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

- 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 ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Vũ Văn Yêm người đ ã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành lu ận án. Đặc biệt, sự chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện thuận lợi trong các hoạt động nghiên cứu khoa học của PGS.TS. Vũ Văn Yêm có ý nghĩa vô cùng to lớn để tôi có thể hoàn thành Luận án này. Xin trân tr ọng cảm ơn GS.TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh đã định hướng v à có những chỉ dẫn quan trọng khi xây dựng đề cương nghiên cứu, cũng như trong quá trình thực hiện Luận án. Xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Viện Nghiên cứu Điện tử- Tin học- Tự động hóa trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Viện. Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Điện lực đã hỗ trợ, giúp đỡ để tôi có điều kiện v à thời gian học tập, nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và người thân đ ã giúp đỡ, chia sẻ, khích lệ, động viên để tôi có thể hoàn thành luận án này. Hà N ội, ngày 05 tháng 12 năm 2012 NGHIÊN CỨU SINH Phạm Duy Phong iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i 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 1.3. K ỹ thuật ước lượng tần số CFO và FDOA 21 1.3.1. K ỹ thuật ước lượng CFO 21 1.3.2. K ỹ thuật ước lượng FDOA 22 1.4. K ỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng 24 1.4.1. K ỹ thuật phân tập ở phía thu 24 1.4.2. K ỹ thuật cảm nhận phổ kết hợp 26 1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu: 27 K ết luận chương 1 28 iv CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG MỘT THAM SỐ CỦA TÍN HI ỆU 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 tuy ến tiên tiến 29 2.1.1. T ổng quan chung về thuật toán 29 2.1.2. Mô hình toán h ọc 30 2.1.3. K ết quả mô phỏng 32 2.1.4. Phân tích độ phân giải của thuật toán 34 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 phương vị, tần số Doppler và trễ truyền sóng 54 3.1.1. Gi ới thiệu 54 3.1.2. X ử lý tín hiệu không gian - thời gian và tần số 55 v 3.1.3. Kết quả mô phỏng 59 3.2. Thu ật toán ước lượng đồng thời hướng sóng tới theo góc phương vị và góc ng ẩng 63 3.2.1. Gi ới 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. K ết quả mô phỏng 66 K ết luận chương 3 69 CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP CẢM NHẬN PHỔ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUY ẾN ĐA ĂNG TEN 72 4.1. Đề xuất kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng 73 4.1.1. Gi ới thiệu 73 4.1.2. Mô hình h ệ thống và bộ tách sóng năng lượng 74 4.1.3. Máy thu vô tuy ến nhận thức 76 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 ộ biến đổi tương tự - số 2 ABF Adaptive Beam - F orming Đ ịnh dạng búp sóng thích nghi 3 AOA Angle of Arrival Góc sóng tới 4 AR Autoreg Ressive Tự hồi quy 5 ARMA Autoregressive Moving Average T ự hồi quy trung bình động 6 AWGN Additive White Gaussian Noise Nhi ễu Gauss trắng cộng 7 BER Bit Error Rate T ỷ l ệ l 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 CSI Channel State Information Thông tin tr ạng thái k ênh 16 CSM Coherent Signal Subspace Method Phương pháp không gian con tín hiệu tương quan 17 DF Direction Finding Tìm hướng 18 DFT Di screte Fourier Transform Bi ến đ ổi Fourier rời rạc 19 DIV Diversity Phân tập vii STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 20 DOA Direction Of Arrival Hướng sóng tới 21 D O D Direction Of Departure Hư ớng sóng đi 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 Song công phân chia theo t ần số 29 FDOA Frequency Difference Of Arrival D ịch tần sóng tới 30 FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh 31 HLST Horizontal Layered Space Time Không gian Th ời gian phân tầng ngang 32 HLSTC Horizontal Layered Space Time Code Mã không gian th ời gian phân tầng ngang 33 I.I.D Independently I dentically Distributed Phân b ố độc lập giống nhau 34 ICI Inter Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang 35 IDFT 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 41 LOS Line Of Sight Tầm nhìn thằng 42 LS Least Squares Bình phương cực tiểu 43 LST Layered Space Time Không gian th ời gian theo tầng 44 LSTC Layered Space Time Code Mã không gian th ời gian theo tầng 45 MAI Multiple Antenna Interference Nhi ễu đa ăng ten 46 MAP Maximum Probability Tối đa hậu nghiệm 47 MIMO Multiple Input Multiple Output Nhi ều đầu vào nhiều đầu ra 48 MISO Multiple Input Single Output Nhi ều đầu vào một đầu ra 49 ML Maximum Likelihood Khả năng lớn nhất 50 MLSE Maximum Likelihood Sequence Estimation 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 ợt miền không gian cải tiến [...]... kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng và cuối cùng là phần đặt vấn đề nghiên cứu 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 thuật toán. .. các hệ thống MIMO được kỳ vọng đóng vai trò chính trong các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 cũng như các hệ thống thông tin tiến tiến trong tương lai Trong hệ thống thông tin vô tuyến nhiều ăng ten, bài toán ước lượng các tham số của tín hiệu thu vẫn đang là chủ đề được các cơ quan, các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm [2, 5, 6, 25, 26, 27] Trong hệ thống này, ngoài các tham số của. .. cứu chính của luận án là: - Hệ 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 tiên tiến - Các kỹ thuật ước lượng một tham số, nhiều tham số của tín hiệu không tương quan và tương quan - Hệ thống thông tin vô tuyến nhận... triển 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. .. ngẩng trong hệ thống thông tin vô tuyến 3) Đề xuất giải pháp cảm nhận phổ trong hệ thống thông tin vô tuyến không sử dụng CSI mà dựa trên các tham số ước lượng, đồng thời đề xuất giải pháp cảm nhận phổ sử dụng kỹ thuật xử lý song song và luật 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... 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. .. về các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến gồm: các tham số về thời gian (thời gian trễ, TOA- Time Of Arrival), tham số không gian (hướng sóng tới DOA- Direction Of Arrival), tham số trong miền tần số (tần số FDOA - Frequency Difference Of Arrival, tần số Doppler, dịch tần Doppler CFO -Carrier Frequency Offset) và vấn đề ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô. .. 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... 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 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... 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 . 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. 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 tuy ến một cách tách biệt và đồng thời hai hay nhiều tham số của tín hiệu không. 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