Đồ Án Thuật toán ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ - TIN HỌC - TỰ ĐỘNG HOÁ
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
Chuyên ngành : Kỹ thuật Viễn thông
NĂM - 2012
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN . i
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiii
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN.9
1.1. Tổng quan về ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến .9
1.2. Kỹ 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 thức tổng quát của bài toán DOA . 12
1.2.3. Phương trình ma trận cho dàn ăng ten . 15
1.2.4. Ma trận hiệp phương sai của tín hiệu thu từ dàn ăng ten: 15
1.2.5. Thuật toán ước lượng DOA . 17
1.2.6. Ước lượng DOA của các tín hiệu tương quan 17
1.3. Kỹ thuật ước lượng tần số CFO và FDOA 21
1.3.1. Kỹ thuật ước lượng CFO . 21
1.3.2. Kỹ thuật ước lượng FDOA 22
1.4. Kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng .24
1.4.1. Kỹ thuật phân tập ở phía thu . 24
1.4.2. Kỹ thuật cảm nhận phổ kết hợp . 26
1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu: .27
Kết luận chương 1 .28

CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG MỘT THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN .29
2.1. Đề xuất thuật toán ước lượng FDOA với độ phân giải cao cho hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến .29
2.1.1. Tổng quan chung về thuật toán . 29
2.1.2. Mô hình toán học 30
2.1.3. Kết quả mô phỏng . 32
2.1.4. Phân tích độ phân giải của thuật toán 34
2.1.5. Nhận xét 37
2.2. Đề xuất giải pháp ước lượng dịch tần sóng mang CFO trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO .38
2.2.1. Giới thiệu 38
2.2.2. Mô hình hệ thống 40
2.2.3. Đề xuất phương pháp ước lượng dịch tần số . 41
2.2.4. Kết quả mô phỏng . 43
2.3. Đề xuất kiến trúc hệ thống thu cho bài toán ước lượng DOA .46
2.3.1. Giới thiệu 46
2.3.2. Hệ thống tìm hướng đơn kênh và xử lý tín hiệu 48
2.3.3. Kết quả mô phỏng . 51
2.3.4. Nhận xét 52
Kết luận chương 2 .53

CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG ĐỒNG THỜI NHIỀU THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN54
3.1. Thuật toán ước lượng đồng thời hướng sóng tới trong mặt phẳng phương vị, tần số Doppler và trễ truyền sóng 54
3.1.1. Giới thiệu 54
3.1.2. Xử lý tín hiệu không gian - thời gian và tần số 55
3.1.3. Kết quả mô phỏng . 59
3.2. Thuật toán ước lượng đồng thời hướng sóng tới theo góc phương vị và góc ngẩng 63
3.2.1. Giới thiệu 63
3.2.2. Quy trình ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu trong mặt phẳng phương vị và mặt phẳng đứng . 64
3.2.3. Kết quả mô phỏng . 66
Kết luận chương 3 .69

CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP CẢM NHẬN PHỔ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ĐA ĂNG TEN . 72
4.1. Đề xuất kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng 73
4.1.1. Giới thiệu 73
4.1.2. Mô hình hệ thống và bộ tách sóng năng lượng 74
4.1.3. Máy thu vô tuyến nhận thức 76
4.1.4. Ước lượng tín hiệu, nhiễu và các tham số không tập trung 79
4.1.5. Kết 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. Giới thiệu 84
4.2.2. Các máy thu vô tuyến nhận thức đa ăng ten và đơn ăng ten 85
4.2.3. Hệ thống sử dụng kỹ thuật xử lý song song và luật OR . 89
4.2.4. Hệ thống đề xuất sử dụng hai ăng ten 90
4.2.5. Kết quả mô phỏng . 93
Kết luận chương 4 .96

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .97
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .99
TÀI LIỆU THAM KHẢO .100
MỞ ĐẦU
Trong thời đại phát triển bùng nổ của các hệ thống thông tin vô tuyến, 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 trên 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 hỏi 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 tập trung nghiên cứu trên thế giới trong thời gian gần đây chính là kỹ thuật đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multiple Input Multiple Output) hay kỹ thuật sử dụng nhiều ăng ten phát và nhiều ăng ten thu. Hệ thống MIMO có thể xem như một hệ thống ghép nhiều kênh con một đầu vào một đầu ra SISO (Single Input Single Output) hay hệ thống đơn ăng ten. Dung lượng kênh của hệ thống MIMO là tổng hợp dung lượng của các kênh con thành phần.
Dung lượng kênh MIMO bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi phân bố tăng ích đặc trưng của các kênh con SISO. Giải pháp sử dụng nhiều phần tử ăng ten tại cả máy thu và máy phát cho phép khôi phục dữ liệu phát tốt hơn, cải thiện quá trình tách dữ liệu của người sử dụng. Hai mô hình MIMO cơ bản đó là mã hóa không gian thời gian STC (Space Time Coding) và ghép kênh phân chia không gian SM (Spatial Multiplexing). Mã hóa không gian thời gian được dùng để làm tối đa phân tập không gian trong các kênh MIMO. MIMO sử dụng nhiều ăng ten phát và nhiều ăng ten thu để mở thêm các kênh truyền trong miền không gian. Do các kênh song song được mở ra cùng thời gian, cùng tần số, nên đạt được tốc độ dữ liệu cao mà không cần băng thông lớn. Nói một cách khác là nhờ sử dụng nhiều phần tử ăng ten ở cả phía phát và phía thu, mà kỹ thuật này cho phép sử dụng hiệu quả phổ 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 thời gian gần đây, các nghiên cứu trên thế giới ngày càng quan tâm nhiều 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 kênh MIMO, bài toán ước lượng kênh truyền, bài toán mã hóa không gian thời gian, xử lý tín hiệu không gian thời gian, .
Trong hệ 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].
Nghiên cứu các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến, nghiên cứu tìm ra các thuật toán với độ phân giải cao để ước lượng chính xác các tham số của tín hiệu không tương quan và tín hiệu tương quan trong cả miền không gian, thời gian và tần số đang là chủ đề nghiên cứu được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Ở trong nước, tại một số trường đại học, viện nghiên cứu đang thực hiện các nghiên cứu khoa học về xử lý tín hiệu, việc ước lượng kênh truyền cũng như các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến, di động tiên tiến. Một số nghiên cứu gần đây tập trung vào bài toán cấp phát kênh động cho hệ thống thông tin di động sửdụng công nghệ MIMO- OFDMA [1], tuy nhiên tác giả chưa đề cập đến bài toán ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống mà hầu như chỉ tập trung vào vấn đề đa truy nhập, cấp phát kênh trong hệ thống. Còn trong nghiên cứu [4] tác giả lại chỉ tập trung vào vấn đề mã hóa, san bằng kênh trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO. Các nghiên cứu gần đây liên quan trực tiếp đến bài toán ước lượng tham số không gian hướng sóng tới phải kể đến là [2, 3, 5, 6]. Tuy nhiên, việc ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống chủ yếu mới dừng lại ở một tham số hướng sóng tới trong mặt phẳng phương vị của các tín hiệu không tương quan mà chưa xử
lý đối với tín hiệu tương quan và chưa đề cập đến mô hình máy thu cụ thể. Trong các hệ thống thông tin di động tiên tiến ở đó tín hiệu cần ước lượng 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 hệ 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 hệ 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 thời 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 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 phổ 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 hợp; xác định lỗ trống phổ dựa trên nhiễu; xác định ở phía phát và xác định ở phía thu. Trong số các kỹ thuật xác định "lỗ trống phổ" ở phía phát, người ta thường sử dụng mô hình có bộ tách sóng năng lượng (energy detector) do chúng cấu trúc khá đơn giản và phù hợp với những đòi hỏi chung về thời gian cảm nhận phổ không quá dài song cũng đạt được độ chính xác nhất định. Bộ xác định dựa trên năng lượng của tín hiệu để đưa ra quyết định về sự tồn tại của tín hiệu người dùng sơ cấp mà không đòi hỏi thông tin trước đó về pha của tín hiệu hay phương thức điều chế.
Để có thể cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống xác định lỗ trống phổ dựa trên năng lượng, thường sử dụng hệ thống nhiều ăng ten (multiple antennas) với các kỹ thuật tổng hợp tín hiệu khác nhau, như kỹ thuật kết hợp tỷ số tối đa (MRC- Maximum Ratio Combining), kỹ thuật kết hợp tăng ích đều (EGC- Equal Gain Combining), ., đem lại hiệu quả hoạt động khác nhau cho toàn hệ thống. Hạn chế đối với hệ thống xác định dựa trên năng lượng là nó vẫn đòi hỏi thông tin trạng thái kênh truyền (Channel State Information) như phương sai của nhiễu, Một vài nghiên cứu gần đây [24] cũng đưa ra được những phương án giải quyết, tuy nhiên kết quả còn chưa được như mong muốn.
Luận án này được tiến hành nhằm đề xuất các giải pháp, thuật toán để ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin, định vị vô tuyến một cách tách biệt và đồng thời hai hay nhiều tham số của tín hiệu không tương quan và tương quan với độ phân giải và tính chính xác cao.

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.