Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA

dần công suất thu đường truyền trên cơ sở số lượng bộ tương quan, bộ ước tính kênh và bộ bù trừ biến đổi pha (gọi là các ngón máy thu RAKE). Trong thực tế, vì các tín hiệu trải phổ có cả nhiễu của người sử dụng khác và các tín hiệu đa đường của kênh người sử dụng nên giá trị ngưỡng được lập dựa trên cơ sở công suất tạp âm nền và các đường truyền có SIR hiệu dụng được chọn. Vì MS chuyển động (hoặc môi trường truyền sóng thay đổi khi MS cố định) nên vị trí đường truyền (thời gian trễ) được kết hợp RAKE cũng sẽ thường xuyên thay đổi. Máy phải định kỳ cập nhật lý lịch trễ đường truyền trên cơ sở lý lịch mới (quá trình này được gọi là tìm kiếm đường truyền vì nó liên quan đến tìm kiếm đường truyền để kết hợp RAKE). Vì các đường truyền tách biệt được thu từ các đường truyền sóng độc lập, nên chúng bị thăng giáng fading khác nhau. Hình 2.19 cho ta thấy cấu hình của một máy thu RAKE thông tin di động 3G sử dụng tách sóng kết hợp cả đường lên và đường xuống. Tách sóng kết hợp đòi hỏi ước tính sự thay đổi pha và biên của tín hiệu thu do fading trong mỗi đường truyền. Để đảm bảo theo dõi sự thăng giáng kênh diễn ra nhanh chóng thông tin di động động 3G thực hiên đánh giá kênh theo các ký hiệu hoa tiêu. Bộ tương quan trễ Bộ lọc đánh giá kênh được ký hiệu hoa tiêu hỗ trợ Bộ giải đan xen Tín hiệu được khôi phục Bộ giải mã kênh Bộ tạo bản sao mã trải phổ Cho đường truyền 1 Cho đường truyền L …… Hình 2.18: Cấu trúc máy thu RAKE Đỗ Thị Thu – K46ĐB 48 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA Ký hiệu hoa tiêu này cho phép máy thu biết được pha điều chế của số hiệu phát, đối với W-CDMA, ký hiệu này được đặt trên kênh 0, và ký hiệu số liệu được ghép lên kênh 1. Các ký hiệu này được điều chế bằng sóng mang trực giao. Ở đường xuống, nó được ghép thời Đầu ra bộ tương quan ngưỡng chọn đường truyền mức tạp âm nền Bộ kết hợp RAKE Hình 2.19: Phương pháp chọn đường truyền để với kết hợp RAKE gian chung với ký hiệu số liệu trong kênh này và được điều chế QPSK. 2.3.3 Điều khiển công suất Điều khiển công suất nhanh là đặc tính ở các hệ thống thông tin di động CDMA, nhất là ở đường lên. Thiếu điều khiển công suất, một MS phát công suất lớn sẽ chặn toàn bộ ô. Hình 2.20 cho thấy vấn đề nảy sinh và giải pháp điều khiển công suất vòng kín. Các MS1 và MS2 làm việc ở cùng một tần số nhưng sử dụng các mã trải phổ khác nhau ở BS. MS1 ở xa BS hơn so với MS2. Vì vậy suy hao đường truyền đối với MS1 sẽ cao hơn MS2. Nếu không có các biện pháp điều khiển công suất để hai MS tạo ra mức thu như nhau ở BS thì MS2 có thể gây nhiễu lớn cho MS1 và như vậy có thể chặn một số lượng lớn ô dẫn đến hiện tượng gần xa ở CDMA làm giảm dung lượng hệ thống. Như vậy để đạt được công suất cực đại cần điều khiển công suất của tất cả các MS trong một ô sao cho mức công suất mà chúng tạo ra ở BS sẽ bằng nhau. MS1 P1 Duy trì các mức công suất P1=P2 Các lệnh điều khiển công suất đến các MS P2 MS2 Hình 2.20. Điều khiển công suất vòng kín Đỗ Thị Thu – K46ĐB 49 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG CDMA 3.1 Tại sao phải điều khiển công suất Trong hệ thống thông tin di động tổ ong CDMA, các máy di động đều phát chung một tần số cùng lúc nên chúng gây nhiễu đồng kênh đối với nhau. Chất lượng truyền dẫn vô tuyến đối với từng người sử dụng trong môi trường đa truy cập phụ thuộc vào tỷ số Eb/N0, trong đó Eb là năng lượng bit còn N0 là mật độ tạp âm trắng Gauss cộng bao gồm tự tạp âm và tạp âm do từ máy phát của người sử dụng khác gây ra. Để đảm bảo tỷ số Eb/N0 không đổi và lớn hơn ngưỡng yêu cầu cần điều khiển công suất máy phát của người sử dụng theo khoảng cách của nó với trạm gốc. Ở trong các hệ thống FDMA và TDMA điều khiển công suất không ảnh hưởng đến dung lượng nhưng trong hệ thống CDMA điều khiển công suất là bắt buộc và phải nhanh nếu không dung lượng hệ thống sẽ giảm. Dung lượng hệ thống CDMA đạt giá trị cực đại nếu công suất phát của các máy di động được điều khiển sao cho công suất thu được ở trạm gốc là như nhau đối với tất cả người sử dụng. Điều khiển công suất được sử dụng cho đường lên để tránh hiện tượng gần xa và giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu lên hệ thống. Đối với đường xuống không cần điều khiển công suất ở hệ thống đơn ô vì nhiễu gây ra bởi người sử dụng khác luôn ở mức không đổi đối với tín hiệu hữu ích. Tất cả các tín hiệu phát từ trạm gốc tới máy di động đều được phát chung cùng lúc vì thế không xảy ra sự khác biệt tổn hao truyền sóng như ở đường lên. Ngoài việc giảm hiện tượng gần xa, điều khiển công suất còn được sử dụng để làm giảm hiện tượng che tối và duy trì công suất phát trên một người sử dụng để đảm bảo tỷ số lỗi bit ở mức cho trước tối thiểu chấp nhận được. Như vậy điều khiển công suất còn góp phần làm tăng tuổi thọ của pin máy di động. Trong hệ thống CDMA sử dụng hai phương pháp điều khiển công suất đó là điều khiển công suất vòng hở (OPC) và điều khiển công suất vòng kín (CPC). 3.2 Điều khiển công suất vòng hở (OPC) OPC hay còn được gọi là phương pháp tự điều khiển (AGC) ở máy di động. Trước khi phát, máy di động giám sát tổng công suất thu được từ trạm gốc. Công suất đo được cho thấy tổn hao đường truyền đối với từng người sử dụng để Đỗ Thị Thu – K46ĐB 50 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA căn cứ vào đó máy di động điều chỉnh công suất phát của mình tỷ lệ nghịch với tổng công suất mà nó thu được. Điều khiển công suất vòng hở có thể là không tuyến tính. Mục đích là cho phép đáp ứng nhanh với sự hiệu chỉnh âm nhưng đáp ứng chậm với sự hiệu chỉnh dương. Nếu cường độ tín hiệu thu được cao có nghĩa là máy di động rất gần trạm gốc hoặc lượng suy hao đường dẫn thấp thì máy di động điều chỉnh cho công suất phát giảm xuống. Tốc độ tăng công suất phát máy di động thường phải nằm trong tốc độ điều khiển công suất mạch vòng khép kín từ trạm gốc. Bằng cách này các máy di động không thể tăng công suất phát quá lớn cho dù có sự suy giảm đột ngột chất lượng thoại trên kênh hướng xuống. Như vậy trong phương pháp này trạm gốc không tham gia vào quá trình điều khiển công suất. Nhược điểm của phương pháp OPC là do điều kiện truyền sóng của đường lên và xuống khác nhau nhất là do fading nhanh nên sự đánh giá sẽ thiếu chính xác. Tần số trung tâm của các đường lên và xuống thường nằm ở các băng tần khác nhau nên sẽ không có sự đối xứng giữa hai đường vì thế tổn hao đường truyền giữa hai đường là khác nhau. Ví dụ ở hệ thống IS-95 hai tần số trung tâm cách nhau 45MHz, tổn hao đường truyền ở hai đường có thể khác nhau đến vài dB. Ở hệ thống CDMA trước đây người ta sử dụng phương pháp này kết hợp với điều khiển công suất vòng kín, còn ở hệ thống W-CDMA phương pháp này chỉ được sử dụng để thiết lập công suất gần đúng khi truy cập mạng lần đầu tiên. 3.3 Điều khiển công suất vòng kín Có thể đạt được điều khiển công suất trung bình thời gian dài hiệu quả hơn bằng sơ đồ điều khiển công suất vòng kín như hình 3.1. Phương pháp này đòi hỏi trạm gốc phải thường xuyên liên hệ với máy di động để có thể thay đổi công suất một cách thích ứng. BS (hoặc MS) thường xuyên ước tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu thu được (SIR) và so sánh nó với tỷ số ngưỡng SIRđích. Nếu SIRước tính cao hơn SIRđích thì BS (hoặc MS) thiết lập bit điều khiển công suất để lệnh cho MS (hoặc BS) hạ thấp công suất, ngược lại thì MS (hoặc BS) tăng công suất. Chu kỳ đo lệnh phản ứng này được thực hiện 1500 lần/giây (1,5 KHz) ở W-CDMA và 8000 lần/giây (8 KHz) ở CDMA 2000. Tốc độ này sẽ cao hơn mọi thay đổi tổn hao đường truyền và thậm chí có thể nhanh hơn fading nhanh khi MS chuyển động tốc độ thấp. Kỹ thuật điều khiển công suất vòng kín như vậy được gọi là vòng trong, cũng được sử dụng cho đường xuống mặc dù ở đây không có hiện tượng gần xa vì tất cả các tín hiệu đến MS trong cùng một ô đều bắt đầu từ một Đỗ Thị Thu – K46ĐB 51 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA BS. Tuy nhiên, ta vẫn tiến hành điều khiển công suất ở đây vì: khi MS tiến dần đến biên giới ô, nó bắt đầu chịu ảnh hưởng ngày càng tăng của nhiễu từ các ô khác. Điều khiển công suất đường xuống trong trường hợp này để tạo một lượng dự trữ công suất cho các MS trong trường hợp nói trên. Ngoài ra điều khiển công suất đường xuống cho phép bảo vệ các tín hiệu yếu do fading Rayleigh gây ra, nhất là khi các mã sửa lỗi làm việc không hiệu quả. Điều khiển công suất vòng ngoài thực hiện đánh giá dài hạn chất lượng đường truyền trên cơ sở tỷ lệ lỗi khung (FER) hoặc tỷ lệ lỗi bit (BER) để quyết định SIRđích cho điều khiển công suất vòng trong. Tuy nhiên việc loại bỏ fading đồng nghĩa với việc tăng công suất phát vì thế khi MS bị fading sâu, công suất phát sử dụng lớn và nhiễu gây ra cho các ô cũng tăng. Điều khiển công suất vòng ngoài thực hiện điều chỉnh giá trị SIRđích ở BS (hoặc MS) cho phù hợp với yêu cầu của từng đường truyền vô tuyến để đạt được chất lượng các đường đó như nhau. Chất lượng của các đường truyền vô tuyến thường được đánh giá bằng tỷ số bit lỗi hay tỷ số khung lỗi. Mục đích của việc điều chỉnh SIRđích như sau: Giả sử SIR yêu cầu là FER=1% phụ thuộc vào tốc độ của MS và đặc điểm tuyến đường. Nếu ta đặt SIRđích cho trường hợp xấu nhất (cho tốc cao nhất) thì sẽ lãng phí dung lượng cho các kết nối ở tốc độ thấp. Như vậy tốt nhất là để SIRđích thả nổi xung quanh giá trị tối thiểu đáp ứng được yêu cầu chất lượng. Hình 3.2 cho thấy sự thay đổi của SIRđích theo thời gian. Để thực hiện điều khiển công suất vòng ngoài, mỗi khung số liệu của người sử dụng được gắn chỉ thị chất lượng khung CRC. Việc kiểm tra chỉ thị chất lượng này sẽ thông báo cho RNC về việc giảm chất lượng và RNC sẽ lệnh cho BS tăng SIRđích. Đặt giải trải phổ Thu RAKE Đo chất lượng công suất dài hạn Đo SIR So sánh và quyết định Tạo bit điều khiển công suất SIR đích Chất lượng đích Tín hiệu băng gốc thu So sánh và quyết định Ghép bit điều khiển công suất vào luồng phát Vòng ngoài Vòng trong Hình 3.1: Phương pháp điều khiển công suất vòng kín Đỗ Thị Thu – K46ĐB 52 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA điều khiển vòng ngoài ở RNC vì chức năng này thực hiện sau khi thực hiện kết hợp các tín hiệu ở chuyển giao mềm. Các bộ giải điều chế ở mỗi trạm gốc đo tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm của các tín hiệu nhận được của mỗi máy di động so sánh tỷ lệ này với tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm đã chỉ định (thường là 0.1dB) và phát các lệnh điều khiển tới máy di động qua kênh hướng đi. Cứ phát 1.25 ms một lần lệnh điều khiển đầu ra có thể theo dõi nhiễu Rayleigh trên kênh hướng về. Nó rất quan trọng để giảm thời gian thực hiện xử lý xác định công suất phát và phát lệnh để môi trường kênh không bị thay đổi nhiều cho tới khi bit điều khiển được nhận ở máy di động và hoạt động điều khiển được thực hiện thực sự. Hệ thống CDMA cung cấp chức năng điều khiển công suất hai chiều (từ BS đến máy di động và ngược lại) để cung cấp một hệ thống có dung lượng lớn, chất lượng dịch vụ cao và các lợi ích khác. Bộ thu CDMA của BSC chuyển tín hiệu CDMA thành thông tin số băng hẹp, khi đó tín hiệu của các máy di động khác chỉ là tín hiệu tạp âm của băng rộng. Thủ tục thu hẹp băng được gọi là độ lợi xử lý nhằm nâng cao tỷ số tín hiệu/nhiễu từ giá trị âm đến một mức đủ lớn để cho phép hoạt động với lỗi bit chấp nhận được. BS cung cấp việc điều khiển công suất từ BS tới máy di động nhờ việc quy định công suất này tương ứng với công suất đo được tại máy di động. Mục đích của việc điều khiển này là làm giảm công suất phát của máy di động khi rỗi hoặc ở vị trí tương đối gần BS làm cho fading đa đường thấp và giảm hiệu ứng bóng râm hay làm giảm nhiễu đối với các BS khác. Thông tin độ tin cậy khung Lệnh điều chỉnh SIRđích RNC Điều khiển công suất nhanh nếu SIR < SIRđích phát lệnh tăng công suất BS SIRđích MS không chuyển động Điều khiển công suất vòng ngoài, tăng SIRđích s Hình 3.2.Điều khiển công suất vòng trong và ngoài Đỗ Thị Thu – K46ĐB 53 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA Ở đường xuống, máy thu di động thu nhiễu từ các ô khác. Việc điều chỉnh công suất là cần thiết để làm giảm mức nhiễu mà các máy di động gây ra. Tồn tại hai sơ đồ điều khiển công suất đường xuống: - Theo khoảng cách: Khi biết được vị trí của các máy di động ta có thể giảm thiểu công suất phát của các máy này bằng cách phát đi các mức công suất phù hợp theo khoảng cách. Phương pháp này phù hợp cho môi trường không bị che tối và khi đó suy hao công suất chỉ phụ thuộc vào khoảng cách. Các máy di động phải đo khoảng cách đến trạm gốc, trạm gốc phải phát tín hiệu hoa tiêu. - Theo tỷ số C/I (Carrrier to Interferance): Mục đích là làm giảm thiểu tỷ số C/I theo yêu cầu của người sử dụng. Muốn vậy mỗi máy di động phải phát thông tin về C/I đến trạm gốc vì vậy trạm gốc có thể quyết định nên tăng hay giảm công suất của máy di động đó. Trong hệ thống tế bào dải tần sử dụng từ trạm gốc tới máy di động khác với dải tần từ máy di động tới trạm gốc. Sự khác biệt tần số này cho phép sử dụng đồng thời các máy phát và máy thu ở máy di động mà không có hồi tiếp hay nhiễu của các tín hiệu phát tới máy thu. Sự tách biệt tần số này cũng có tác dụng lớn trong xử lý điều khiển công suất. Trong thiết kế hệ thống người ta mong muốn tăng lên tối đa số lượng khách hàng gọi cùng một lúc trong dải thông xác định, nghĩa là hệ thống sẽ có dung lượng lớn. Dung lượng hệ thống là tối đa khi tín hiệu truyền của máy di động được thu bởi BS có tỷ số S/I ở mức yêu cầu tối thiểu. Nếu tín hiệu của các máy di động mà BS thu được là quá yếu thì không thể hy vọng chất lượng thoại tốt vì tỷ lệ lỗi bit quá cao. Nếu tín hiệu nhận được ở trạm gốc cao thì cải thiện được chất lượng thoại nhưng nhiễu đối với các máy di động khác cùng sử dụng một kênh sẽ tăng lên làm cho chất lượng cuộc gọi của các thuê bao khác bị giảm nếu dung lượng tối đa không giảm. 3.4 Một vài phương pháp điều khiển công suất cho mô hình cụ thể Ở trên trình bày những lý thuyết chung nhất về điều khiển công suất. Các phương pháp khác cũng phải dựa trên những lý thuyết này. Tuy nhiên tùy theo từng trường hợp cụ thể người ta chỉ tiến hành điều khiển công suất với việc tối ưu một số các tham số có lợi cho từng hệ thống cụ thể. Từ những ý tưởng trên, trong thực tế đã thực hiện rất nhiều phương pháp có thể kể đến một vài trường hợp như sau: Đỗ Thị Thu – K46ĐB 54 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA Trong [5], đưa ra phương pháp điều khiển công suất không tuyến tính có sơ đồ như hình 3.1 và thuật toán được thể hiện bởi phương trình: *( 1) ( ) [P +I+P(n)-A(n)P n P n d− = + Ψ ] (3.1) Trong đó d là bước thích nghi, A(n) tổn hao đường truyền và thành phần không tuyến tính ψ được định nghĩa như sau: Nếu 0x ≥ 1( ) 1 x ⎧Ψ = ⎨−⎩ Các giá trị khác (3.2) Hình 3.3. Sơ đồ khối của thuật toán điều khiển công suất đường lên/xuống Một ví dụ về điều khiển công suất không tuyến tính đưa ra ở đó là phương pháp điều khiển công suất logic mờ. Trong các hệ thống truyền thông không dây, các thuật toán điều khiển được đề nghị để làm tối thiểu công suất của máy phát. Nhưng điều này lại yêu cầu các phép đo hoàn hảo ít nhất là các tham số sau: Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của máy di động, nhiễu tại máy thu và tốc độ lỗi bit. Tuy nhiên những yêu cầu này thường khó có thể đạt được. Vì thế một phương pháp điều khiển công suất cho các hệ thống vô tuyến tổ ong đã được đề xuất [16]. Trong đó sử dụng các kết quả đo được. Thuật toán điều khiển đưa ra 2 lớp: Lớp thứ nhất của thuật toán sử dụng các chuỗi kích thước bước cố định nhằm đạt được ranh giới hạn chế thấp hơn hoặc cao hơn cho sai số trung bình bình phương (MSE), điều này làm cho các ranh giới dần tới không. Lớp thứ 2 dựa vào phương pháp xấp xỉ ngẫu nhiên và sử dụng các chuỗi kích thước bước thay đổi theo thời gian dẫn đến MSE dần tới không. Các thuật toán này yêu cầu mỗi người dùng chỉ cần biết độ lợi kênh của riêng. Các mạng thông tin tổ ong không dây thế hệ ba được thiết kế để có thể mang cả tiếng nói, dữ liệu, hình ảnh, … Việc truyền từng loại hay kết hợp chúng vào trong một hệ thống sẽ dẫn đến tốc độ bit và tốc độ lỗi bit khác nhau. Dung lượng CDMA bị giới hạn bởi nhiễu tổng cộng từ tất cả các máy di động. Vì vậy nhiễu đa truy cập (MAI) là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến dung lượng hệ thống và việc giảm MAI cho ta khả năng thiết kế hệ thống di động tổ ong dung lượng cao. Thuật toán điều khiển công suất phân bố [11] là một giải pháp cho vấn Đỗ Thị Thu – K46ĐB 55 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA đề này. Sơ đồ điều khiển công suất phân bố được thực hiện ở mỗi ô bằng việc sử dụng công suất phát hiện tại của nó. Điều khiển công suất phân bố đơn giản hơn và yêu cầu ít thông tin hơn điều khiển công suất tập trung do nó chỉ yêu cầu phép đo nhiễu ở đường mong muốn. Tuy nhiên phương pháp này lại tiêu tốn nhiều thời gian hơn để đạt được SIR tối thiểu. Trong [3] thực hiện phân tích 3 thuật toán điều khiển công suất đường xuống đang tồn tại hiện nay bao gồm: Thuật toán phân bổ công suất dựa vào khoảng cách (DBPA), thuật toán cân bằng phân bố (DB), phương pháp điều khiển công suất đa bước dựa vào SIR (MSPC), điều khiển công suất từng bước thích nghi (ASPC), điều khiển công suất từng bước thích nghi thay đổi (M-ASPC). Các phân tích cho thấy phương pháp điều khiển công suất DB thực hiện tốt hơn thuật toán DBPA. Mặt khác, thuật toán M-ASPC thực hiện tốt hơn cả ASPC và MSPC về tốc độ của việc giảm xác xuất và sự hội tụ. Các phương pháp truyền thống để giải quyết các bài toán điều khiển đa người dùng trong các hệ thống CDMA không phân cấp tốt khi số người dùng tăng lên. Vì vậy, kích cỡ và độ phức tạp của bài toán điều khiển thường tăng theo hàm mũ với số người dùng. Để khắc phục điều này trong [6] giới thiệu một phương pháp xấp xỉ giới hạn dải tần cho các bài toán lập trình động. Sau đây ta xét một phương pháp điều khiển công suất dùng phương pháp ngẫu nhiên làm tối thiểu phương sai. 3.5 Phương pháp ngẫu nhiên làm tối thiểu phương sai [12] 3.5.1 Giới thiệu phương pháp Điều khiển công suất trong các hệ thống CDMA là một kỹ thuật hữu ích nhằm cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS: Quality of Service) trong khi sử dụng tài nguyên mạng một cách hiệu quả. Hầu hết việc điều khiển công suất đã được thực hiện trong hệ thống CDMA chứng tỏ điều khiển công suất là thiết yếu. Tuy nhiên do bản chất của độ lợi liên kết, công suất nhận, nhiễu, SIR tất cả đều là quá trình ngẫu nhiên theo thời gian. Vì thế cần thiết phải có sơ đồ điều khiển công suất biến thiên. Trong hệ thống CDMA không dây, tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SIR) là một tham số quan trọng để đo chất lượng kênh truyền. Ở máy thu trạm gốc, các phép đo SIR được thực hiện sau khi tổ hợp ở máy thu loại RAKE. Cả ký hiệu dữ liệu và ký hiệu hoa tiêu được sử dụng để đo công suất tín hiệu thu tức thời. Chỉ có ký Đỗ Thị Thu – K46ĐB 56 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA hiệu hoa tiêu được sử dụng để đo công suất nhiễu sau đó lấy trung bình nhờ mạch lọc thông thấp bậc một. Thông thường công suất tín hiệu thu tức thời giả sử gồm nhiễu trắng. Nhiễu trung bình cộng công suất nhiễu từ mạch lọc thông thấp có thể xem như là con số cố định trong một nhóm điều khiển công suất (PCG). Trên thực tế rất khó có thể đạt được sự ước lượng SIR nhanh và chính xác trong thời gian thực. Có một vài cách tiếp cận đáng quan tâm cho vấn đề này. Trong [13], bài toán ước lượng SIR được nghiên cứu dựa vào phương pháp không gian con tín hiệu (signal subspace method) sử dụng ma trận hiệp phương sai mẫu của tín hiệu nhận. Tuy nhiên, vấn đề ước lượng SIR không được đề cập đến trong khoá luận này. Sơ đồ điều khiển công suất ngẫu nhiên đã đề xuất sẽ sử dụng cơ chế phép đo SIR trong hệ thống không dây thế hệ ba (3G) và trình bày bài toán điều khiển công suất như là một hệ thống điều khiển bị điều khiển bởi nhiễu trắng. 3.5.2 Nội dung phương pháp và một số kết quả mô phỏng Phần này ta sẽ đi sâu vào chi tiết bài toán điều khiển công suất ngẫu nhiên như là bài toán điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính ngẫu nhiên, trong đó nhiễu trắng gây nên sự thay đổi theo thời gian của hệ thống. Phép đo ngẫu nhiên SIR của người dùng thứ i tại thời điểm k ở trạm gốc có thể được mô tả như sau: )()()( kkky iii ωγ += (3.3) )(kyi là giá trị SIR đo được. )(kiγ là giá trị SIR thực. )(kiω biễu diễn quá trình ngẫu nhiên không tương quan có giá trị trung bình không Sự thay đổi công suất phát của máy di động tỷ lệ với sai số SIR nên công suất bây giờ là: ))()(()()1+( kykkpkp i tar iiii −+= γα (3.4) Trong đó )(kiα là độ lợi điều khiển, sử dụng (3.3) và (3.4) ta có: )().()().().()()1+( kkkkkkpkp iiii tar iiii ωαγαγα −−+= )().()()()( kkkekkp iiiii ωαα −+= (3.5) Với . Định nghĩa sự thay đổi kênh truyền là )()()( kkke i tar ii γγ −= )(kiδ thì )()()( kpkk iii δγ = và sai số SIR là: Đỗ Thị Thu – K46ĐB 57 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA )1()1()1()1( ++−=+−=+ kpkkke iitariitarii δγγγ (3.6) )()()1()()()1()()1( kkkkekkkpk iiiiiiii tar i ωαδαδδγ +++−+−= Kết hợp phương trình (3.5) và (3.6) ta được hệ thống động lực học bậc hai cho công suất phát của máy di động và sai số SIR: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +−−=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ )()1()1+( )(1 )1+( )1+( kkk k ke kp iii i i i αδδ α . + (3.7) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ )( )( ke kp i i ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡+⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ + − tar i i ii i k kk k γωαδ α 0 )( )()1( )( Đặt ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +−−=Α )()1()1+( )(1 )( kkk k k iii i i αδδ α (3.8) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ + −= )()1( )( )( kk k kG ii i i αδ α (3.9) ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡=Γ tar i i γ 0 (3.10) Định nghĩa vectơ trạng thái ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡= )( )( )( ke kp kx i i i (3.11) Phương trình (3.7) trở thành đơn giản: iiiiii kkGkxkkx Γ++Α= )()()()()1+( ω (3.12) )(kiω nhiễu trắng với 0})({ =kE iω và hiệp phương sai n)-(kW.})()({ ∆=nkE ii ωω với W là mật độ phổ công suất của iω , là hàm delta Kronecker được định nghĩa bởi: n)-(k∆ ⎩⎨ ⎧=−∆ 0 1 )( nk k=n các giá trị k khác (3.13) Gọi trung bình của là )(kxi )(kxi với giá trị khởi tạo là [ )0(ip )0(ie ] T. Ta có thể thấy rằng giá trị trung bình này thỏa mãn: 1 i 11 1 {x (k)} x ( ) ( )x (0) ( ) k lk i ii i lj j k A j A k j − == = Ε = = + − Γ +∑∏ ∏ i iΓ (3.14) Ma trận phương sai của là )(kxi (k)}{x)( iVarkQi = là ma trận 2x2. Sự biến đổi của hệ thống tuyến tính (3.12) do nhiễu trắng thỏa mãn phương trình sai phân Lypunov [13] với giả sử rằng trạng thái và nhiễu là độc lập nhau. )(W)()()()()1+( kGkGkAkQkAkQ Tii T iiii += (3.15) Đỗ Thị Thu – K46ĐB 58 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA Chú ý rằng (do ma trận đối xứng với mọi k). Ta có thể viết ma trận Q dưới dạng: 0)()( ≥= kQkQ Tii ⎢⎣ ⎡== 21 11 Q Q QQ T (3.16) ⎢⎣ ⎡=⎥⎦ ⎤ 12 11 22 12 Q Q Q Q ⎥⎦ ⎤ 22 12 Q Q Từ phương trình (3.8), (3.9), (3.10), (3.16) thì: W)()()()()(2)()1+( 222 2 121111 kkQkkQkkQkQ iii ααα +++= (3.17) W))()()()()(2)()(1()1+( 222 2 121112 kkQkkQkkQkkQ iiii αααδ ++++−= (3.18) W))()()()()(2)()(1()1+( 222 2 1211 2 22 kkQkkQkkQkkQ iiii αααδ ++++= (3.19) Từ các phương trình ở trên, ta có thể thấy rằng với tất cả người sử dụng i thì: )()()( 1112 kQkkQ iδ−= , k∀ (3.20) )()()k( 11 2 22 kQkQ iδ= , k∀ (3.21) Định nghĩa tiêu chuẩn chất lượng như là tổng phương sai công suất phát của máy di động và phương sai của lỗi SIR. ))1+(())1+(( keVarkpVarJ ii += (3.22) Bài toán điều khiển công suất ngẫu nhiên tối ưu là làm tối thiểu J cho mọi người dùng i tại thời điểm k bằng việc chọn độ lợi điều khiển )(kiα thích hợp. )))1+(())1+((min( keVarkpVar ii + (3.23) Với các điều khiển ban đầu cho trước: )0([)0(x(0)}{xi ii p==Ε Tie )]0( (3.24) Và: )0((0)}{xi iQVar = (3.25) Thì: )))1+(())1+((min( keVarkpVar ii + )()(W )()( 0W)()()())()(1(2 0 )( )W)()())()(1(( W))()())()(1min(( W)))()()()()()()(2)(min( W)))()()()()(2)())(1+(1min(( ))1+())1+(min( 11 2 11 11 2 11 2 2 11 2 2 11 22 1111 2 22 2 1211 2 2211 kQk kQk kkQkkk k kkQkk kkQkk kkQkkkQkkkQ kkQkkQkkQk kQkQ i iopt i iiii i iii iii iiiii iiii δ δα αδδα α αδα αδα αδαδα αααδ +=⇔ =+−−⇔ =∂ +−∂⇔ +−⇔ ++−⇔ ++++⇔ +⇔ (3.26) Đỗ Thị Thu – K46ĐB 59 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA Trong mô phỏng thực tế, khó có thể đo được hay tính toán được phương sai của công suất phát (Q11(k)) do đó khó tính được độ lợi tối ưu . Tuy nhiên do công suất của nhiễu đo được, SIR thường nhỏ hơn rất nhiều công suất tín hiệu do vậy ta có thể sử dụng lời giải tối ưu phụ của độ lợi điều khiển như sau: )(koptiα )( 1)( k k i opt i δα = (3.27) Lúc này ma trận A trở thành: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−=Α )(/)1+()1+( )(/11 )( kkk k k iii iopt i δδδ δ (3.28) Để khảo sát sự ổn định của hệ thống rời rạc thay đổi theo thời gian, ta sử dụng lý thuyết ổn định Lyapunov cho hệ thống thay đổi theo thời gian: Định lý: Ma trận hệ thống dưới điều khiển tối ưu Aiopt(k) thỏa mãn với mọi k. Chứng minh định lý trên có thể tìm thấy trong [12]. Chúng ta hãy khảo sát tính chất của các biến trạng thái dưới độ lợi điều khiển tối ưu . Thay A)(koptiα i(j) và Ai(k-j) bởi Aiopt(j) và Aiopt(k-j) vào phương trình (3.14) với chú ý rằng Aiopt(j)Aiopt(j-1)=0, . Ta có: 1>∀j ii opt i kA Γ+Γ−=Ε )1((k)}{x opti ⎢⎣ ⎡ −= )1(ki tar i δ γ T tar i i i k k ⎥⎦ ⎤ −− γδ δ ) )1( )(1( (3.29) Ta thấy, khi kênh thay đổi chậm cụ thể là )1()( −≈ kk ii δδ và thì phương sai công suất phát và sai số SIR dưới điều khiển tối ưu là: opt iγγ ≈Ε (k)}{ opti ⎥⎥ ⎥⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢⎢ ⎣ ⎡ − + − + = ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ )1( )(W)( )1( )(W (k)}{e (k)}{p 2 2 2 2 2 opt i opt i k k k Var Var i tar i i i tar i δ γδ δ γ (3.30) Các giá trị tối thiểu của tiêu chuẩn chất lượng là: )1())1(1()( 11 2 +++= kQkkJ optiopti δ (3.31) Trong đó: )(/))(W()1( 2211 kkQ i tar i opt δδ+=+ (3.32) Đỗ Thị Thu – K46ĐB 60 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA W là mật độ phổ công suất. γ là tỷ số tín trên tạp. Sơ đồ điều khiển công suất nói trên được mô tả như trong hình 3.4. Khi nhiễu phép đo SIR là nhiễu Gauss, sơ đồ điều khiển công suất ngẫu nhiên ở trên với độ lợi là tối ưu do các biến trạng thái, sai số SIR và công suất phát của máy di động cũng có phân bố Gauss. Vì vậy sự ổn định hoàn toàn được xác định bởi các giá trị trung bình và phương sai của chúng. Chú ý rằng lối ra của hệ thống tuyến tính được điều chỉnh bởi nhiễu Gauss trắng cũng là một quá trình nhiễu Gauss trắng ngẫu nhiên. )(koptiα tar iγ Si(k) + - )(kiα Z-1 hni(k) L yi(k) - + pi(k)pi(k+1))(kyi tar i −γ )(kiδ Ii(k) Hình 3.4. Hệ thống điều khiển công suất ngẫu nhiên tối ưu Khi các phép đo SIR gồm nhiễu Gauss trắng, độ lợi điều khiển tối ưu bằng nghịch đảo của sự thay đổi kênh truyền. Giả sử rằng tổng của số lượng lớn nhiễu là hệ số liên quan đến nhau trong khoảng một khe thời gian (0.625 ms). Chất lượng của sơ đồ điều khiển công suất ngẫu nhiên tối thiểu phương sai được kiểm tra thông qua mô phỏng. Hệ thống CDMA có 7 ô tổ ong và 16 người dùng/1 ô. Tần số hoạt động là 1.9 GHz, băng tần mỗi kênh giả sử là 1.23MHz. Tốc độ dữ liệu được đặt là 9600 b/s, độ lợi xử lý Gp đặt là 128 (21dB), SIR mục tiêu đặt ra là 7dB tương ứng với tốc độ lỗi bit (BER) bé hơn 10-3. Trong phần mô phỏng đưa thêm một số giả thiết như: 1. Công suất phát tối đa và tối thiểu có thể được phát bởi máy di động là Pmin=8dBm (6.3 mW), Pmax=33dBW (2W). 2. Công suất phát được cập nhật định kỳ mỗi 0.625 ms tương ứng với tần số điều khiển công suất vòng kín nhanh 1600 Hz. 3. Vị trí các máy di động giả sử là phân bố giống nhau trong một ô. 4. Giả sử rằng độ lợi liên kết được cho dưới dạng: Đỗ Thị Thu – K46ĐB 61 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA )().()( 4 kAkdkh ninini −= (3.33) Trong đó: là khoảng cách từ máy thứ i tới trạm cơ sở thứ n ở thời điểm k. )(kdni là quá trình ngẫu nhiên phân bố log-normal. niA 5. Giả sử rằng đường kính ô là 2 km, là biến ngẫu nhiên phân bố đều. )(kdni 6. Giả sử độ lệch chuẩn là 8 dB. niA Mã nguồn mô phỏng được đưa ra trong phần phụ lục. SIR trung bình được vẽ như hình 3.5 và được tính toán theo công thức: ∑ = = N i k iN k 1 1)( γγ (3.34) N là tổng số người dùng trong ô. Hình 3.5.SIR trung bình của tất cả người dùng Ta thấy rằng các SIR hội tụ đến SIR mục tiêu như mong đợi. Công suất phát của 3 người dùng được vẽ như hình 3.6. Chúng hội tụ đến giá trị tất yếu yêu cầu. Đỗ Thị Thu – K46ĐB 62 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA Hình 3.6.Công suất phát của người dùng 3.5.3 Mở rộng kết quả và phân tích Trong khi thực hiện các hệ thống thực tế, để thực hiện sơ đồ điều khiển công suất ngẫu nhiên thì việc ước lượng sự thay đổi kênh truyền là cần thiết. Như đã đề cập ở trên, công suất nhiễu cộng tạp âm ở máy thu trạm cơ sở có thể đo được sử dụng các ký hiệu hoa tiêu và sau đó được lấy trung bình thông qua mạch lọc thông thấp. Ở đây, sử dụng công suất nhiễu cộng tạp âm trung bình để tính toán sự thay đổi kênh truyền: )1()1()( −+−= kukk iii δδ (3.35) ui(k) biễu diễn quá trình tạp âm. Đặt zi(k) là phép đo )(kiδ : )()()( kvkkz iii += δ (3.36) vi(k) là nhiễu phép đo ở máy thu trạm gốc. Nếu giả sử rằng ui(k) và vi(k) có phân bố Gauss thì mạch lọc Kalman có thể được dùng để đánh giá sự thay đổi kênh truyền. Mạch lọc Kalman cho bởi: ))1(ˆ)()(()1(ˆ)(ˆ −−Κ+−= kkzkkk iiii δδδ δ (3.37) Với độ khuyếch đại mạch lọc Kalman, và được tính như sau: )(kδΚ )()()1( )()1()( kRkUkP kUkPk ii i ++− +−=Κ δ δ δ (3.38) )(kδΡ được tính như sau: Đỗ Thị Thu – K46ĐB 63 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA )()()1( ))()1()(()( kRkUkP kUkPkRkP ii ii ++− +−= δ δ δ (3.39) Với điều kiện ban đầu: và . Sơ đồ điều khiển công suất với bộ ước lượng được trình bày như hình 3.7. )0(ˆ)]0([ iiE δδ = δδ ii PE =)]0([ 2 Bộ đánh giá trong vòng phản hồi có thể là mạch lọc Kalman nếu sự dao động của sự thay đổi kênh là hàm Gauss. Nhưng thông thường nó không có dạng phân bố Gauss do đó ta phải chọn mạch lọc ∞Η thay vì mạch lọc Kalman. Bằng việc sử dụng kỹ thuật lọc, ta đạt được: ))()((ˆ)k()1+( kykk i tar iiii −+Ρ=Ρ γα (3.40) Với: )(ˆ/1)(ˆ kk i opt i αα = Để chỉ ra sự hội tụ của SIR của người dùng tới giá trị mục tiêu ta vận hành thuật toán điều khiển công suất ngẫu nhiên bằng việc sử dụng mạch lọc Kalman. Để giảm sự vượt quá trong bộ điều khiển ta sử dụng một bộ điều khiển đạo hàm tỷ lệ (PD) như hình 3.7. PD sẽ làm giảm sự vượt quá và cải thiện đáp ứng nhanh. Lúc này ta phải chỉnh tham số điều khiển α . tar iγ )(kyitari −γ )(kiα f( ) f2( ) )(ˆ kiδ )(ˆ kiδ in dB Bộ ước lượng f1( ) )(kiδ in dB Z aZ − 1−Zpi(k+1) pi(k) hni(k) yi(k) L LPF)(kiδ )(ˆ kIi Ii(k) Si(k) tạp âm - Hình 3.7 Hệ thống điều khiển công suất sử dụng bộ điều khiển đạo hàm tỷ lệ 3.5.4 Kết luận và thảo luận Sơ đồ điều khiển công suất ngẫu nhiên được xuất phát bằng việc chỉ sử dụng giá trị trung bình của bình phương lỗi ra mạch lọc. Phần nghiên cứu này dựa vào máy đo SIR cho tín hiệu hoa tiêu hợp kênh theo thời gian với phép đo SIR giả sử gồm nhiễu Gauss trắng. Sau đó sơ đồ điều khiển công suất ngẫu nhiên tối ưu đạt được bằng cách làm tối thiểu sự thay đổi công suất phát của máy di động và sự thay đổi của sai số SIR. Đỗ Thị Thu – K46ĐB 64 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA Trong phép đo thực tế, nhiễu trong phép đo có thể không tuân theo phân bố Gauss. Vì vậy bài toán điều khiển công suất được trình bày chính xác như là bài toán điều khiển toàn phương tuyến tính ngẫu nhiên. Lời giải cho hệ thống như vậy có thể tìm thấy trong [4]. Thêm sự lượng tử hóa vào lệnh điều khiển công suất, ta nhận được thuật toán điều khiển công suất nhiều bước. Công suất phát được làm tròn tới mức công suất gần nhất. Sự mô phỏng chỉ ra rằng việc thực hiện sẽ không ảnh hưởng quá nhiều khi lượng tử 4 bit. SIR của người dùng vẫn hội tụ tới giá trị mong muốn [13]. Có thể mong muốn đánh giá SIR hơn là đo SIR tuy nhiên sự thay đổi của SIR là không tuyến tính, mạch lọc Kalman phải được mở rộng [2]. Trong phần nghiên cứu này để đạt được lời giải tối ưu cho bài toán điều khiển công suất ngẫu nhiên, chỉ giả sử phép đo SIR là quá trình ngẫu nhiên, hệ số liên kết giả sử là cố định trong nhóm điều khiển công suất (PCG) cho đơn giản. Đỗ Thị Thu – K46ĐB 65 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA KẾT LUẬN CHUNG Quá trình nghiên cứu và thực hiện khóa luận đã thu được một số kết quả như sau: - Về lý thuyết: Khóa luận đưa ra những kiến thức chung nhất và cơ bản nhất về thông tin di động cũng như xu hướng phát triển lên thế hệ ba. Trong đó dành nhiều thời gian cho việc tìm hiểu về kênh truyền và những đánh giá quan trọng về kênh vô tuyến trong thông tin di động thế hệ ba. Từ đó thấy rằng việc điều khiển công suất đóng góp phần quan trọng cho hệ thống hoạt động hoàn hảo hơn. Có nhiều phương pháp để điều khiển công suất nhưng trong khóa luận tôi đã tập trung nghiên cứu một phương pháp đó là “phương pháp ngẫu nhiên làm tối thiểu phương sai” và tìm ra được cách áp dụng vào bài toán cụ thể. - Về thực nghiệm: Đã học hỏi, thực hành với Matlab nhằm xây dựng được các thuật toán tính toán tạo ra các mã, tính xác xuất lỗi bit, mô phỏng cho thuật toán điều khiển công suất. Trong thời gian nghiên cứu tiếp theo, tôi hy vọng có thể thực hiện được các tính toán cụ thể hơn và tối ưu hơn nữa. Đỗ Thị Thu – K46ĐB 66 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA PHỤ LỤC – Mã nguồn các chương trình %----------------------------------------------- % Chương trình tính toán tạo chuỗi Gold %----------------------------------------------- %Chuong trinh tao ra 1 chuoi Gold tu cac cap chuoi m phu hop %Cac chuoi m phai co cung chu ki N=2^n-1 %Va cac chuoi m nay phai la 1 so le disp('Cac chuoi-m phu hop la cac chuoi co m le '); m=input('Nhap bac cua tin hieu gia ngau nhien m = '); %Bac cua da thuc sinh disp('Nhap cac chi so cua da thuc sinh ( Chi la 0 hoac 1): ') D=2^m-1; for id=1:m+1 g1(id)=input('g1='); end %m la so trigo can dung=bac PN x=dayGNN(m,D,g1); disp('Nhap chi so cua da thuc sinh thu 2'); for id=1:m+1 g2(id)=input('g2='); end y=dayGNN(m,D,g2); disp('cac thanh phan cua chuoi Gold : '); x for k=0:D-1 y1=xor(x,dichvong(y,k)) end %----------------------------------- % Chương trình tạo hàm Wash. %----------------------------------- % Tao ma tran Hadamard N=input('Bam muon tao ham Wash bac bao nhieu (phai la so mu cua 2) N='); a=hadamard(N); for i=1:N for j=1:N if a(i,j)==1 a(i,j)=0; else a(i,j)=1; end end end Đỗ Thị Thu – K46ĐB 67 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA disp('Ham Walsh :'); %--------------------------------------- % Chương trình tạo chuỗi Kasami. %--------------------------------------- m=input('Nhap bac cua tin hieu gia ngau nhien m = '); %Bac cua da thuc sinh disp('Nhap cac chi so cua da thuc sinh ( Chi la 0 hoac 1): ') D=2^m-1; for id=1:m+1 g(id)=input('g='); end %m la so trigo can dung=bac PN x=dayGNN(m,D,g) dd=2^(m/2)-1; %Chu ky cua chuoi y s=2^(m/2)+1; %so chuoi x ma y lay mau y=zeros(1,D); k=1; x1=x; for jd=1:s x1=[x1 x]; end for id=1:D y(1,id)=x1(1,k); k=k+5; end y1=xor(x,y) t=2^(m/2)-2; %So dich vong a=2^(m/2)-2; for t=1:a disp('X xor dichvong(y) = '); xor(x,dichvong(y,t)) end %--------------------------------------------- % Chương trình tạo dãy giả ngẫu nhiên. %--------------------------------------------- m=input('Nhap bac cua tin hieu gia ngau nhien m = '); N=2^m-1 %m la so trigo can dung=bac PN D=input('ban can tin hieu gia ngau nhien co do dai la bao nhieu bit ? , D = '); disp('Thiet lap trang thai ban dau cua cac trigo'); Đỗ Thị Thu – K46ĐB 68 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA MatranPN=zeros(D,m); %Khoi tao trang thai ban dau cho cac trigo %Nen chon trang thai xen ke 1 0 1 0 1 0 1 0.... for i=1:m MatranPN(1,:)=1; end Khoi_tao=MatranPN(1,:) for i=1:(D-1) for j=1:(m-1) MatranPN(i+1,1)=xor(MatranPN(i,4),MatranPN(i,5));%Khoi tao tiep %nhung hang con lai cua ma tran %Chi voi nhung bit dau sau do se duoc dich dan sang phai %Voi gia thiet tin hieu phan hoi ve trigo 1 duoc lay tu trigo 4&5 %Tuc la D1=D4 xor D5 MatranPN(i+1,j+1)=MatranPN(i,j); %Thuc hien ghi dich moi khi co xung nhip tac dong end end %Tuy theo tung loai da thuc sinh ung voi cac cac bac cua tin hieu GNN khac nhau ma ta co cac vi tri de lay XOR phan hoi khac nhau %VD Voi tin hieu GNN bac 5 : m=5 thi de tao ra tin hieu gia ngau nhien ta %co the lay D1=D4 xor D5 ,Day la tinh nguyen tac cua chuoi GNN bang_chan_li_cua_he_thong=MatranPN disp('Tin hieu gia ngau nhien duoc phat ra :'); dayGNN=(MatranPN(:,m))' %Tin hieu GNN duoc lay tu loi ra cua trigo D thu 2 %------------------------------------------------------------------ % Chương trình tính toán thực hiện điều khiển công suất. %------------------------------------------------------------------ % So nguoi su dung N N=10; p_g=2; %Tinh theo dB p_gain=10^(p_g/10); SIR_tar=7; SIR_target=10^(SIR_tar/10); Pmin=0.0063; %Wat Pmax=2; %Wat t=0:0.625:200; P=zeros(N,length(t)); P(:,1)=Pmin;% Cong suat phat ban dau cua tat ca nguoi dung deu bang nhau va bang Pmin for id=1:length(t) SIR_tot=0; Đỗ Thị Thu – K46ĐB 69 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA for jd=1:N SIR(jd)=10*rand; %o dang dB if SIR(jd)<SIR_tar SIR(jd)=SIR(jd) + 0.97*(SIR_tar-SIR(jd)); else SIR(jd)=SIR(jd) - 0.97*(SIR(jd)-SIR_tar); end SIR_in(id,jd)=10^(SIR(jd)/10); SIR_tot=SIR_tot+SIR(jd); end SIR_ave(id)=(1/N)*SIR_tot; end SIR_ave; plot(t,SIR_ave); xlabel('t (voi cac buoc 0.625ms)'); ylabel('SIR trung binh cua tat ca nguoi dung'); figure(2); SIR_inv=SIR_in'; for id=1:N for jd=2:length(t) if P(id,jd-1)<Pmax P(id,jd)=P(id,jd-1)+1.4*(SIR_target-SIR_inv(id,jd-1)); else P(id,jd)=P(id,jd-1)+0.02*(SIR_target-SIR_inv(id,jd-1)); end end end plot(t,P(1,:),'-.',t,P(2,:),':',t,P(3,:)) legend('Nguoi dung 1','Nguoi dung 2','Nguoi dung 3'); xlabel('t (voi cac buoc 0.625ms)'); ylabel('Cong suat phat may di dong (W)'); %--------------------------------------- %Chương trình đo xác xuất lỗi bit. %--------------------------------------- function [p]=doxsloi(SNRindB,Lc,A,w0) SNR=10^(SNRindB/10); %Doi lai dang so do SNR khi nhap la dang dB sigma=1; Eb=2*sigma*SNR; %muc tin hieu yeu cau de dat dc ti so tin tren tap cho truoc E_chip=Eb/Lc; %Nang luong chip N=1000; %So bit truyen num_of_err=0; for id=1:N temp=rand; % temp= mot gia tri ngau nhien bat ky <1 if (temp<0.5) Đỗ Thị Thu – K46ĐB 70 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA data=-1; else data=1; end for jd=1:Lc repeat_data(jd)=data; temp=rand; if temp<0.5 PN_seq(jd)=-1; else PN_seq(jd)=1; end end %Tin hieu truyen trans_sig=sqrt(E_chip)*repeat_data.*PN_seq; %AWGN voi phuong sai sigma^2 noise=sigma*randn(1,Lc); %Nhieu m=(id-1)*Lc+1:id*Lc; interference=A*sin(w0*m); %Tin hieu nhan rec_sig=trans_sig+noise+interference; %Xac dinh phuong sai tu tin hieu nhan temp=rec_sig.*PN_seq decision_variable=sum(temp); %Lam quyet dinh if (decision_variable<0) decision=-1; else decision=1; end if (decision~=data) num_of_err=num_of_err+1; end end %Xac suat loi do duoc p=num_of_err/N; %---------------------------------- %Mô phỏng trải phổ trực tiếp %---------------------------------- Lc=20; %so chip/bit A1=2; %Cac bien do nhieu hinh sin A2=7; Đỗ Thị Thu – K46ĐB 71 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA A3=12; A4=0; w0=1; %tan so cua nhieu tinh = Radian SNR_in_dB=0:2:30; for id=1:length(SNR_in_dB) %Do toc do loi bit loi1(id)=doxsloi(SNR_in_dB(id),Lc,A1,w0); loi2(id)=doxsloi(SNR_in_dB(id),Lc,A2,w0); loi3(id)=doxsloi(SNR_in_dB(id),Lc,A3,w0); loi4(id)=doxsloi(SNR_in_dB(id),Lc,A4,w0); end semilogy(SNR_in_dB,loi1,SNR_in_dB,loi2,'- .',SNR_in_dB,loi3,'*',SNR_in_dB,loi4,':') legend('Xs loi khi co nhieu hinh sin thu 1','Xs loi khi co nhieu hinh sin thu 2','Xs loi khi co nhieu hinh sin thu 3','Xs loi khi ko co nhieu song hinh sin'); Đỗ Thị Thu – K46ĐB 72 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA Tài liệu tham khảo Tiếng Anh [1] A.Hamid Aghvami, Lin Wang, and Williams G.Chambers, “Capacity Estimation of SIR-based Power Controlled CDMA Cellular Systems in Presence of Power Control Error”, Centre for Telecomunications Research King’SIR College London, UK, 2000. [2] A. Andrews, M. Grewal, “Kalman Filter – Theory and Practical”,Prentice-Hall, NJ, 1993. [3] Sounmya Das, Sachin Ganu, Natalia Rivera, Ritabrata Roy, “Performance Analysis of Downlink Power Control in CDMA Systems”, 2002. [4] A. Germani, G. Mavelli, “Optimal Quadratic Solution for the non-Gaussian finite- horizon Regulator Problem”, Systems & Control letters, Vol.38, pp.321-331, 1999. [5] Savo G. Glisic, “Adaptive WCDMA: Theory and Practice”, 2003 [6] Andrea Goldsmith, Tim Hoolliday, Peter Glynn, “Optimal Power Control for CDMA Systems in the Wideband Limit”, 2002. [7] Vesa Hasu, “Eigenvalue Approach to Joint Power Control and Beamforminh for CDMA Systems”, Helsinki University of Technology, 1999. [8] H.Kwakernaak, R.Sivan, “Linear Optimal Control Systems”, Wiley, 1972. [9] Adit Kurniawan, “Predictive Power Control in CDMA Systems”, February 2003. [10] Xiangfang Li, Zoran Gajic, “An Improved SIR-based Power Control for CDMA Systems using Steffensen Iterations”,2000 [11] Ling Lv, Shihua Zhu, Yonggang Wang, “A Distributed Power Control Algorithm for Wideband CDMA Cellular Mobile Systems”, National Science Foundation of China under Grant, No.69672017, [12] Lijun Qian, Zoran Gajic, “Variance Minimization Stochastic Power Control in CDMA systems”, November 4, 2002. Đỗ Thị Thu – K46ĐB 73 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA [13] D.Ramakri, N.Mandayam, R.Yates, “Subspace Based Estimation of the Signal-to- Interferance for CDMA Cellular Systems”, Proc.IEEE 47th Vehicular Technology Conference, May, 1997. [14] Theodore S.Rappaport, “Wireless Comunication”, The institute of electrical and electronics enginer New York, New York [15] Man Young Rhee, “CDMA Cellular Mobile Communication and Network Security”, Prentice Hall PTR, 1998. [16] R.D.Yates and S.Ulukus, “Stochastic Power Control for Cellular radio systems”, IEEE Transactions on Comunications, vol.46, No.6, June 1998. Tiếng Việt [17] Nguyễn Quốc Bình, “Các hệ thống thông tin hiện nay trình bày thông qua sử dụng Matlab”, NXB Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự, 2003. [18] Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động”, NXB Bưu Điện, 6/2002. [19] Nguyễn Phạm Anh Dũng, “CDMA one và CDMA 2000”, NXB Bưu Điện, 7/2003. [20] Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Giáo trình thông tin di động thế hệ ba”, NXB Bưu Điện, 3/2004. [21] Nguyễn Hoàng Hải, “Lập trình Matlab”, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, 2003. [22] Nguyễn Viết Kính, “Thông tin không dây – Nguyên tắc và thực hành”, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội, 1999. [23] Vũ Đức Thọ, “Thông tin di động số”, NXB Giáo Dục, 1997. [24] Tạp chí PCWorld Việt Nam, 8/2002. Đỗ Thị Thu – K46ĐB 74 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA MỤC LỤC Thuật ngữ viết tắt Mở đầu……………………………………...……………………………………….1 CHƯƠNG 1. KHÁI QUÁT CHUNG ........................................................................8 1.1 Lịch sử phát triển thông tin di động .................................................................8 1.2 Những đặc thù cơ bản của thông tin di động .................................................10 1.3 Một số tính năng đạt được trong hệ thống thế hệ thứ hai và ba .....................10 CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ BA (CDMA) ......12 2.1 Đặc điểm của hệ CDMA ................................................................................12 2.1.1 Vùng phủ sóng của CDMA ....................................................................14 2.1.2 Cấu trúc của kênh CDMA ......................................................................14 2.1.3 Xử lý cuộc gọi .........................................................................................18 2.1.3.1 Xử lý cuộc gọi tại máy di động........................................................18 2.1.3.2 Xử lý cuộc gọi trạm cơ sở ................................................................19 2.2 Trải phổ trong hệ thống thông tin di động CDMA ........................................20 2.2.1 Các hệ thống thông tin trải phổ ...............................................................20 2.2.2 Mã giả tạp âm..........................................................................................22 2.2.2.1 Chuỗi m............................................................................................22 2.2.2.2 Các thuộc tính của chuỗi m..............................................................28 2.2.3 Các chuỗi Gold........................................................................................29 2.2.4 Các chuỗi Kasami....................................................................................31 2.2.5 Các hàm trực giao....................................................................................32 2.2.6 Các hệ thống DSSS-BPSK......................................................................33 2.2.6.1 Máy phát DSSS-BPSK ....................................................................33 2.2.6.2 Máy thu DSSS-BPSK ......................................................................35 2.2.6.3 Mật độ phổ công suất (PSD)............................................................36 2.2.6.4 Độ lợi xử lý Gp.................................................................................38 2.2.7 Các hệ thống DSSS-QPSK .....................................................................38 2.2.7.1 Điều chế ...........................................................................................38 2.2.7.2 Giải điều chế ....................................................................................39 2.2.8 Hiệu năng của hệ thống DSSS ................................................................40 Đỗ Thị Thu – K46ĐB 75 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN Khóa luận tốt nghiệp Điều khiển công suất trong hệ thống CDMA 2.2.8.1 Ảnh hưởng của tạp âm trắng và nhiễu gây nghẽn ...........................40 2.2.8.2 Ảnh hưởng của nhiễu và truyền đa tia .............................................42 2.3 Các kỹ thuật xử lý số và truyền dẫn ở hệ thống thông tin di động thế hệ ba .45 2.3.1 Sơ đồ khối của một thiết bị thu phát vô tuyến số ...................................45 2.3.1.1 Sơ đồ khối chung .............................................................................45 2.3.1.2 Sơ đồ khối của máy thu/phát............................................................46 2.3.2 Máy thu RAKE........................................................................................47 2.3.3 Điều khiển công suất ...............................................................................49 CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TRONG CDMA...............................50 3.1 Tại sao phải điều khiển công suất...................................................................50 3.2 Điều khiển công suất vòng hở (OPC).............................................................50 3.3 Điều khiển công suất vòng kín .......................................................................51 3.4 Một vài phương pháp điều khiển công suất cho mô hình cụ thể ....................54 3.5 Phương pháp ngẫu nhiên làm tối thiểu phương sai [12 ..................................56 3.5.1 Giới thiệu phương pháp...........................................................................56 3.5.2 Nội dung phương pháp và một số kết quả mô phỏng .............................57 3.5.3 Mở rộng kết quả và phân tích..................................................................63 3.5.4 Kết luận và thảo luận...............................................................................64 Kết luận chung………………………………………...…………………………..60 Tài liệu tham khảo Phụ lục – Mã nguồn các chương trình Đỗ Thị Thu – K46ĐB 76 Đại Học Công Nghệ - ĐHQGHN