Những nghiên cứu ban đầu về hiện tượng phi tuyến trong hệ thống viễn thông thế hệ mới

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

BÙI THỊ HOÀI

NHỮNG NGHIÊN CỨU BAN DAU VE HIỆN TƯỢNG PHITUYẾN TRONG HE THONG VIỄN THONG THE HỆ

CHUYEN NGANH : KY THUAT VIEN THONGMA SO: 60.52.02.08

HÀ NOI - 2015

Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Nguyễn Ngọc San

Phản biện 1:PGS.TS Đào Tuan

Phản biện 2: PGS.TS Chu Đức Trình

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc

sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viên thông

Vào lúc: 9 giờ 00 ngày 20 tháng 9 năm 2015

Có thé tìm hiểu luận văn tại:

- Thu viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viênthông

MỞ ĐẦU

Trong thế giới tự nhiên, hầu hết các hiện tượng đều

có đặc tính phi tuyến cho dù ở các mức độ khác nhau và

van đề biểu diễn, xử ly các hiện tượng phi tuyến được quan tâm nghiên cứu từ hàng thé ky nay [1] Tuy nhiên, khi khoa học, công nghệ phát triển và được sử dụng vì những mục đích khác nhau làm xuất hiện nhiều hiện tượng phi tuyến mới; từ hiện tượng phi tuyến xuất hiện trong qua trình biến đổi khí hậu toàn cau, trong các hệ thông kinh tế-xã hội, trong các hệ thống khí động học của thiết bị bay hoặc động thủy khí học trong các thiết bị hoạt động trong

môi trường lai, v.v đến những ứng dụng các hiện tượng

phi tuyến vào những thiết bị phục vụ dân sinh hàng ngày

[2 3].

Đích cuối cùng của mạng thế hệ mới (NGN) là thỏa mãn “ba bất kỳ”; nghĩa là NGN phải đáp ứng yêu cầu vô hạn về băng thông, tích hợp tất cả các phương thức truyền thông va tất cả các loại hình dịch vụ Vì đích cuối cùng của quá trình phát triển mạng đó mà hàng loạt van dé đặt ra cần nghiên cứu, giải quyết thuộc tất cả các lĩnh vực; từ khoa học cơ bản, công nghệ vật liệu mới, chế tạo linh kiện, thiết bị, đến công tác chuẩn hóa, dự báo qui hoạch,

quản lý khai thác, Về bản chất, trong giai đoạn trước mắt mạng NGN không sử dụng giải pháp công nghệ thuần nhất nào mà là tích hợp, liên kết các cơ sở hạ tầng mạng dựa trên các công nghệ mới và cơ sở hạ tang mang hiện có tạo thành mang phân bố dé cung cấp rộng rãi dịch vụ một

cách thông suốt, đáp ứng yêu cầu về chất lượng dịch vụ.

Điều đó làm xuất hiện nhiều hiện tượng phi tuyến mới khi chuyên tiếp từ thế hệ này sang thế hệ khác (chăng hạn, những hiện tượng phi tuyến xuất hiện khi chuyên mạng từ 2G lên 2.5G nham thỏa mãn yêu cầu chất lượng dịch vụ

ký kết về sẵn sảng tài nguyên mạng, an ninh mạng, an

toàn thông tin, giá thành dịch vụ, v.v ) [4] Va tuong

ứng, hiện tượng phi tuyến trong hệ thống viễn thông thế

hệ mới cần được mở rộng, tổng quát hóa để bao trùmnhiều khía cạnh nghiên cứu liên quan hơn; nhất là trình

phát triển trước mắt, hướng mạng viễn thông sang thế hệ

5G và sau 5G trên nền tảng của những công nghệ sẵn có

làm hiện tượng phi tuyến trở thành “nổi cộm”, phức tap.

Sự phức tạp do các hiện tượng phi tuyến mới trong quá trình phát triển NGN từ thế hệ này lên thế hệ cao hơn đối với việc phân tích, thiết kế và tong hợp hệ thống nằm ở tính bất định tiềm ân trong sự biến đổi động học của hệ thong thông tin [4-6].

Đã có nhiều công trình nghiên cứu về hiện tượng phi tuyến nói chung [1-3] cũng như trong mạng viễn thông để tìm ra giải pháp xử lý, phát triển mạng tốt hơn [4-6].

Giống như vẫn đề nâng cao chất lượng hệ thông va giải

pháp giảm ảnh hưởng của nhiễu, nghiên cứu về hiện tượng

phi tuyến luôn là vẫn đề cần thiết và cấp bách để năm TÕ

bản chất phát sinh để xử lý nhằm hướng tới mục đích cuốicủa mang NGN.

Dé năm bắt, làm chủ trong quá trình nghiên cứu, xử lý các hiện tượng phi tuyến nói chung và trong quá trình

phát triên lên các thê hệ mang tiép theo đó thì “Những

nghiên cứu ban đầu về hiện tượng phi tuyến trong hệ

thống viễn thông thế hệ mới” là vấn đề bổ sung kiến thức liên quan đến nhiệm vụ trước mắt và lâu dải của học viên Luận văn trình bảy những hiểu biết ban đầu của học viên

dạng tổng quan về khái niệm cơ bản chung về hệ phi tuyến, các phương pháp thường dùng hiện nay để mô tả hệ phi tuyến và những lý giải về hiện tượng phi tuyến xuất hiện trong mạng NGN thế hệ mới và được chương mục hóa theo 3 chương Cụ thể như sau.

Chương 1 có tiêu đề “Tổng quan về hiện tượng phi

tuyên” trình bày những khái niệm cơ bản về hệ thống phi tuyến nhìn theo quan niệm của một hệ thống nhiều đầu

vào, nhiều dau ra Trong đó sẽ trình bày những khái niệm

về phi tuyến, mô hình toán học và cách ứng xử đối với hệ phi tuyến.

Chương 2 có tiêu đề “Hai phương pháp mô tả hệ phi tuyến”, trình bày một cách tổng quát về hai phương pháp mô tả hệ phi tuyến Đó là mô tả quan hệ giữa đầu vào — đầu ra của hệ phi tuyến trên cơ sở phát triển gần đúng theo chuỗi và gần đúng trong không gian trạng thái.

Chương 3 có tiêu đề “Về một vài hiện tượng phi tuyến trong hệ thống viễn thông thế hệ mới”, trình bày những lý giải đối với hiện tượng phi tuyến nồi com trong hệ thống viễn thông thế hệ mới.

Chương 1: TONG QUAN VE HIỆN TƯỢNG PHI TUYẾN

Trong thế giới tự nhiên, hầu hết các hiện tượng đều

có đặc tính phi tuyến Vì vậy mà lý thuyết về hiện tượng

phi tuyến luôn thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học,

đặc biệt là những người làm VIỆC trong lĩnh vực kỹ thuật

hệ thống Trên cơ sở lý thuyết về hiện tượng phi tuyến sẽ

đưa con người đến gần hơn nữa trong các ứng dụng thực

tế Nó chính là cầu nối giữa lý thuyết và ứng dụng thực

tiễn Với mục đích đó, chương 1 sẽ trình bày những kiến

thức tông quan nhất về hiện tượng phi tuyến 1.1 Khái niệm về phi tuyến

Các hệ thống mà mô hình toán học của nó thỏa

mãn nguyên lý xếp chồng được gọi là hệ tuyến tính.

Ngược lại nếu mô hình của hệ thống không thỏa mãn

nguyên lý xếp chồng thì được là hệ phi tuyến Phần lớncác hệ thống có trong tự nhiên đều mang tính phi tuyến.

Việc phân biệt một hệ thống là tuyến tính hay phi tuyên được thực hiện dựa vào mô hình toán học của hệ.

Tuy nhiên trong thực tế do thường chỉ quan tâm tới bản chất động học của hệ thống nên người ta cũng chỉ sử dụng riêng phần mô hình động học mô tả quan hệ giữa tín hiệu vào u(t) va trang thái x(t) Điều này thường dẫn đến việc trong một hệ thống có thê tồn tại cả hai loại mô hình động học tuyến tính và phi tuyến.

1.2 Mô hình toán học của hệ phi tuyến

1.2.1 Mô hình toán học

* Xây dựng quỹ đạo pha bằng phương pháp tách biến

* Ứng dụng trong việc xác định điểm cân bằng của hệ

* Ý nghĩa trong việc phân tich hiện tượng phân nhánh

1.3 Cách ứng xử với hệ phi tuyến

Trong thực tiễn, các hệ phi tuyến được nhóm thành

3 lớp Lớp thứ nhất, tính phi tuyến phụ thuộc (hàm) vào biến đầu vào, tốc độ biến thiên các bậc của biến đầu vào hoặc thé hiện ở hàm của biến đầu ra, tốc độ biến thiên các

bậc của biến đầu ra Lớp thứ hai, phi tuyến ở hàm của cả

biến đầu vào, biến đầu ra và tốc độ biến thiên các bậc của

chúng Lớp thứ ba chứa các hệ có đồng thời nhiều tính phi

tuyến.

Đối với hệ phi tuyến biêu diễn bởi không gian trang

thái, phương pháp đánh giá tham số theo cách tuyến tính

hóa được đông đảo chấp nhận Tuy có nhiều cách tiếp cậnđể tuyến tính hóa một hệ phi tuyến, nhưng dùng nhiễu xạđối với một miền hoạt động hạn chế của mô hình tựa

tuyến tính theo lý thuyết bền vững và làm biến thiên tham

số của mô hình tựa tuyến tính là hai phương pháp đángđược chú ý.

1.4 Kết luận chương

Trong chương này, giới thiệu tông quát về hệ phi

tuyến, bao gồm: khái niệm chung về hệ phi tuyến, mô

hình toán học và cách ứng xử chung với hệ phi tuyến.

Trong chương sau sẽ trình bày các phương pháp mô tả hệ

phi tuyên, trong đó phương pháp triển khai theo chuỗi (nhiễu xạ) và đánh giá theo khối tham số biến thiên trong

không gian trạng thái sẽ được trình bày.

Chương 2: HAI PHƯƠNG PHÁP MÔ TẢ HỆ PHI

Nhìn về mặt kỹ thuật, hệ phi tuyến phải được biểu diễn

băng toán học hoặc biểu diễn theo phương trình trang thái.

Bang hai phương pháp biéu diễn này đã có nhiều cách ứng xử với hệ phi tuyến Một trong số các cách ứng xử là việc nhận dạng hệ thống phi tuyến rời rạc theo thời gian Hệ thống phi tuyến rời rạc theo thời gian có thể được nhận

dạng bằng cách mô tả không gian trạng thái hoặc bằng cách mô tả đầu vào - đầu ra Và hầu hết các nghiên cứu trong lĩnh vực nhận dạng hệ thống phi tuyến đã tập trung vào các mô hình đầu vao-dau ra Ngoài ra, nhiều phương

pháp điều khiến phi tuyến đòi hỏi một mô hình không gian

trạng thái của hệ thống Các phương pháp tiếp cận theo mô hình không gian trạng thái là chọn một cấu trúc đơn giản cho các mô hình, như vậy mà nó có những ưu điểm nhất định, đó là: rat dé dang dé phân tích, tính toán hon và dẫn đến tính toán các phương pháp nhận dạng hấp dẫn Hạn chế chủ yếu là các câu trúc đơn giản, thường đại diện

cho một lớp hạn chế của hệ thống phi tuyến Do đó, phương pháp tiếp cận theo mô hình đầu vào — đầu ra nhằm mục đích lựa chọn cấu trúc mô hình như vậy mà các mô hình có thể tương ứng với một lớp lớn của các hệ thống phi tuyến.

2.1 Mô tả dau vào — dau ra của một hệ thong phi tuyến

2.1.1 Về các phương pháp chuỗi hàm

2.1.2 Phương pháp Wiener và thuật trình liên quan

2.1.3 Phương pháp chuỗi Volterra

2.1.4 Các kỹ thuật miền tần số

2.2 Mô tả không gian trạng thái của một hệ thống phi tuyến

2.2.1 Mô hình tuyến tính hóa rời rạc hệ phi tuyến

2.2.2 Về tích Khatri-Rao của hai ma trận khối

a) Định nghĩa

b) Quan hệ giữa tích Khatri-Rao với tích Kronecker

c) Áp dụng vào bài toán ước lượng tham số mô hình 2.2.3 Ước lượng tham số mô hình rời rạc theo khối

a) Các bước cơ bản của phương pháp ước lượng tham

số mô hình theo khối

b) Phương trình dữ liệu tổng quát

c) Ước lượng dãy trạng thái

d) Ước lượng ma trận hệ thong

2.2.4 Các phương pháp nhận dạng

a) Phương pháp nhận dạng theo 2 khối b) Phương pháp nhận dạng theo 3 khối

c) Phương pháp nhận dang theo 3 khối 2 giai đoạn

2.3 Kết luận chương

Đặc điểm nổi bật của hệ thống viễn thông thế hệ

mới là tính phi tuyến do các loại can nhiễu mới xuất hiện, kế cả can nhiễu do các tác nghiệp quản trị và những tín hiệu xâm nhập trái phép Những can nhiễu có thé tác động đến mỗi thành phần hoặc tác động lên toàn bộ hệ thống mạng làm ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn của toàn hệ thống Vì vậy, bản chất phi tuyến trong động học cần được xem xét đối với các thành phan cấu thành riêng biệt và đối với tổng thé của hệ thống.

Trong chương này, luận văn trình bày trước tiên

phương pháp mô tả đầu vào — đầu ra đối với một hệ phi tuyến, thường áp dụng trong các công trình nghiên cứu cơ

bản Sau đó,trình bày phương pháp mô tả không gian

trạng thái đối với một hệ phi tuyến áp dụng đối với hệ thống có nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO) làm cơ sở để những lý giải hiện tượng phi tuyến trong hệ thông viễn thông thế hệ mới ở chương sau.

Chương 3: VE MOT VAI HIỆN TƯỢNG PHI TUYẾN

TRONG HE THONG VIÊN THONG THE HE MỚI

Trong chương nay sé trình bay những thông tin liên

quan đến một số hiện tượng phi tuyến trong hệ thống viễn thông thế hệ mới, ảnh hưởng của nó và đưa ra một vài giải pháp của các tác giả trước đối với hệ động học phi tuyến.

3.1 Một vài hiện tượng phi tuyến trong mạng viễn

thông thế hệ mới

3.1.1 Hiện tượng phi tuyến do tôn hao và pha đinh

3.1.2 Hiện tượng phi tuyến do nhiễu nhiều đối tượng

3.1.3 Hiện tượng phi tuyến do can nhiễu xuyên điều chế 3.1.4 Hiện tượng phi tuyến do xuyên điều chế trong 2G

và 3G

3.1.5 Can nhiễu phi tuyến

a) Mô hình can nhiễu phi tuyến b) Hệ thống phi tuyến yếu

3.2 Ảnh hưởng của các hiện tượng phi tuyến lên hệ thống viễn thông thế hệ mới

3.2.1 Ảnh hưởng của can nhiễu do xuyên điều chế

Một quá trình xuất hiện khi hai hoặc nhiều tín hiệu trộn lẫn trong một phần tử phi tuyến tạo nên ở đầu ra những thành phần tần số mới làm suy giảm hiệu năng của hệ thống, nhất là trong các trường hợp: (i) Các hài bậc 2,

3, 5 khi đầu vào phân tử phi tuyến có hai tín hiệu có tần số

khác nhau và (ii) Xuyên điều chế bậc 3 của ba tín hiệu

vào Các ảnh hưởng của xuyên điều chế được chia thành

hai trên cơ sở vị trí phát sinh các sản phẩm xuyên điều chế: Các sản phẩm được tạo ra trong máy thu và các sản phẩm xuyên điều chế được tạo ra trong máy phát.

a) Xuyên điều chế xảy ra ở máy thu

b) Ước lượng mức can nhiễu xuyên điều chế ở đầu

vào của máy thu 3G

3.2.2 Ảnh hưởng của can nhiễu phi tuyến yếu

Do sử dụng chung hạ tầng, tín hiệu can nhiễu của

các hệ thông khác khi đủ lớn có thé làm bộ khuếch đại làm việc ở vùng phi tuyến và đáp ứng đầu ra xuất hiện những thành phần hài (hiện tượng các tín hiệu can nhiễu riêng lẻ kết hợp với nhau).

3.3 Một vài giải pháp của các tác giả trước đối với các hệ động học phi tuyến

Dé tìm được một giải pháp truyền dẫn và cân bằng kênh tốt trước hết cần phải xác định được mô hình kênh Trong trường hop lý tưởng, kênh không thay đổi theo thời

gian được mô hình hóa toán học với tham sỐ không đôi,

có thé hiện thực hóa bởi chuỗi hữu hạn các nhân đáp ứng xung (FIR) Liên quan đến mô hình hóa kênh truyền biến đổi theo thời gian, nhiều tác giả đã dé cập đến theo những góc độ khác nhau từ cấu trúc mô hình, đánh giá tham số đến thuật trình, mô phỏng Nhưng, đối với một hệ thống phi tuyến tuyến tính hóa bằng cách biến đổi tham số thì khi đáp ứng nhu cầu tăng tính chính xác về mô tả bản chất

vật ly thì gặp phải hạn chế về quy mô và tốc độ tính (mat tính “thời gian thực”) và ngược lại khi thỏa mãn nhu cầu về tốc độ tính thì không đáp ứng đòi hỏi về tính chính xác trong mô tả bản chất vật lý.

3.3.1 Mô hình hệ thông của MIMO OFDM

a) Sơ đồ cau trúc cơ bản của MIMO OFDM

b) Mô hình cau trúc và toán học của kênh nhiều đầu

vào nhiều đầu ra (MIMO)

c) Độ lệch tần số (CFO) trong MIMO di động d) Quá trình điều chế

e) Quá trình giải điều chế

f) Trường hợp SISO OFDM

ø) Cac thông số hệ thống OFDM

3.3.2 Cơ sở về bộ cân bằng thích nghi và mạng noron nhân tạo

Những thuật toán tính toán trọng số của bộ cân băng thích nghi (trọng số thích nghị), tính toán trọng số của mạng noron (trọng số học) đều được xây dựng trên cơ

sở của phương trình chuẩn tắc (NORMAL) và tương đồng

nguyên tắc về sử lý sai số tính trong các trường hợp khác nhau nên trong phần này, những nét cơ bản về sự hình

thành cấu trúc của bộ cân bằng thích nghi và của mạng

nơron được trình bảy làm cơ sở để trình bày về các thuật

toán sử dụng.

a) Nguyên lý cau thành bộ cân bằng thích nghi

b) Nguyên lý cấu trúc mạng noron nhân tạo

- Trên cơ sở perceptron đa lớp- Trên cơ sở đa thức

- Tạo cụm K-trung bình

- RBF nhiều mức 3.4 Kết luận chương

Nội dung của chương 3 đã trình bày những lý giải

đối với hiện tượng phi tuyến nổi cộm trong hệ thống viễn

thông thế hệ mới Cụ thê, đã lý giải một vài hiện tượng phi

tuyến trong hệ thống viễn thông thé hệ mới và ảnh hưởng

của nó, đồng thời cũng đã đưa ra một vài giải pháp của

các tác giả trước đối với các hệ động học phi tuyến nhằm tim ra hướng đi cụ thé cho những nghiên cứu tiếp theo.

KẾT LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ

Các nội dung chính đã làm được trong luận văn:

Luận văn đã trình bày những nghiên cứu đã đạt

được của các nhà khoa học về hệ thống phi tuyến và ứng dụng vào mạng viễn thông thế hệ mới, cụ thé như sau:

- Lý thuyết chung về hệ thống phi tuyến, trong đó trình

bày về khái niệm, mô tả toán học và cách ứng xử đối với hệ phi tuyến.

- Tổng quan về biểu diễn hệ phi tuyến theo chuỗi và theo

phương trình trạng thái.

- Lý thuyết hệ thống nói chung, nhận dạng hệ động học và

phương thức xử lý tín hiệu số nhiều chiều trong khuônkhổ hệ thống động học có nhiều đầu vảo, nhiều đầu ra

(MIMO) nói riêng vào trường hợp cụ thể của mạng viễn thông thé hệ mới.

- Một vài giải pháp của các tác giả trước đối với các hệ động học phi tuyến, đó là mô tả hệ phi tuyến sử dụng bộ

cân bằng thích nghi và mạng noron nhân tạo Về khả năng triển khai, ứng dụng:

- Từ những nội dung đã trình bày trong luận văn để minh chứng rằng hiện tượng phi tuyến trong hệ thống viễn thông thế hệ mới xuất hiện có nhiều hình thái khác nhau

do nguồn gốc xuất phát; ké cả chủ động can thiệp có ý

thức lẫn thụ động do hiệu ứng Điều đó làm đặc tính động học của mọi thành phần cấu thành tài nguyên mạng, cả quan trị mạng đều trở thành phi tuyến trội và giải pháp