ưu<br /> tuyến tính tổng quát<br /> <br /> 5<br /> 1.5 Mã sửa sai và ứng dụng trong thông tin di động<br /> Mã sửa sai chống nhiễu kênh truyền thƣờng dùng là mã khối và mã<br /> xoắn. Trong đó, mã khối thƣờng dùng là mã Hamming, mã RS, mã BCH,<br /> mã Cyclic… Mã xoắn còn gọi là mã chập, áp dụng cho giải mã mềm rất<br /> hiệu quả. Để tăng hiệu quả sử dụng băng thông ngƣời ta dùng bộ điều chế<br /> nhiều mức với chòm tín hiệu M-PSK hay M-QAM. Mã lƣới TCM ánh xạ<br /> các bít đƣợc mã hoá vào tập tín hiệu không nhị phân nhƣ ASK, PSK,<br /> QAM... Hệ thống TCM đạt hiệu quả cao trên kênh AWGN nhƣng hiệu quả<br /> thấp trên kênh pha-đinh.<br /> Mã BICM-ID: Nhờ điều chế mã hóa có hoán vị bít BICM (Bit<br /> Interleaved Coded Modulation) hệ thống hiệu quả tốt trên kênh pha-đinh. Và<br /> nhờ có giải mã lặp (ID) hệ thống BICM-ID còn tốt cả trên kênh Gao-xơ.<br /> 1.6 Kết luận chương<br /> Trƣớc tiên, chƣơng này trình bày tổng quan về nhiễu đa ngƣời dùng<br /> và nhiễu đa đƣờng trong hệ thống thông tin di động. Nội dung tiếp theo<br /> của chƣơng là các giải pháp chính để khắc phục các loại nhiễu này, trong<br /> đó tập trung vào giải pháp tách tín hiệu đa ngƣời dùng (MUD). Có thể thấy<br /> rằng tách tín hiệu đa ngƣời dùng tối ƣu bảo đảm cải thiện chất lƣợng đáng<br /> kể song có độ phức tạp tăng hàm mũ theo số tín hiệu đƣợc tách. Do đó, các<br /> giải pháp cận tối ƣu bao gồm kĩ thuật tuyến tính và phi tuyến đƣợc quan<br /> tâm nghiên cứu.<br /> Phần cuối của chƣơng trình bày tổng quan về vai trò của mã kênh và<br /> các loại mã phổ biến hiện nay trong thông tin di động số. Các kiến thức<br /> trình bày ở chƣơng này là cơ sở cho các nghiên cứu trong các chƣơng tiếp<br /> theo của luận án.<br /> <br />