Nghiên cứu giải pháp kết hợp điều chế thích nghi và cân bằng NORON để cải thiện hiệu năng truyền dữ liệu cho hệ thống thông tin di động băng rộng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Tạ Đăng Hải NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP KẾT HỢP ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI VÀ CÂN BẰNG NƠRON ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU NĂNG TRUYỀN DỮ LIỆU CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.70 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2011 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Hồng Quân Phản biện 1: …………………………………………… Phản biện 2: …………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông MỞ ĐẦU Với sự ra đời của các hệ thống thông tin di động tốc độ cao thì fading càng tác động mạnh đến chất lượng truyền dẫn của hệ thống, các kênh thường biểu hiện chất lượng hầu như tức thời thay đổi theo thời gian. Do đó các phương thức điều chế cố định, cân bằng cổ điển bị tác động các cụm lỗi. Một trong những phương pháp có hiệu quả để loại trừ các ảnh hưởng có hại đó là điều chế thích nghi các dạng điều chế, mã hóa theo các tham số của hệ thống dựa vào thông tin chất lượng kênh gần như tức thời do máy thu nhận được và phản hồi trở lại máy phát. Đó chính là phương pháp điều chế-mã hóa thích nghi. Ngoài ra, kênh vẫn còn tác động của can nhiễu do fading gây ra, nhưng kênh bây giờ là băng rộng có tính phi tuyến biểu hiện các khe thăng giáng sâu trong băng tần. Vì vậy để giảm can nhiễu bây giờ dựa vào các bộ cân bằng tuyến tính thông thường sẽ không còn hiệu quả, mà cần phải có bộ cân bằng giải quyết được tính phi tuyến của kênh, phương pháp đơn giản, hiệu quả nhất là cân bằng mạng nơron. Luận văn này sẽ nghiên cứu điều chế thích nghi-cân bằng bằng nơron và kết hợp chúng trong một giải pháp hệ thống duy nhất nhằm đáp ứng yêu cầu thực tiễn các hệ thống di động băng rộng hiện có và sẽ có. Phương pháp nghiên cứu: - Trước hết nghiên cứu các vấn đề điều chế thích nghi, cân bằng một cách riêng rẽ. Từ đó chỉ ra lý thuyết cơ bản của điều chế thích nghi, cân bằng mạng nơron và tác dụng đưa lại cho hệ thống. - Xây dựng một số luật học cho một số bộ cân bằng nơron nhằm chỉ ra các tham số cho bộ cân bằng. - Dựa vào kết quả mô phỏng đã có của các tác giả khác, luận văn sẽ phân tích, nhận xét để rút ra những khuyến nghị áp dụng. Ý nghĩa khoa học của đề tài: - Xây dựng một số thuật toán cho cân bằng nơron thuận, phản hồi và xuyên tâm đơn giản. - Đánh giá độ ổn định của bộ căn bằng Ý nghĩa thực tiễn: - Khuyến nghị áp dụng các phương thức điều chế vào những điều kiện hoàn cảnh khác nhau. Công cụ nghiên cứu: - Toán xác suất và đại số tuyến tính. - Lý thuyết truyền tin và mạng nơron. Nội dung luận văn: Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin thích nghi. Chương này nhằm chỉ ra nét cơ bản của hệ thống, các công trình nghiên cứu về chúng, hiệu năng trong kênh. Chương 2: Điều chế thích nghi và cân bằng. Chương này giới thiệu các giải pháp điều chế thích nghi và cân bằng nhằm làm cơ sở cho các nghiên cứu mở rộng ở chương 3. Chương 3: Kết hợp điều chế thích nghi- cân bằng nơron. Trong chương này trên cơ sở mô hình kết hợp, luận văn sẽ nghiên cứu sâu hơn bộ cân bằng và các thuật toán đào tạo cho cân bằng trong hoàn cảnh kết hợp. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN THÍCH NGHI VÀ HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu Để đi sâu vào nghiên cứu các bài toán về điều chế và cân bằng trong các hệ thống thích nghi, trước hết luận văn sẽ giới thiệu những nét cơ bản nhất về hệ thống thích nghi, hiệu năng của hệ thống trong kênh nhiễu Gauss, kênh fading Rayleigh. Luận văn cũng sẽ điểm qua một số công trình nghiên cứu nổi bật trên thế giới xung quanh lĩnh vực này. 1.2 Nguyên lý thích nghi Điều chế thích nghi AQAM là một giải pháp thích hợp cho thông tin giữa trạm gốc và máy di động. Thích nghi AQAM là hoạt động của máy phát để đáp ứng các điều kiện biến đổi theo thời gian của kênh. Nhằm phản ứng một cách hiệu quả các biến đổi chất lượng kênh, hệ thống thích nghi thực hiện các bước sau:  Ước lượng chất lượng kênh  Chọn các tham số truyền dẫn tiếp theo một cách thích hợp  Báo hiệu hoặc phát hiện các tham số đã được sử dụng 1.3 Hiệu năng của hệ thống QAM trong kênh nhiễu Gauss Hầu hết ước lượng chất lượng kênh là tỷ lệ lỗi bit (BER – Bit Error Rate), vì nó phản ánh chất lượng kênh không kể đến nguồn hoặc bản chất sự suy giảm chất lượng. 1.4 Một số công trình nổi bật nghiên cứu về các hệ thống điều chế thích nghi và cân bằng Nơron. Luận văn này học viên nhằm theo hướng nghiên cứu các luật học đơn giản và kết hợp điều chế thích nghi với cân bằng nơron. Cùng đó đưa ra phân tích một số công trình nghiên cứu trước đó về các lĩnh vực này. Kết luận: Qua các nội dung trên ta đã thấy được bức tranh tổng quát để thực hiện được các hệ thống điều chế thích nghi phải có những khâu cơ bản nào. Tiếp đó, giới thiệu hiệu năng của kênh vô tuyến mà đặc trưng là BER trong kênh nhiễu Gauss ứng với các loại điều chế khác nhau. Luận văn đã nghiên cứu BER trong kênh fading Rayleigh ứng với các dạng điều chế khác nhau. Qua đó để giúp định hướng 5 2 10 -1 5 2 10 -2 0 5 10 1 5 20 2 5 30 3 5 40 4 5 50 55 60 SNR(dB) BER BPSK: Lý thuyết BPSK: Mô phỏng QPSK: Lý thuyết QPSK: Mô phỏng Hình 1.1: Bi ể u th ị BER đ ố i v ớ i h ệ th ố ng BPSK, 4QAM, 16QAM, 64QAM trong kênh fading ph ẳ ng Rayleigh. xác định phương thức điều chế khi SNR thay đổi. Cuối cùng chương 1 đã điểm qua một số công trình tiêu biểu trong quá trình nghiên cứu điều chế thích nghi-cân bằng mạng nơron để qua đó định hướng bài toán theo nghiên cứu của luận văn. Chương 2 ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI VÀ CÂN BẰNG MẠNG NƠRON 2.1 Điều chế thích nghi 2.1.1 Giới thiệu Điều chế thích nghi là một giải pháp rất hiệu quả để thiết lập các hệ thống truyền dẫn trên kênh fading biến đổi theo thời gian. Nguyên lý cơ bản của nó là phải ước lượng kênh tại máy thu và phản hồi ước lượng này trở lại máy phát để máy phát thay đổi phương pháp điều chế tương ứng với sự thay đổi các đặc tính của kênh truyền để sao cho duy trì được xác suất lỗi ở đầu thu. Các kỹ thuật điều chế không thích nghi kịp các điều kiện của fading mà cần có độ dự phòng tuyến cố định để duy trì hiệu năng chấp nhận được khi chất lượng kênh xấu. Như vậy các hệ thống này được thiết lập đáp ứng được các điều kiện kênh xấu nhất. Do thích nghi được với kênh fading cho nên nó có thể làm tăng độ thông qua trung bình, giảm công suất phát cần thiết, giảm xác suất lỗi bít trung bình. 2.1.2 Tổng quan hệ thống truyền dẫn thích nghi Máy phát Kênh Máy thu r[i] y[i] x[i] Điều khiển ngu ồ n S[i] Mã hóa và điề u chế thích nghi R[i].C[i]   [i] Ước lượng kênh Đ ộ tr ễ : i e ;  Giải mã và giải điều chế + X   [  ] n[i]  ̂ [i]   [i] Trễ i f Kênh ph ả n h ồ i Hình 2.1: Mô hình hệ thống truyền dẫn thích nghi. 2.1.3 Điều chế thích nghi bằng biến đổi tốc độ Trong điều chế biến đổi tốc độ thì tốc độ số liệu () biến đổi theo độ lợi kênh . Người ta thực hiện điều này bằng cách cố định tốc độ ký hiệu điều chế R s = 1/T s và sử dụng giải pháp nhiều sơ đồ điều chế hoặc cỡ nhiều chùm sao tín hiệu điều chế hoặc cố định sơ đồ điều chế và thay đổi tốc độ ký hiệu. 2.1.4 Điều chế thích nghi bằng biến đổi công suất Để bù lại sự biến đổi SNR do fading, người ta thường dùng phương pháp điều chế thích nghi biến đổi công suất phát. Mục tiêu của nó là duy trì xác suất lỗi bít cố định hoặc tương đương với SNR thu không đổi. Thích nghi công suất phát nghĩa là bù đảo ngược fading kênh sao cho kênh sẽ được biểu hiện như một kênh AWGN đối với giải pháp điều chế và giải điều chế này. 2.1.5 Điều chế thích nghi biến đổi tốc độ và biến đổi công suất trong hệ thống MQAM. Ở mục này, luận văn nghiên cứu một dạng điều chế thích nghi đặc biệt, đó là điều chế bằng cách biến đổi tốc độ và công suất của hệ thống MQAM để đạt cực đại về hiệu suất phổ trong lúc đó vẫn đáp ứng mục tiêu p b tức thời đã cho. Ở đây luận văn cũng chỉ ra rằng có một khe hở công suất không đổi giữa hiệu quả phổ của kỹ thuật điều chế MQAM thích nghi này và dung lượng trong fading phẳng và khe hở này có thể khép lại một phần bằng cách thêm vào mã lưới trong điều chế thích nghi. 2.1.6 Thích nghi công suất bằng biến đổi ngược kênh với tốc độ cố định Hiện nay, người ta còn nghiên cứu giải pháp thích nghi công suất bằng biến đổi ngược kênh để duy trì SNR thu cố định. Sau đó sẽ phát tín hiệu điều chế MQAM tốc độ cố định duy nhất để đạt được mục tiêu p b . 2.1.7 Thích nghi tốc độ rời rạc Khi thiết kế MQAM thích nghi cầu phải xác định các biên của R j . Trong lúc đó có thể tối ưu các biên này để làm cực đại hiệu quả phổ, việc này chúng ta sẽ trở lại bằng cách sử dụng phương pháp cận tối ưu. 2.1.8 Hiệu năng của hệ thống điều chế thích nghi Trước khi đi vào tính toán xác suất lỗi trung bình của hệ thống điều chế thích nghi, ta định nghĩa xác suất lỗi cho hệ thống điều chế thích nghi tổng quát:      = ố   ỗ ố  đã á đ (2.1) Khi hệ thống đã có tốc độ bit thích nghi liên tục theo , ký hiệu tốc độ đó là () thì xác suất lỗi bit trung bình bây giờ là:      = ∫   ∞  (  )  (  )  (  )  ∫  (  )  (  )  ∞  (2.2) Trong trường hợp hệ thống điều chế chỉ thích nghi với tốc độ rời rạc thì:      = ∑     ∫        (  )  (  )  ∑     ∫  (  )       (2.3) Trong đó:   (  ) là xác suất lỗi bit biến đổi theo . p() là hàm mật độ phân bố xác suất của . 2.2 Cân bằng bằng mạng Nơron 2.2.1 Giới thiệu Trong mục này chúng ta đưa ra cái nhìn tổng quan về cân bằng dựa vào mạng nơron. Cân bằng kênh có thể được xem dưới dạng phân loại các bài toán. Giải pháp tối ưu bài toán này là bài toán phi tuyến không kết hợp. Vậy chúng ta sẽ thảo luận làm thế nào để cấu trúc phi tuyến của mạng nơron nhân tạo có thể nâng cao hiệu năng của một bộ cân bằng kênh so với cách truyền thống và nghiên cứu cách thiết kế mạng nơron để đáp ứng cân bằng kênh như những mạng đào tạo nhiều lớp (Multi-Layer Perceptron - MLP), mạng đào tạo đa thức (Polynomial Perceptron-PP) và mạng nơron xuyên tâm (Radial Basis Function - RBF). Chúng ta nghiên cứu cấu trúc mạng nơron RBF chi tiết áp dụng cho cân bằng kênh. Hơn nữa, chúng ta sẽ mô tả tổng quan mạng RBF và đi vào các ứng dụng của nó. 2.2.2 Mô hình kênh Một kênh băng thông giới hạn tạo ra nhiễu giao thoa liên ký tự (Inter Symbol Interference –ISI) có thể được mô tả bởi bộ lọc ngang rời rạc có hàm truyền đạt:  (  ) = ∑       (2.4) Ở đâyp f n đáp ứng xung thứ n của kênh và L+1 là chiều dài của đáng ứng xung kênh (channel impulse respone – CIR). Z - 1 Z - 1 Z - 1 {I k } {f 0 } {f 0 } {f L-1 } {f L } {   } {   } Hình 2.2 : Mô hình r ờ i r ạ c th ờ i gian c ủ a kênh nhi ễ u xuyên ký t ự và nhi ễ u Gauss tr ắ ng [...]... trước đó đã có và luận văn đã phân tích, bình luận để rút ra những hoàn cảnh ứng dụng cụ thể khi áp dụng phương thức điều chế thích nghi kết hợp cân bằng nơron KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHI N CỨU TIẾP THEO Luận văn nghi n cứu giải pháp kết hợp điều chế thích nghi và cân bằng nơron để cải thiện hiệu năng truyền dữ liệu cho hệ thống thông tin di động băng rộng là một trong những khả đề nghi n cứu đã và đang thu... hơn Trong khoàng SNR này chủ yếu dùng điều chế bậc thấp Vì phương pháp cân bằng nơron kết hợp điều chế thích nghi cho hiệu năng BER tốt hơn so với phương pháp riêng rẽ đối với các phương pháp điều chế bậc thấp Kết luận: Sau khi đã nghi n cứu các giải pháp điều chế thích nghi, các mạng nơron cơ bản, luận văn đã nghi n cứu giải pháp kết hợp điều chế thích nghi và cân bằng mạng nơron Trước hết, luận văn... nhiều nhà nghi n cứu Sau khi giới thiệu một số lý luận cơ bản về hiệu năng của hệ thống thông tin di động, điều chế thích nghi và mạng nơron thích hợp với hệ thống di động băng rộng và theo phương án kết hợp với điều chế thích nghi - Luận văn đã xây dựng luật học cho bộ cân bằng bằng mạng nơron truyền thẳng đơn giản có giám sát - Sử dụng cân bằng phức bằng mạng perceptron hai lớp và luật học cho nó -... 3.8: Mô phỏng hiệu năng trường hợp DFE thông thường và trường hợp kết hợp RBF DFE Dựa vào hình 3.8 ta so sánh hiệu năng của phương pháp điều chế thích nghi kết hợp cân bằng nơron: - Với BER mục tiêu 10-2, thì giải pháp kết hợp cho hiệu năng BER tốt hơn so với giải pháp khác - Với mục tiêu BER = 10-4, hiệu năng BER của phương pháp dùng cân bằng nơron kết hợp điều chế thích nghi so với cân khác hoàn... một giải pháp nữa đó là cân bằng Ở đây luận văn sẽ nghi n cứu trường hợp cân bằng bằng mạng Nơron xuyên tâm và điều chế thích nghi do trường hợp hệ thống phát có sử dụng BPSK, 4QAM, 16QAM và 64QAM tạo cho các bộ cân bằng trong trường hợp: mạng đa lớp, mạng đa thức và mạng xuyên tâm Sau đó kết hợp tính toán bằng số hiệu quả khi sử dụng đồng thời điều chế thích nghi và cân bằng 3.2 Mô hình điều chế thích. .. khi truyền thoại BER = 10-2 và truyền số liệu BER = 104 đạt được đối với tất cả các SNR của kênh khi sử dụng trong chặn phát 3.8 So sánh hiệu năng BER trong trường hợp cân bằng thông thường và cân bằng nơron- điều chế thích nghi kết hợp BER của cân bằng Nơron và điều chế thích nghi BPSK và 4-QAM tốt hơn so với cân bằng thông thường riêng rẽ nếu SNR tăng Trái lại, hiệu năng của phương thức kết hợp. .. dụng phương pháp đào tạo bình phương bé nhất trực giao OLS, đây là phương pháp hiệu quả nhưng khó thực hiện Ở đây luận văn dùng phương pháp Gradient đơn giản và dễ thực hiện 3.7 Phân tích kết quả mô phỏng kết hợp đồng thời điều chế thích nghi và căn bằng nơron RBF thích nghi Mục này luận văn sẽ tóm tắt lại kết quả mô phỏng hệ thống di động số điều chế thích nghi MQAM kết hợp cân bằng thích nghi RBF của... suy giảm chậm Chương 3 KẾT HỢP ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI - CÂN BẰNG MẠNG NƠRON 3.1 Giới thiệu Trước đây người ta thường nghi n cứu các hệ thống điều chế thích nghi và hệ thống sử dụng cân bằng một cách riêng rẽ Tuy hệ thống điều chế thích nghi giảm đáng kể ảnh hưởng của fading, nhưng thực tế vẫn không thể loại bỏ hoàn toàn được ảnh hưởng này Để tiếp tục giảm hơn nữa ảnh hưởng của fading còn lại, đầu thu chúng... thích nghi - cân bằng mạng Nơron Hình 3.1 biểu thị mô hình hệ thống sử dụng kết hợp điều chế thích nghi và cân bằng mạng nơron xuyên tâm Trong đó phía phát sử dụng phương pháp chuyển mạch điều chế Về nguyên tắc có thể có nhiều mạch điều chế khác nhau M-QAM Cân bằng dữ liệu Nhiễu Dữ liệu Chuyển đổi phương thức điều chế Máy phát Kênh Máy thu RBF DFE Ước lượng mức điều chế Phương thức điều chế của Burst dữ. .. cho cân bằng mạng nơron Hopfield và đánh giá độ ổn định cho nó - Ứng dụng mạng nơron xuyên tâm để cân bằng kênh và luật học Cuối cùng luận văn đã giới thiệu kết quả mô phỏng hệ thống kết hợp điều chế thích nghi và cân bằng nơron xuyên tâm Trên cơ sở đó luận văn đã phân tích, nhận xét và rút ra các hoàn cảnh ứng dụng khi kênh có sự biến động về SNR Hướng nghi n cứu tiếp theo: 1 Nghi n cứu ứng dụng hiệu . NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Tạ Đăng Hải NGHI N CỨU GIẢI PHÁP KẾT HỢP ĐIỀU CHẾ THÍCH NGHI VÀ CÂN BẰNG NƠRON ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU NĂNG TRUYỀN DỮ LIỆU. THỐNG THÔNG TIN THÍCH NGHI VÀ HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG 1.1 Giới thiệu Để đi sâu vào nghi n cứu các bài toán về điều chế và cân bằng trong các hệ thống thích