-
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ - TIN HỌC - TỰ ĐỘNG HOÁ
THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ
CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2012
-
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ - TIN HỌC - TỰ ĐỘNG HOÁ
THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ
CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
Chuyên ngành : Kỹ thuật Viễn thông
Mã số : 62 52 70 05
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2012
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận án: "Thuật toán ước lượng các tham số của tín
hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến" là công trình nghiên cứu của riêng
tôi.
Các s
ố liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực, một phần đã
được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành, kỷ yếu hội nghị
khoa học trong nước và quốc tế.
Ph
ần còn lại chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu
nào.
Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2012
NGHIÊN CỨU SINH
Phạm Duy Phong
M
ỤC LỤC iii
DANH M
ỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH M
ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi
DANH M
ỤC CÁC BẢNG BIỂU xiii
M
Ở ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ CỦA
TÍN HI
ỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 9
1.1. T
ổng quan về ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông
tin vô tuy
ến 9
1.2. K
ỹ thuật ước lượng DOA 11
1.2.1. Điều kiện và những thông số ảnh hưởng đến việc ước lượng
DOA 11
1.2.2. Công th
ức tổng quát của bài toán DOA 12
1.2.3. Phương trình ma trận cho dàn ăng ten 15
1.2.4. Ma tr
ận hiệp phương sai của tín hiệu thu từ dàn ăng ten: 15
1.2.5. Thu
ật toán ước lượng DOA 17
1.
2.6. Ước lượng DOA của các tín hiệu tương quan 17
2.1.5. Nh
ận xét 37
2.2. Đề xuất giải pháp ước lượng dịch tần sóng mang CFO trong hệ thống
thông tin vô tuy
ến MIMO 38
2.2.1. Gi
ới thiệu 38
2.2.2. Mô hình h
ệ thống 40
2.2.3. Đề xuất phương pháp ước lượng dịch tần số 41
2.2.4. K
ết quả mô phỏng 43
2.3. Đề xuất kiến trúc hệ thống thu cho bài toán ước lượng DOA 46
2.3.1. Gi
ới thiệu 46
2.3.2. H
ệ thống tìm hướng đơn kênh và xử lý tín hiệu 48
2.3.3. K
ết quả mô phỏng 51
2.3.4. Nh
ận xét 52
K
ết luận chương 2 53
CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG ĐỒNG THỜI NHIỀU
THAM S
Ố CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ
TUY
ẾN 54
3.1. Thu
ật toán ước lượng đồng thời hướng sóng tới trong mặt phẳng
4.1.4. Ước lượng tín hiệu, nhiễu và các tham số không tập trung 79
4.1.5. K
ết quả mô phỏng 81
4.2. Đề xuất giải pháp cảm nhận phổ dùng kỹ thuật xử lý song song và luật
OR 84
4.2.1. Gi
ới thiệu 84
4.2.2. Các máy thu vô tuy
ến nhận thức đa ăng ten và đơn ăng ten 85
4.2.3. H
ệ thống sử dụng kỹ thuật xử lý song song và luật OR 89
4.2.4. H
ệ thống đề xuất sử dụng hai ăng ten 90
4.2.5. K
ết quả mô phỏng 93
K
ết luận chương 4 96
K
ẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 97
DANH M
ỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 99
TÀI LI
ỆU THAM KHẢO 100
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
1 ADC
Analog to Digital
Converter
B
ỗi bí
t
8 BLER Block Error Rate Tỷ lệ lỗi khối
9 CDF C
umulative Distribution
Function
Hàm phân b
ố tích luỹ
10
CFO
Carrier Frequency Offset
D
ịch tần số sóng mang
11 CFR
Channel Frequency
Response
Đáp ứng tần số của kênh
12
CIR
Channel Impulse Response
Đáp
ứng xung
c
ủa
kênh
13 CNR Carrier to Noise Ratio Tỷ số công suất sóng mang tr
ên
tạp âm
14 CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức
15
22 DS Discrete Source Nguồn rời rạc
23 DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số
24 EGC Equal Gain Combining Kết hợp tăng ích đều
25
ES
Extended Source
Ngu
ồn mở rộng
26 ESPRIT
Estimation of Signal
Parameters v
ia Rotational
Invariance Techniques
Ước lượng tham s
ố tín hiệu dựa
vào kỹ thuật bất biến quay
27
FBSS
Forward
-
Backward
Spatial
Smoothing
Làm
mư
ợt miền không gian
thuận nghịch
28 FDD
Frequency Division
Duplex
Inverse Discr
ete Fourier
Transform
Bi
ến đổi Fourier ng
ư
ợc rời rạc
36 IFFT
Inverse Fast Fourier
Transform
Bi
ến đổi Fourier ngược nhanh
37 ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký hiệu
viii
STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
38 ISM
Industrial, Scientific and
Medical
Y t
ế, khoa học và công nghiệp
39 LMMSE Linea
r Minimum Mean
Square Error
L
ỗi bình phương t
ối thiểu tuyến
tính
40 LMS Least Mean Square Trung bình bình phương nh
ỏ
nhất
Phương pháp ư
ớc l
ư
ợng chuỗi
khả năng lớn nhất
51 MMSE
Minimum Mean Square
Error
L
ỗi bình phương trung bình t
ối
thiểu
52
MPC
Multi
-
Path C
omponents
Các thành ph
ần đa đ
ư
ờng
53 MRC Maximum Ratio Combing Kết hợp tỷ số tối đa
54 MSE Mean Square Error Lỗi bình phương trung bình
55
MSS
Modified S
patial
Smoothing
Phương pháp làm mư
arts Per M
illion
P
h
ần triệu
61 PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất
62 QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
63 RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
64
RMS
Root Mean Square
Căn quân phương
65 RMSE Root Mean Square Error Lỗi căn quân phương
66 RT Ray Tracing Thuật toán tìm tia
67 SC Selection Combining Kỹ thuật kết hợp lựa chọn
68
SDR
Software Defined Radio
Vô tuy
ến xác định bằng phần
mềm
69 SIR Signal to
Interference
Ratio
T
ỷ số tín hiệu trên nhiễu
70 SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra
71 SM Spatial Multiplexing Ghép kênh không gian
72 SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
73 SDMA
SVD
Singular Value
Decomposition
Phân tích giá tr
ị ri
êng
80 TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời
gian
81 TDMA
Time Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo th
ời
gian
82 TLS Total Least Squares Tổng bình phương cực tiểu
83
TOA
Time Of Arrival
Th
ời gi
an t
ới
84 TOPS
Test of orthogonality of
projected subspaces
Ki
ểm tra tính trực giao của
không gian con hình chiếu
85 UE User Equipment Thiết bị đầu cuối
86
M
ạng
c
ục bộ
không dây
xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mô hình sóng truyền lan nhận được bởi các phần tử ăng ten tuyến
tính đồng nhất bố trí trên một đường thẳng 13
Hình 1.2: S
ơ đồ khối hệ thống thu ước lượng hướng sóng tới 13
Hình 1.3. Gi
ản đồ sắp xếp các giá trị riêng tín hiệu 17
Hình 2.1: Mô hình h
ệ thống MIMO 30
Hình 2.2: K
ết quả mô phỏng sử dụng thuật toán 1 33
Hình 2.3: K
ết quả mô phỏng sử dụng thuật toán 2 33
Hình 2.4: K
ết quả mô phỏng sử dụng FFT 34
Hình 2.5:
Ảnh hưởng của SNR lên độ phân giải tần số 35
Hình 2.6:
Độ phân giải của FFT 37
Hình 2.7:
Độ phân giải của thuật toán 1 đề xuất 37
Hình 2.8: Mô hình h
ệ thống MIMO để ước lượng CFO 40
Hình 2.9: RMS c
xii
Hình 3.6: Ước lượng tần số Doppler bằng MUSIC và 3D-SS cải tiến 63
Hình 3.7: Dàn
ăng ten phẳng cho việc ước lượng hướng sóng tới DOA 64
Hình 3.8.
Sơ đồ các phẩn tử của R
xx
được tính toán và lựa chọn các mảng
con My= 6, Mz = 7, sub
My
= 2 và sub
Mz
= 4 66
Hình 3.9. K
ết quả mô phỏng 3D cho một tín hiệu ở
)35,45(),(
o
68
Hình 3.10. K
ết quả mô phỏng 3D cho ba tín hiệu không tương quan tới các
góc (-40°, 20°), (0°, 40°), (40°, 60°) 68
Hình 3.11. K
ết quả ước lượng góc phương vị và góc ngẩng của các nguồn
tín hi
ệu tương quan khi không dùng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến69
Hình 3.12. K
ết quả mô phỏng 3D cho ba tín hiệu không tương quan tới các
góc (-30°, 20°), (0°, 40°), (40°, 70°) khi áp d
ụng kỹ thuật làm mịn không
= 0.01 và 2T = 10 mẫu 94
xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các thông số ảnh hưởng tới độ phân giải 36
B
ảng 4.1: P
FA
= 0,001 và 2T = 30 mẫu 94
B
ảng 4.2: P
FA
= 0,005 và SNR = -5 dB 95
B
ảng 4.3: P
D
= 0,95 và SNR = -3 dB 95
1
MỞ ĐẦU
Trong thời đại phát triển bùng nổ của các hệ thống thông tin vô
tuy
ến, nhu cầu về chất lượng, dung lượng, các dịch vụ đa phương tiện và
tính đa dạng trong các hệ thống thông tin không dây như thông tin di động,
internet đang tăng lên một cách nhanh chóng tr
ên phạm vi toàn thế giới.
Tuy nhiên, phổ tần số vô tuyến là hữu hạn, muốn tăng dung lượng bắt buộc
phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số. Vì vậy, việc nghiên cứu, ứng dụng
các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến để đáp ứng nhu cầu này luôn là một đòi
h
ỏi cấp thiết. Một trong những kỹ thuật có thể giúp cải thiện đáng kể chỉ
tiêu, dung lượng, tốc độ dữ liệu đỉnh và phạm vi liên lạc của hệ thống được
tần số cho hệ thống thông tin vô tuyến, cải thiện tốc độ dữ liệu, dung lượng
kênh truyền cũng như độ tin cậy so với các hệ thống truyền thông đơn ăng
ten bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và thời gian.
Trong th
ời gian gần đây, các nghiên cứu trên thế giới ngày càng
quan tâm nhi
ều đến các hệ thống thông tin vô tuyến MIMO [7]-[17]. Trong
đó có nhiều hướng nghiên cứu giải quyết các vấn đề khác nhau như bài
toán dung lượng k
ênh MIMO, bài toán ước lượng kênh truyền, bài toán mã
hóa không gian th
ời gian, xử lý tín hiệu không gian thời gian,
Trong h
ệ thống thông tin vô tuyến đa ăng ten này, ngoài các tham số
của tín hiệu trong miền thời gian, miền tần số như trong các hệ thống thông
tin vô tuyến truyền thống thì các tham số về không gian như hướng sóng
tới, hướng sóng đi,… là các tham số đóng vai trò rất quan trọng cần được
ước lượng
. Bên cạnh đó, việc ước lượng đồng thời hai tham số của tín hiệu
tới sẽ mang lại nhiều lợi thế như hạn chế được số phần tử ăng ten sử dụng
trong dàn, sẽ tiết kiệm chi phí, giảm giá thành hệ thống. Do đó, nghiên cứu
các thuật toán ước lượng các tham số của tín hiệu trong miền không gian,
thời gian và tần số trong hệ thống thông tin vô tuyến đa ăng ten cũng như
ước lượng đồng thời hai hay nhiều tham số đang là bài toán luôn được đặt
ra và đóng vai trò quan trọng trong hệ thống. Nghiên cứu tập trung nhiều
vào xử lý tín hiệu không gian thời gian, tần số trong hệ thống dùng nhiều
ăng ten ở cả phía phát và phía thu, để nâng cao chất lượng
, dung lượng của
hệ thống và giảm nhiễu trên cơ sở đa truy nhập phân chia theo không gian
SDMA (Space Division Multiplexing Access) [18]- [21].
bao gồm cả miền không gian, miền thời gian và miền tần số, việc ước
lượng một tham số của tín hiệu bị hạn chế bởi độ phân giải
của hệ thống.
Do đó, nghiên cứu đề xuất phương pháp ước lượng đồng thời nhiều tham
số của tín hiệu không tương quan và tương quan cũng như phát triển các
kiến trúc máy thu mới hướng đến mô hình máy thu thông minh tự cấu hình
trong h
ệ thống thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo là rất cần thiết.
Ngoài ra, do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vô tuyến, vấn
đề khan hiếm phổ đang
giành được sự chú ý. Hiện tại nhiều hệ thống thông
tin vô tuyến sử dụng việc cấp phát phổ cố định như hệ thống WiMAX,
WLAN, ISM hay trong h
ệ thống thông tin di động tế bào. Việc cấp phát
phổ cố định nảy sinh hai vấn đề: Một là sự khan hiếm tài nguyên phổ tần
số, thứ hai là người sử dụng phổ thường có tính chất thay đổi theo không
gian và th
ời gian, vì vậy cấp phát phổ cố định chưa đạt được hiệu suất sử
dụng phổ mong muốn. Vô tuyến nhận thức là một công nghệ vô tuyến có
khả năng cảm nhận về môi trường và tự động điều chỉnh các thông số cho
4
phù hợp với môi trường. Đó chính là giải pháp cho vấn đề khan hiếm phổ
hiện nay. Trong mạng vô tuyến nhận thức, hệ thống tận dụng nguồn tài
nguyên ph
ổ bằng mô hình sử dụng phổ động thay vì kỹ thuật cấp phát phổ
cố định như trước đây. Để thực hiện được kỹ thuật này, vô tuyến nhận thức
phải xác định được tín hiệu người dùng sơ cấp có tồn tại hay không bằng
cách cảm nhận môi trường phổ. Kỹ thuật cảm nhận phổ có thể được chia
thành 4 hướng chính [
22]- [24]: Xác định "lỗ trống phổ" dựa trên sự kết
5
Luận án nghiên cứu về kỹ thuật cảm nhận phổ sử dụng nhiều ăng ten và bộ
tách sóng năng lượng trong
hệ thống vô tuyến nhận thức, đi vào kỹ thuật
xử lý, tính toán mới để tổng hợp nên tín hiệu từ nhiều ăng ten. Hoạt động
của các hệ thống đề xuất được xây dựng trên cơ sở toán học và kết quả mô
phỏng so sánh giữa những mô hình đề xuất với mô hình truyền thống thực
hiện bằng MATLAB.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu tìm ra các giải pháp, thuật toán, mô hình mới ước lượng
các tham số của tín hiệu không tương quan và tương quan trong miền thời
gian, miền tần số, cảm nhận phổ và miền không gian trong hệ thống thông
tin vô tuyến, định vị vô tuyến tiên tiến. Luận án tập trung nghiên cứu bài
toán ước lượng một tham số riêng lẻ và ước lượng đồng thời nhiều tham số
dùng giải thuật có độ phân giải cao. Ngoài ra, luận án cũng nghiên cứu đề
xuất các kỹ thuật cảm nhận phổ trong hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến
sử dụng nhiều ăng ten.
Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu chính của luận án là:
- H
ệ thống thông tin, định vị vô tuyến sử dụng một và nhiều ăng ten.
-
Ăng ten mảng và ứng dụng trong hệ thống thông tin, định vị vô
tuyến.
- Xử lý tín hiệu miền không gian, thời gian và tần số trong hệ thống
thông tin, định vị vô tuyến ti
ên tiến.
- Các kỹ thuật ước lượng một tham số, nhiều tham số của tín hiệu
không tương quan và tương quan
.
của luận án.
Chương 2: Thuật toán ước lượng một tham số của tín hiệu trong hệ
thống thông tin vô tuyến. Trong chương này đề xuất một số ý tưởng mới
nhằm ước lượng một tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến
tiên tiến. Thứ nhất là đề xuất cải tiến một thuật toán, mô hình mới dựa trên
thu
ật toán phân loại tín hiệu đa đường MUSIC để ước lượng FDOA. Thứ
hai là đưa ra hai đề xuất cho việc ước lượng CFO trong các hệ thống
thông
tin vô tuy
ến nhiều ăng ten MIMO: Giải pháp đầu tiên là cải tiến từ giải
pháp cho hệ thống SISO với điều kiện CFO của các nguồn tại một thời
điểm
phải bằng nhau, có thể cho phép CFO của các nguồn thay đổi theo
thời gian và cho độ chính xác tương đối cao. Giải pháp tiếp theo là phát
tri
ển thuật toán từ thuật toán MUSIC truyền thống, dựa trên FDOA. Thứ ba
7
là đề xuất kiến trúc máy thu hoàn toàn số cho bài toán tìm hướng sóng tới
DOA cho hệ thống thông tin, định vị vô tuyến nhiều anten.
Chương 3: Thuật toán ước lượng đồng thời nhiều tham số của tín
hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến: Đề xuất, cải tiến các phương pháp,
mô hình, thuật toán ước lượng đồng thời hai tham số của tín hiệu cho hệ
thống thông tin, định vị vô tuyến tiên tiến, trong đó tập trung vào tham số
không gian là hướng sóng tới trong cả mặt phẳng phương vị v
à góc ngẩng
tà hay góc tà, tham số thời gian tới của tín hiệu hay trễ truyền sóng, dịch
tần Doppler của tín hiệu. Các thuật toán độ phân giải cao dựa trên không
gian con, mô hình d
ữ liệu đề xuất không chỉ áp dụng cho các nguồn tín
OR.
4)
Đề xuất kiến trúc máy thu mới sử dụng cho bài toán ước lượng DOA.
9
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ
CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
1.1. Tổng quan về ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống
thông tin vô tuyến
Các hệ thống vô tuyến đã trở nên phổ biến trong cuộc sống hàng
ngày,
giúp cho con người có thể liên lạc với nhau bất kể vị trí của họ ở đâu.
Dựa trên sự thành công của các hệ thống tế bào, các hệ thống vô tuyến thế
hệ tiếp theo đòi hỏi phải có thông tin tốc độ cao, với chất lượng dịch vụ
(QoS) tốt hơn, hiệu quả sử dụng phổ tần số cao hơn. Trong các hệ thống
thông tin vô tuyến một ăng ten phát một ăng ten thu SISO truyền thống, có
hai cách tiếp cận phổ biến để đạt được tốc độ dữ liệu cao. Cách thứ nhất là
gi
ảm chu kỳ ký hiệu dẫn tới tăng băng thông. Cách thứ hai là tận dụng các
phương thức điều chế
nhiều mức với công suất phát lớn hơn. Tuy nhiên, do
giới hạn về phổ tần số, tăng băng thông là phương án không thực tế. Mặt
khác, tăng công suất phát
làm cho giá thành bộ khuếch đại lớn và giảm thời
gian hoạt động của pin trong thiết bị đầu cuối.
Hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến nhiều ăng ten phát nhiều
ăng ten
thu (MIMO), với nhiều ăng ten ở cả phía phát và phía thu, đang thu
hút
được sự quan tâm nghiên cứu do công nghệ này có khả năng đáp ứng
ục kênh truyền, thực hiện việc đồng bộ cũng như bù lệch tần số tại
các thiết bị đầu cuối trong hệ thống. Việc ước lượng các tham số về không
gian như hướng sóng tới cho phép hệ thống thực hiện việc khôi phục k
ênh
truy
ền có chứa tham số không gian thực hiện chức năng đa truy nhập phân
chia theo không gian SDMA. Ngoài ra, khi biết tham số không gian hướng
sóng tới này, hệ thống tự động hiệu chỉnh đồ thị bức xạ của dàn ăng ten
theo hướng cần thiết để tăng
tỷ số tín hiệu trên tạp âm hay tăng chất lượng
hệ thống thu. Bên cạnh đó, việc ước lượng được tham số không gian còn
giúp cho h
ệ thống định vị được các nguồn tín hiệu, giúp nhà thiết kế hệ
thống mô phỏng kênh không gian, thời gian. Hệ thống có thể ước lượng
các tham số không gian, thời gian, tần số một các độc lập. Hệ thống cũng
có thể ước lượng đồng thời hai hay nhiều tham số của tín hiệu. Việc ước
lượng đồng thời hai tham số của tín hiệu tới sẽ mang lại nhiều lợi thế như
hạn chế số phần tử ăng ten sử dụng trong dàn, do đó có thể tiết kiệm chi
phí và giảm giá thành hệ thống [27].
Ph
ần tiếp theo của Luận án sẽ trình bày tóm tắt các kỹ thuật, thuật
toán ước lượng tham số không gian của tín hiệu là hướng sóng tới
cũng
như các tham số về tần số, tần số Doppler l
àm tiền đề cho các đề xuất, cải
tiến sẽ được trình bày chi tiết ở các chương tiếp theo của luận án.
Copyright: Tài liệu đại học ©