hướng sóng tới trong hệ thống thông tin vô tuyến

LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Duy Phong đã tạo điều kiện, giúp đỡ, tận tình hướng dẫn, đưa ra những định hướng nghiên cứu cũng như hướng giải quyết một số vấn đề cho em trong quá trình thực hiện đồ án “Nghiên cứu một số thuật toán ước lượng hướng sóng tới trong hệ thống thông tin vô tuyến”. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Điện tử Viễn thông và các thầy cô trong trường Đại học Điện lực đã chỉ bảo, hướng dẫn em trong thời gian học tập tại trường. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến bố mẹ, em trai, những người thân trong gia đình và bạn bè đã cổ vũ, động viên em trong suốt quá trình học tập cũng như hoàn thành đồ án tốt nghiệp. Hà Nội, ngày 14 tháng 2 năm 2012 Sinh viên Vũ Văn Khoa GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa MỤC LỤC GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa i DANH MỤC HÌNH VẼ GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa ii DANH MỤC BẢNG BIỂU GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3G Third Generation Hệ thống mạng di động thế hệ thứ 3 ADC Analog-to-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự/số AoA Angle of Arrival Góc tới của sóng BF Beamforming Định dạng búp sóng BLAS Basic Linear Algebra Subprograms Thư viện các chương trình con về đại số tuyến tính cơ bản BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát tín hiệu gốc DAC Digital-to-Analog Converter Bộ chuyển đổi số/tương tự DoA Direction of Arrival Hướng tới của sóng ESPRIT Estimation of Signal Parameters using Rotational Invariance Techniques Thuật toán ước lượng tham số tín hiệu sử dụng các kỹ thuật bất biến quay IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện nghiên cứu kỹ thuật điện và điện tử LAPACK Linear Algebra PACKage Thư viện phần mềm về đại số tuyến tính LS Least Squares Phương pháp bình phương tối thiểu MATLAB Matrix Laboratory Phòng thí nghiệm về ma trận (Chương trình phần mềm) MIMO Multi Input Multi Output Hệ thống vô tuyến nhiều đầu vào, nhiều đầu ra MUSIC MUltiple SIgnal Classification Thuật toán phân loại đa tín hiệu SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu/nhiễu SVD Singular Value Decomposition Phép toán phân tích giá trị riêng TLS Total Least Squares Phương pháp tổng bình phương tối thiểu UCA Uniform Circular Array Mảng đường tròn đều ULA Uniform Linear Array Mảng đường thẳng tuyến tính đều GVHD: ThS. Phạm Duy Phong SVTH: Vũ Văn Khoa iv 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. CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH VÀ VIỆC ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG SÓNG TỚI 1.1. Sự phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến và sự ra đời của Anten thông minh Thông tin liên lạc là một phần không thể thiếu của xã hội loài người. Cùng với sự phát triển kinh tế xã hội, các hệ thống thông tin liên lạc luôn được phát triển, ứng dụng các thành tựu khoa học kỹ thuật mới nhất nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của đời sống người dân. Thay thế cho cáp kim loại đối xứng, vốn là phương tiện truyền dẫn thông tin lâu đời nhất, cáp đồng trục, cáp quang ra đời, với các ưu điểm: có tốc độ truyền dẫn cao, băng thông rộng, đảm bảo chất lượng tín hiệu … Tuy nhiên, các hệ thống truyền dẫn hữu tuyến trên có nhược điểm là cần nhiều vốn đầu tư, việc xây dựng, lắp đặt, triển khai không dễ dàng (đôi khi không thể thực hiện thi công lắp đặt dây cáp được), nhất là không thể cung cấp cho người dùng dịch vụ khả năng linh hoạt tiếp cận thông tin mọi lúc mọi nơi. Khắc phục được nhược điểm trên của các hệ thống hữu tuyến, ngày nay, hệ thống thông tin vô tuyến có thể cho phép người sử dụng liên lạc bằng điện thoại di động hay truy nhập internet ngay cả khi họ đi lại trên đường phố, ngồi trong ô tô, có mặt tại những địa điểm không có kết nối hữu tuyến. Chính vì ưu điểm vượt trội này nên các hệ thống thông tin vô tuyến luôn nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và các công ty khai thác viễn thông, nhằm phát triển hệ thống thông tin ngày một tối ưu hơn nhờ vào khả năng tăng tốc độ, bảo đảm chất lượng, sự đa dạng dịch vụ, và do đó phục vụ người dùng được tốt hơn. Gần đây, số lượng người sử dụng dịch vụ vô tuyến gia tăng rất nhanh, nhất là các dịch vụ băng rộng, làm cho dải tần số sử dụng trong thông tin liên lạc vô tuyến nhanh chóng cạn kiệt; đây là một tài nguyên quý giá cần được duy trì và sử dụng một cách hợp lý. Vì vậy, các hệ thống cần phải được cải tiến để tận dụng phổ tần số một cách hiệu quả hơn. Trong những nghiên cứu liên quan đến phát triển hệ thống và tận dụng hiệu quả phổ tần số, những nghiên cứu về anten được xem là khó, phức tạp và có số lượng công trình còn khiêm tốn. Tuy nhiên, những công trình này lại có những kết quả khả quan và có thể mở ra các ứng dụng trong nhiều phần khác nhau của lĩnh vực thông tin vô tuyến. Một trong những kết quả đang rất được quan tâm chính là hệ thống anten thông minh. Đối với bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến thông dụng nào, anten cũng là một thành phần không thể thiếu. Anten được coi là một cổng vật lý làm nhiệm vụ phát sóng vô tuyến với một tần số nhất định để truyền thông tin đi, hoặc thu sóng vô tuyến được phát từ các anten khác để nhận tín hiệu. Có thể nói anten là thành phần quan trọng nhất trong thiết bị thông tin vô tuyến, cho phép trực tiếp tận dụng và điều khiển các dải tần số để làm nguồn tài nguyên quý giá góp phần thực hiện việc liên lạc. Việc một anten hoạt động như thế nào có ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng phổ tần số, ảnh hưởng đến việc thiết lập một mạng lưới và chất lượng dịch vụ. Nhìn lại về các thế hệ anten, ta có những loại anten chính được sử dụng trong thông tin liên lạc như sau: 1.1.1. Anten vô hướng Anten vô hướng xuất hiện từ những ngày thông tin vô tuyến mới xuất hiện. Với khả năng bức xạ cũng như thu tín hiệu theo mọi hướng, anten vô hướng phát sóng truyền lan ra không gian xung quanh giống như những gợn sóng trên mặt nước lan tỏa khi có một nguồn dao động điểm trên mặt nước. Anten vô hướng phù hợp với những trường hợp không xác định được rõ vị trí của đối tượng thu nhận tín hiệu. Khi đó, tín hiệu được phát lan tỏa ra khu vực xung quanh và năng lượng tín hiệu đến được với đối tượng mong muốn chỉ là một phần nhỏ trong toàn bộ nguồn năng lượng được phát ra từ phía phát. Để anten có thể nhận được tín hiệu với mức năng lượng tốt hơn, có một giải pháp đơn giản là tăng công suất của tín hiệu ở anten phát. Tuy nhiên, việc tăng công suất lên quá lớn lại gây can nhiễu lên các tín hiệu của các anten khác ở khu vực xung quanh anten phát. Đây chính là nhược điểm lớn nhất của anten vô hướng. Hình 1.1. Hình dạng vùng phủ của anten vô hướng 1.1.2. Anten có hướng và hệ thống chia sector Anten có hướng có khả năng tập trung công suất tối ưu hơn so với anten vô hướng và được sử dụng rất nhiều tại các trạm BTS của các hệ thống thông tin di động. Anten có hướng khi lắp đặt có thể được định hướng phát hoặc thu cố định để có thể hoạt động trong một thời gian dài. Một hệ thống sử dụng anten có hướng được lắp đặt trong một khu vực sẽ chia khu vực đó thành các sector, mỗi sector được coi như một cell nhỏ. Do mỗi sector sẽ do một anten đảm nhiệm việc thu phát tín hiệu, công suất phát của anten được tập trung hơn nên vùng phủ mở rộng hơn so với anten vô hướng. Ngoài ra, do mỗi sector có thể sử dụng một dải tần số nhỏ trong dải tần mà cell sử dụng, việc tái sử dụng tần số được thực hiện một cách hoàn hảo hơn, đồng thời giảm thiểu hiện tượng nhiễu đồng kênh. Trên thực tế, một anten của một BTS có thể có 2, 3 hoặc 6 sector. Tuy nhiên, do các sector sử dụng các tần số khác nhau, việc người dùng di chuyển từ sector này sang sector khác cần phải có thủ tục chuyển giao để đảm bảo tín hiệu được liên tục. Anten có hướng đã khắc phục được nhiều nhược điểm của anten vô hướng và nâng cao được hiệu quả sử dụng kênh truyền, song vấn đề về nhiễu vẫn chưa thể được giải quyết một cách có hiệu quả. [...]... năng chính: Ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu và định dạng búp sóng Trên thực tế, anten thông minh đã được nghiên cứu để ứng dụng trong hệ thống thông tin di động MIMO và hệ thống định vị tàu biển trên vùng biển Việt Nam Việc ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu đóng một vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của toàn bộ hệ thống Khi xác định được các hướng sóng tới, có thể xác định được... lượng hướng sóng tới cơ bản này một cách trực tiếp Vì lý do này, việc ước lượng hướng sóng tới trong thực tế cần áp dụng một số thuật toán Trong chương 2 của đồ án, một số thuật toán sẽ được giới thiệu một cách cụ thể CHƯƠNG 2 MỘT SỐ THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA TÍN HIỆU Hệ thống Anten thông minh có thể ước lượng được hướng sóng của tín hiệu tới mà không cần sử dụng thuật toán đặc biệt nào trong. .. trọng trong việc tính toán các vector riêng đối với hai thuật toán sử dụng cấu trúc không gian con Ngoài ra, phương pháp ước lượng hướng sóng tới truyền thống cũng sử dụng ma trận này để tìm ra các trọng số lượng tử thích hợp trong hệ thống 2.3 Phương pháp ước lượng hướng sóng tới truyền thống 2.3.1 Nguyên lý định dạng búp sóng của anten thông minh Trên thực tế, ước lượng hướng sóng tới là một trong. .. nhiên, trong thực tế, điều kiện truyền lan của sóng vô tuyến không thể đạt được sự lý tưởng như vậy Vì lý do đó, các thuật toán ước lượng hướng sóng tới ra đời nhằm mục đích có thể xác định được hướng sóng tới trong một môi trường chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố không có lợi với tín hiệu mà vẫn đảm bảo độ chính xác nhất định Trong suốt quá trình phát triển của các hệ thống anten thông minh cũng như trong. .. suất phát của anten vào búp sóng hướng về phía có đối tượng cần quan tâm Hai quá trình này được thực hiện bởi các khối xử lý tín hiệu và khối định dạng búp sóng trong máy thu và máy phát trong hệ thống anten thông minh được giới thiệu ở trên 1.3.2 Nguyên lý ước lượng hướng sóng tới Với một hệ thống Anten có M phần tử, ta có thể thực hiện được việc ước lượng hướng sóng tới theo mô hình mảng anten thẳng... chứa tín hiệu theo các búp sóng đã định trước Hình 1.7 Máy phát sử dụng anten thông minh 1.3 Ứng dụng Anten thông minh trong việc ước lượng hướng sóng tới 1.3.1 Giới thiệu về ứng dụng của anten thông minh Anten thông minh có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như Radar, định vị dưới nước, địa chấn học, truyền thông không dây, truyền thông vô tuyến, âm học… Trong các lĩnh vực này, anten... trường tín hiệu Thông thường, các hệ thống anten thông minh được phân loại thành hệ thống chuyển đổi búp sóng hoặc hệ thống mảng anten thích nghi o Hệ thống anten chuyển đổi búp sóng: Hệ thống này gồm có nhiều búp sóng cố định có độ nhạy cao với các hướng nhất định Các hệ thống anten này đo được cường độ tín hiệu, chọn một búp sóng cố định và xác định trước để chuyển sang phục vụ tín hiệu này khi có thay... đổi búp sóng: Loại Anten này có nhiều búp sóng cố định, mỗi búp sóng tương ứng với một phần tử anten Các búp sóng chia ra nhiều hướng khác nhau trong không gian Hệ thống sẽ xác định tín hiệu người dùng nằm trong vùng của búp sóng nào và sẽ sử dụng búp sóng đó để phục vụ người dùng Khi tín hiệu người dùng di chuyển ra ngoài vùng phủ của búp sóng đó, một búp sóng khác sẽ được sử dụng thay cho búp sóng cũ... một trong những ứng dụng chính của hệ thống anten thông minh Và để làm công việc đó, anten cần khối định dạng búp sóng Trong hình 2.3 là kiến trúc máy thu của hệ thống anten thông minh và hướng truyền tín hiệu trong máy thu Hình 2.3 Máy thu của hệ thống anten thông minh Tín hiệu thu được ở anten có dạng như (2.14) và (2.15) Sau khi được xử lý tại khối định dạng búp sóng, tín hiệu thu được tại đầu ra... nghĩa là búp sóng chính sẽ hướng về phía có tín hiệu người dùng mong muốn và tại những hướng có nhiễu sẽ không có dạng búp sóng thuận lợi b) Định nghĩa 2: Một hệ thống anten thông minh kết hợp nhiều phần tử anten với khả năng xử lý tín hiệu để tối ưu hóa dạng búp sóng trong quá trình phát/ thu tín hiệu để đáp ứng với sự thay đổi của môi trường tín hiệu Thông thường, các hệ thống anten thông minh được . dụng trong nhiều phần khác nhau của lĩnh vực thông tin vô tuyến. Một trong những kết quả đang rất được quan tâm chính là hệ thống anten thông minh. Đối với bất kỳ hệ thống thông tin vô tuyến thông. 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. tín hiệu. Thông thường, các hệ thống anten thông minh được phân loại thành hệ thống chuyển đổi búp sóng hoặc hệ thống mảng anten thích nghi. o Hệ thống anten chuyển đổi búp sóng: Hệ thống này