Thạc Sĩ Kỹ thuật tách nguồn mù (bss) ứng dụng trong truyền thông không dây mimo hợp tác

MỞ ĐẦU
Hệ thống truyền thông hợp tác được nghiên cứu trong vài năm gần đây có thể khai thác được tính phân tập không gian ngay khi các máy thu phát chỉ có một anten, do đó có thể giảm được kích thước, độ phức tạp và chi phí cho thiết bị. Đây là một kỹ thuật mới trong truyền thông không dây, cho phép người dùng có thể hoạt động như một trạm chuyển tiếp (máy relay) hỗ trợ truyền tín hiệu đến người khác. Tùy theo cách máy relay thực hiện xử lý và chuyển tiếp tín hiệu đến máy đích mà ta có các kiểu hợp tác khác nhau, trong đó kiểu hợp tác khuếch đại-chuyển tiếp (AF - Amplify-and-Forward) được xem là đơn giản nhất vì máy relay chỉ thực hiện khuếch đại tín hiệu và sau đó truyền đến máy đích. Tùy theo hệ số khuếch đại mà kiểu AF được chia thành hai loại: AF có hệ số khuếch đại cố định và AF có hệ số khuếch đại biến thiên. Kiểu AF dùng hệ số khuếch đại biến thiên cho hiệu quả tốt hơn so với hệ số khuếch đại cố định vì nó được tính theo hệ số kênh truyền giữa máy nguồn và máy relay (kênh s-r), đảm bảo tín hiệu do máy relay truyền đến máy đích có công suất ổn định và bằng với công suất tín hiệu do máy nguồn truyền [7]. Trong hệ thống MIMO (Multiple - Input Multiple - Output ) hợp tác, theo tài liệu [1], thông tin kênh s-r cũng cần có ở máy đích để khôi phục tín hiệu. Do đó, trong các đề tài nghiên cứu hiện nay về hệ thống hợp tác thường sử dụng cách ước lượng thông tin kênh s-r trực tiếp ở máy đích dựa vào chuỗi huấn luyện do máy nguồn gởi [1],[2]. Cách này có ưu điểm là máy nguồn không cần phải gởi chuỗi huấn luyện cho máy relay, tránh được lỗi lượng tử khi chuyển thông tin kênh từ máy relay đến máy đích, tiết kiệm được băng thông và công suất truyền tín hiệu. Tuy nhiên, khi thông tin kênh s-r được ước lượng ở máy đích thì máy relay chỉ sử dụng hệ số khuếch đại cố định được tính theo trị thống kê của kênh truyền nên làm giảm hiệu quả hệ thống so với sử dụng hệ số biến thiên. Do đó đề tài này hướng đến thực hiện ước lượng mù ma trận kênh truyền s-r ở máy relay mà không cần sử dụng chuỗi huấn luyện, thông tin kênh sau ước lượng được sử dụng để tính hệ số khuếch đại biến thiên.
Ước lượng mù ma trận kênh truyền là một ứng dụng của kỹ thuật phân tách nguồn mù (BSS - Blind Source Separation). Mục tiêu chính của đề tài là áp dụng kỹ thuật BSS ở máy relay trong mạng MIMO hợp tác để ước lượng ma trận kênh s-r mà không cần dùng chuỗi huấn luyện. Khi đó máy relay dùng hệ số khuếch đại biến thiên được tính theo hệ số kênh truyền ước lượng nên cho hiệu quả tốt hơn so với
dùng hệ số khuếch đại cố định. Luận văn được trình bày theo 4 chương như sau:
- Chương 1 trình bày về hiện tượng fading trong truyền thông không dây và các kỹ thuật phân tập giảm ảnh hưởng của hiện tượng fading. Kỹ thuật mã hóa STBC (Space-Time Block Code ) và hệ thống MIMO cũng được trình bày để có khái niệm cơ bản trong hệ thống MIMO hợp tác.
- Chương 2 trình bày cơ bản về truyền thông không dây hợp tác với hai kiểu hợp tác phổ biến là AF và DF (Decode-and-Forward). Chương này cũng trình bày cách tính hệ số khuếch đại tối ưu trong hệ thống MIMO hợp tác kiểu AF và vấn đề ước lượng kênh hợp tác ở máy đích dựa trên chuỗi huấn luyện kênh.
- Chương 3 là nội dung cơ bản của kỹ thuật phân tách nguồn mù (BSS). Nội dung chính của chương là ước lượng mù các tín hiệu thực và tín hiệu phức bằng kỹ thuật phân tích thành phần độc lập (ICA - Independent Component Analysis) và thuật toán JADE.
- Chương 4 là thực hiện ứng dụng kỹ thuật BSS để ước lượng mù kênh truyền ở máy relay trong hệ thống MIMO hợp tác. Hai thuật toán ước lượng được sử dụng là FastICA và JADE. Phần cuối của chương trình bày kết quả mô phỏng trên máy tính hiệu quả của hệ thống MIMO hợp tác khi sử dụng kỹ thuật BSS.
Kết quả của đề tài thể hiện hiệu suất hệ thống MIMO hợp tác khi sử dụng kỹ thuật BSS ở máy relay. Khi đó máy relay có thể ước lượng được ma trận kênh s-r mà không cần dùng chuỗi huấn luyện kênh, nên hệ số khuếch đại biến thiên được dùng thay cho hệ số cố định để cải thiện hiệu suất cho hệ thống, nâng cao hiệu quả sử dụng băng thông nên đặc biệt hữu ích trong các mạng truyền tin băng hẹp trong thực tế. Vì còn nhiều hạn chế nên đề tài không tránh được sự thiếu sót, tác giả mong
nhận được ý kiến đánh giá, góp ý để hoàn thiện đề tài tốt hơn.

MỤC LỤC
​

MỤC LỤC . 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT . 4
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . 6
DANH MỤC CÁC BẢNG 8
MỞ ĐẦU . 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY . 12
1.1 Kênh truyền fading và kỹ thuật phân tập 12
1.1.1 Kênh truyền dẫn fading 12
1.1.2 Các kỹ thuật phân tập . 15
1.2 Các kỹ thuật kết hợp phân tập . 17
1.2.1 Phương pháp EGC (Equal Gain Combining) . 18
1.2.2 Phương pháp MRC (Maximal Ratio Combining) 19
1.3 Kỹ thuật mã hóa không-thời gian 22
1.3.1 Mã hóa không-thời gian (Space-Time Coding) . 22
1.3.2 Bộ giải mã ML (Maximum Likelihood) 26
1.4 Hệ thống MIMO 27
1.5 Tóm tắt chương 1 29
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 30
2.1 Kỹ thuật truyền thông hợp tác . 30
2.1.1 Kiểu hợp tác AF (Amplify-and-Forward) 32
2.1.2 Kiểu hợp tác DF (Decode-and-Forward) . 39
2.1.3 Một số kiểu hợp tác khác . 43
2.2 Hệ thống MIMO hợp tác . 44
Trang 2
2.2.1 Không có kết hợp tín hiệu 46
2.2.2 Có kết hợp tín hiệu . 49
2.3 Ước lượng kênh trong hệ thống truyền thông hợp tác 52
2.4 Tóm tắt chương 2 55
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT PHÂN TÁCH NGUỒN MÙ . 57
3.1 Vấn đề phân tách nguồn mù 57
3.2 Phân tích thành phần độc lập (ICA) 59
3.2.1 Nguyên lý ước lượng trong ICA 60
3.2.2 Tiền xử lý tín hiệu 61
3.2.3 Thuật toán FastICA 63
3.2.4 Tính không xác định của ICA 68
3.3 Thuật toán BSS khác . 69
3.3.1 Thuật toán JADE 69
3.3.2 Phân tích thành phần thưa (SCA) . 70
3.4 Tóm tắt chương 3 73
CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BSS TRONG HỆ THỐNG MIMO HỢP TÁC . 74
4.1 Ước lượng kênh trong hệ thống MIMO hợp tác . 74
4.2 Uớc lượng mù kênh truyền ở máy relay . 76
4.3 Kết quả mô phỏng . 78
4.3.1 Thông số mô phỏng 78
4.3.2 Có kênh truyền trực tiếp . 78
4.3.3 Không có kênh trực tiếp . 85
4.4 Tóm tắt chương 4 90
Trang 3
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 92
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 94