Đồ Án Nghiên cứu một số thuật toán ước lượng hướng sóng tới trong hệ thống thông tin vô tuyến

MỞ ĐẦU
​

Trong thời gian gần đây, hệ thống mạng viễn thông vô tuyến phát triển rất nhanh nhằm đáp ứng sự bùng nổ nhu cầu các thuê bao, nhất là các thuê bao băng rộng. Tiêu biểu trong số các hệ thống đó là các mạng di động thế hệ thứ 3 (3G). Trong thời gian tới, các hệ thống mạng sẽ tiếp tục được phát triển rộng khắp với tiêu chí nâng cao chất lượng dịch vụ và khả năng hỗ trợ người dùng. Góp phần vào việc nâng cao chất lượng dịch vụ là các kỹ thuật xử lý tín hiệu, các thiết bị hiện đại, các công nghệ mới Dựa vào các công nghệ, kỹ thuật mới, nhiều hệ thống được phát triển và ứng dụng tốt trên thực tế. Anten thông minh là một trong những hệ thống thiết bị có đầy đủ các yếu tố trên, nên đang rất được quan tâm.
Thuật toán ước lượng hướng sóng tới là những thuật toán được áp dụng vào hệ thống anten thông minh, tận dụng hiệu quả các kỹ thuật xử lý tín hiệu. Các thuật toán này được thực hiện ở máy thu, nhằm mục đích tìm ra hướng truyền tới của sóng từ xa. Thuật toán này đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống mạng hướng tới phục vụ người dùng với chất lượng dịch vụ cao.
Trên thế giới, rất nhiều công trình nghiên cứu về các thuật toán này được thực hiện tại các trường đại học, các viện nghiên cứu và được các tổ chức uy tín về viễn thông quốc tế như IEEE công nhận. Tại Việt Nam, các thuật toán này đã bắt đầu được nghiên cứu cách đây ít lâu tại các trường đại học hàng đầu như Đại học Bách Khoa Hà Nội, Đại học Quốc Gia Hà Nội, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn Thông, vv Một số các viện nghiên cứu, doanh nghiệp viễn thông cũng đã quan tâm nghiên cứu và hướng đến triển khai thực tiễn. Như vậy, có thể thấy rằng các vấn đề nghiên cứu về thuật toán xác định hướng sóng tới là một vấn đề cấp thiết, có tính khoa học và thực tiễn.
Qua khảo sát thấy rằng, các nghiên cứu về thuật toán xác định hướng sóng tới có thể chia theo các hướng: nghiên cứu cơ bản về một thuật toán mới, nghiên cứu nâng cao và phát triển các thuật toán đã có, nghiên cứu ứng dụng thực tế.
Với mong muốn tìm hiểu sâu sắc hơn và góp phần nhỏ vào hướng nghiên cứu, đồ án tốt nghiệp: “Nghiên cứu một số thuật toán xác định hướng sóng tới trong hệ thống thông tin vô tuyến” đã chọn hướng nghiên cứu cơ bản về thuật toán MUSIC và thuật toán ESPRIT. Phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong đồ án này là xây dựng các mối quan hệ toán học kết hợp với thực hiện mô phỏng và so sánh.
Nội dung đồ án được tổ chức thành 3 chương như sau:
Chương 1: Hệ thống anten thông minh và việc ước lượng hướng sóng tới. Nội dung chương 1 sẽ giới thiệu về hệ thống anten thông minh và nguyên tắc cơ bản của ước lượng hướng sóng tới sử dụng anten thông minh.
Chương 2: Một số thuật toán ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu. Trong chương 2, em sẽ trình bày nội dung của hai thuật toán MUSIC và ESPRIT, hai thuật toán phổ biến nhất trong số các thuật toán ước lượng hướng sóng tới. Các điều kiện để thực hiện thuật toán và một phương pháp ước lượng hướng sóng tới theo kiểu truyền thống cũng được giới thiệu trong chương này.
Chương 3: Ứng dụng các thuật toán ước lượng hướng sóng tới trong hệ thống thông tin vô tuyến. Với các thuật toán đã được giới thiệu ở chương 2, chương 3 sẽ trình bày các kết quả mô phỏng và so sánh các thuật toán này. Tiếp theo đó, chương này sẽ đề xuất một số giải pháp ứng dụng của các thuật toán này trên hệ thống thực tế.
Phần kết luận trình bày những kết quả đồ án đã đạt được, nêu một số hướng nghiên cứu và phát triển đề tài. Phần cuối của đồ án là danh mục các tài liệu tham khảo và phụ lục.
Đồ án này là kết quả của quá trình học tập và tìm hiểu của em trong quá trình theo học tại Trường Đại học Điện lực, dưới sự giúp đỡ tận tình của thầy hướng dẫn ThS. Phạm Duy Phong và các thầy cô giáo trong khoa Điện tử Viễn thông. Các kiến thức thu được trong quá trình thực hiện đồ án này đã củng cố vững chắc những kiến thức mà em đã học được và chắc chắn sẽ giúp em rất nhiều trong quá trình học tập và công tác sau này.

MỤC LỤC
​

MỤC LỤC i
DANH MỤC HÌNH VẼ iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU vi
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH VÀ VIỆC ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG SÓNG TỚI 3
1.1. Sự phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến và sự ra đời của Anten thông minh 3
1.1.1. Anten vô hướng 4
1.1.2. Anten có hướng và hệ thống chia sector 5
1.1.3. Anten nhiều phần tử và hệ thống phân tập 6
1.2. Hệ thống Anten thông minh 6
1.2.1. Khái niệm về Anten thông minh 6
1.2.2. Các loại anten thông minh 10
1.2.3. Cấu trúc hệ thống Anten thông minh 13
1.3. Ứng dụng Anten thông minh trong việc ước lượng hướng sóng tới 15
1.3.1. Giới thiệu về ứng dụng của anten thông minh 15
1.3.2. Nguyên lý ước lượng hướng sóng tới 16
1.4. Kết luận chương 1 17
CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA TÍN HIỆU 19
2.1. Các điều kiện áp dụng các thuật toán 19
2.2. Mô hình tín hiệu 21
2.3. Phương pháp ước lượng hướng sóng tới truyền thống 25
2.3.1. Nguyên lý định dạng búp sóng của anten thông minh 25
2.3.2. Phương pháp xác định hướng sóng tới truyền thống 27
2.4. Thuật toán phân loại đa tín hiệu MUSIC 28
2.4.1. Giới thiệu về thuật toán MUSIC 28
2.4.2. Nội dung thuật toán MUSIC 28
2.5. Thuật toán ước lượng các tham số tín hiệu sử dụng kỹ thuật bất biến quay ESPRIT 32
2.5.1. Giới thiệu thuật toán ESPRIT 32
2.5.2. Nội dung thuật toán ESPRIT 33
2.5.3. Phương pháp tổng bình phương tối thiểu dùng trong thuật toán ESPRIT (TLS ESPRIT) 36
2.6. Kết luận chương 2 38
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG SÓNG TỚI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 39
3.1. Bài toán mô phỏng và phần mềm mô phỏng 39
3.1.1. Bài toán mô phỏng 39
3.1.2. Điều kiện thực hiện và các tham số của bài toán mô phỏng 40
3.1.3. Các thuật toán và lưu đồ thuật toán 41
3.1.4. Phần mềm mô phỏng 45
3.2. Thực hiện mô phỏng các thuật toán 48
3.2.1. Thực hiện mô phỏng 1 48
3.2.2. Thực hiện mô phỏng 2 59
3.2.3. Đánh giá chung về kết quả mô phỏng 70
3.3. So sánh các thuật toán 71
3.3.1. So sánh thuật toán MUSIC và thuật toán ESPRIT 71
3.3.1. So sánh giữa hai thuật toán MUSIC, ESPRIT với phương pháp ước lượng hướng sóng tới truyền thống 73
3.4. Ứng dụng của các thuật toán ước lượng hướng sóng tới 74
3.4.1. Phương pháp ước lượng hướng sóng tới truyền thống 74
3.4.2. Thuật toán MUSIC 74
3.4.3. Thuật toán ESPRIT 74
3.5. Kết luận chương 3 75
KẾT LUẬN 76
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 77
PHỤ LỤC 79
MÃ CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN MUSIC VÀ THUẬT TOÁN ESPRIT 79