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 PHẠM DUY PHONG 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2012 Công trình hoàn thành tại: Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Văn Yêm Phản biện 1: PGS.TSKH Nguyễn Hồng Vũ Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Viết Kính Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Văn Đức Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận án cấp Viện họp Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa vào hồi ngày tháng năm 2013 Có thể tìm hiểu Luận án tại: Thư viện Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học, Tự động hóa; Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Các hệ thống thông tin vô tuyến, di động tiên tiến sử dụng đa anten nhà khoa học nước quan tâm nghiên cứu Trong hệ thống việc ước lượng tham số tín hiệu miền thời gian, không gian, tần số ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng dung lượng hệ thống Việc nghiên cứu kỹ thuật, thuật toán ước lượng tham số tín hiệu nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, giảm can nhiễu, nâng cao dung lượng, chất lượng mạng dịch vụ Vấn đề đặt nghiên cứu đề xuất, cải tiến giải pháp để ước lượng tham số tín hiệu miền thời gian, tần số, không gian với độ xác cao Cải tiến thuật toán để ước lượng đồng thời hai hay nhiều tham số tín hiệu trễ truyền sóng, hướng sóng tới tín hiệu theo góc phương vị góc ngẩng Công nghệ vô tuyến sử dụng kỹ thuật cấp phát phổ cố định gây khan tài nguyên phổ tần số Vô tuyến nhận thức vô tuyến xác định phần mềm hai giải pháp chủ yếu việc cấp phát phổ động Để cảm nhận phổ thường phải yêu cầu thông tin trạng thái kênh (CSI), cần tìm phương pháp tổng hợp tín hiệu bên thu mà không đòi hỏi CSI, đồng thời đề xuất giải pháp kết hợp kỹ thuật xử lý song song luật OR cảm nhận phổ Ngoài ra, kiến trúc thu phát hướng đến mô hình thông minh dựa công nghệ vô tuyến điều khiển phần mềm Nghiên cứu đề xuất kiến trúc máy thu hệ thống thông tin, định vị tiến tiến đa anten nâng cao độ phân giải thuật toán ước lượng Do tác giả lựa chọn đề tài: Thuật toán ước lượng tham số tín hiệu hệ thống thông tin vô tuyến Mục tiêu luận án Tìm giải pháp, thuật toán, mô hình ước lượng tham số tín hiệu không tương quan tương quan miền thời gian, miền tần số, cảm nhận phổ miền không gian hệ thống thông tin vô tuyến, định vị vô tuyến tiên tiến Nghiên cứu toán ước lượng tham số ước lượng đồng thời nhiều tham số dùng giải thuật có độ phân giải cao Nghiên cứu đề xuất kỹ thuật cảm nhận phổ hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến sử dụng nhiều ăng ten Nội dung, phương pháp nghiên cứu, cấu trúc luận án Nội dung: Nội dung nghiên cứu luận án cải tiến số thuật toán để nâng cao độ phân giải, tính xác ước lượng tham số tín hiệu nhằm nâng cao dung lượng chất lượng hệ thống thông tin vô tuyến; đề xuất giải pháp cảm nhận phổ không sử dụng thông tin trạng thái kênh CSI nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ đề xuất kiến trúc máy thu nhằm nâng cao chất lượng ước lượng hướng sóng tới DOA hệ thống thông tin định vị vô tuyến Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu chung Luận án bao gồm thực nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình, đề xuất, cải tiến thuật toán, kết hợp với mô máy tính Cấu trúc luận án: Luận án trình bày 125 trang khổ A4, bao gồm mở đầu, chương, kết luận, danh mục công trình công bố tác giả tài liệu tham khảo Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 1.1 Khái quát ước lượng tham số tín hiệu hệ thống thông tin vô tuyến Trong hệ thống thông tin vô tuyến đa anten, toán ước lượng tham số tín hiệu thu hút quan tâm, nghiên cứu nhà khoa học nước Trong hệ thống này, tham số tín hiệu miền thời gian, miền tần số hệ thống thông tin vô tuyến truyền thống tham số không gian hướng sóng tới, hướng sóng đi… cần phải đặc biệt quan tâm Ngoài ra, việc ước lượng đồng thời hai tham số tín hiệu tới mang lại nhiều lợi giảm thời gian xử lý, tiết kiệm chi phí góp phần giảm giá thành hệ thống 1.2 Kỹ thuật ước lượng DOA 1.2.1 Điều kiện thông số ảnh hưởng đến việc ước lượng DOA Trong toán ước lượng DOA truyền thống, điều kiện để thực là: Tín hiệu tín hiệu băng hẹp, tín hiệu không tương quan, nhiễu Gauss Các thông số ảnh hưởng đến độ xác thuật toán là: Số phần tử anten mảng, khoảng cách phần tử anten mảng, số lượng mẫu, tỷ số tín hiệu tạp âm, số chiều ước lượng 1.2.2 Công thức tổng quát toán DOA Xét mảng ăng ten tuyến tính đồng gồm M phần tử cách Các tín hiệu s(t) tới dàn ăng ten thu sóng phẳng tạo trục chứa phần tử ăng ten góc tới mặt phẳng phương vị θ Giả thiết ta lấy phần tử ăng ten thứ làm chuẩn Khi tín hiệu nhận phần tử thứ k là:  xk  t  Re s1 t tk .e j 2 fc  t tk   (1.3) 1.2.3 Phương trình ma trận cho dàn ăng ten Với dàn ăng ten gồm M phần tử (k = 0,1,2,…, M-1): a0 (1 )  x0 [n]   a0 ( )  x [n]   a ( ) a1 (1 )            a ( ) a  x [n]  M 1   M 1 M 1 (1 )  a0 ( )   s0 [n]   v0 [n]   a1 ( R 1 )   s1[n]   v1[n]                 aM 1 ( R 1 )   sR 1[n] vM 1[n] (1.12) Trong đó: xn vector M  1, vk [n] nhiễu thêm vào phần tử A ma trận kích thước M  R chứa thông tin góc pha tín hiệu tới Cột A xác định a(i) gọi véctơ dõi theo tín hiệu si(t), tìm góc tới biết a(i) 1.2.4 Ma trận hiệp phương sai tín hiệu thu từ dàn ăng ten Ma trận hiệp phương sai véc tơ tín hiệu thu: Rxx  E  xn xnH   E  Asn   Asn   H        AE  sn snH  AH  E vnvnH   ARSS AH  I M M     (1.13) Các véc tơ riêng trị riêng tính từ Rxx Kết ma trận hiệp phương sai giá trị riêng tín hiệu nhiễu thu gồm hai không gian con: không gian tín hiệu không gian nhiễu 1.2.5 Thuật toán ước lượng DOA Có số thuật toán sử dụng để ước lượng DOA MUSIC, ESPRIT, SAGE, …trong MUSIC thuật toán sử dụng phép toán ma trận để tìm cách phân loại nguồn tín hiệu tới phần tử ăng ten theo góc độ không gian Thuật toán cho phép xác định số lượng nguồn phát, cường độ tín hiệu công suất nhiễu Dựa Qs Qn người ta xây dựng hàm độ lệch: F    a H  QS QnH a   (1.20) Và hàm phổ giả MUSIC: PMUSIC = 1/F(  ) Việc ước lượng hướng sóng tới trở thành việc tìm giá trị lớn hàm PMUSIC 1.2.6 Ước lượng DOA tín hiệu tương quan Khi áp dụng thuật toán ước lượng DOA truyền thống thường phải giả thiết nguồn tín hiệu không tương quan với Trong thực tế nguồn tương quan với nhau, cần phải phá vỡ tính tương quan tín hiệu trước áp dụng thuật toán ước lượng DOA Thuật toán để phá vỡ tính tương quan tín hiệu làm mịn không gian (SS- Spatial Smoothing) làm mịn không gian thuận ngược (FB-SS Forward Backward Spatial Smoothing) 1.2.6.1 Thuật toán SS Thuật toán SS cho ta xác định ma trận hiệp phương sai làm mịn:  ~ L i  R  Rxx m   Rxxi m  L i 1  (1.28) (i ) Với Rxx ( m ) ma trận hiệp phương sai tín hiệu qua mảng thứ i 1.2.6.2 Thuật toán FB- SS Với thuật toán FB- SS, ma trận hiệp phương sai mảng thứ l là: H H R1f  E  xlf (t )  xlf (t )    ADl 1RSS  Dl 1  AH   I   (1.39) Với Rf ma trận hiệp phương sai thuận, Rb ma trận hiệp phương sai nghịch ~ R f  Rb R (1.42) ~ Từ ma trận hiệp phương sai R ta áp dụng nguyên lý không gian tín hiệu để ước lượng DOA 1.3 Kỹ thuật ước lượng tần số CFO FDOA 1.3.1 Kỹ thuật ước lượng CFO Trong thông tin vô tuyến, tồn độ lệch tần số sóng mang gây hiệu ứng Doppler không đồng dao động nội thu, phát ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu thu Ước lượng bù CFO nâng cao độ xác ước lượng tham số khác, góp phần nâng cao chất lượng hệ thống 1.3.2 Kỹ thuật ước lượng FDOA Vô tuyến nhận thức công nghệ nhằm sử dụng phổ tần số hiệu Cảm nhận phổ vấn đề thách thức hệ thống vô tuyến nhận thức Phương pháp phát triển sở thuật toán MUSIC dựa FDOA ước lượng tần số sóng mang người dùng mạng vô tuyến nhận thức 1.4 Kỹ thuật cảm nhận phổ dựa tham số ước lượng 1.4.1 Kỹ thuật phân tập phía thu Trong kỹ thuật MRC tín hiệu tất anten tổng hợp lại đồng pha tín hiệu theo nhánh Kỹ thuật EGC thực đồng pha tín hiệu nhánh kết hợp tín hiệu với trọng số Luận án đề xuất phương pháp tổng hợp tín hiệu mới, không đòi hỏi thông tin CSI, đồng thời thu hiệu xử lý tín hiệu 1.4.2 Kỹ thuật cảm nhận phổ kết hợp Trong cảm nhận phổ kết hợp, nhiều phần tử vô tuyến nhận thức phối hợp để thực việc cảm nhận phổ, sau trao đổi thông tin với Kết luận chương Chương trình bày tổng quan tham số vấn đề ước lượng tham số tín hiệu Kỹ thuật ước lượng DOA, CFO FDOA, kỹ thuật cảm nhận phổ dựa tham số ước lượng Chương 2: KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG MỘT THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 2.1 Đề xuất thuật toán ước lượng FDOA với độ phân giải cao cho hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến 2.1.1 Tổng quan chung thuật toán Thuật toán phát triển dựa giải thuật MUSIC truyền thống MUSIC gốc (root-MUSIC) để đưa thuật toán cho toán ước lượng tần số Thuật toán đề xuất hoạt động theo nguyên lý MUSIC có số thay đổi mô hình hệ thống, mô hình toán học Trong thuật toán MUSIC thường áp dụng cho hệ thống MIMO thuật toán đề xuất áp dụng cho SISO MISO 2.1.2 Mô hình toán học Mô hình hệ thống MIMO thể hình sau: f1 Nút Nguồn t1+T f2 t2+T t1 Nguồn t2  fM tM+T tM Nguồn M Nút  Nút M Hình 2.1: Mô hình hệ thống MIMO Tín hiệu từ anten thứ i th tính sau: xi ( t ) M k 1 sk ( t )exp(  k ) ni ( t ) Phát triển thuật toán từ root-MUSIC:  k   j 2 sin(2f k t k ) /  (2.1) Thuật toán phát triển từ thuật toán MUSIC thông thường  k   j 2f k t k Công thức ước lượng công suất tần số khác nhau: PMUSIC ( f ) H a( f ) a ( f )H EN EN (2.5) 2.1.3 Kết mô Kết mô cho thấy thuật toán đề xuất có khả ước lượng tốt FFT, đặc biệt phân biệt nguồn tín hiệu có tần số gần nhau, với độ phân giải khoảng 1MHz, phổ giả rõ ràng, sắc nét thuật toán FFT Pseudo-Spectrum (dB) -2 -4 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2 Frequency (GHz) 1.22 1.24 1.26 1.28 1.3 Hình 2.6: Độ phân giải FFT Pseudo-Spectrum (dB) -2 -4 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.2 Frequency (GHz) 1.22 1.24 1.26 1.28 1.3 Hình 2.7: Độ phân giải thuật toán đề xuất Thuật toán đề xuất khắc phục hạn chế thuật toán MUSIC truyền thống Phổ không phục thuộc vào hướng ăng ten tín hiệu tới nữa, sử dụng để ước lượng tham số tín hiệu băng rộng, ước lượng số nguồn lớn, giúp ăng ten hoạt động dải ăng ten 11 2.3 Đề xuất kiến trúc hệ thống thu cho toán ước lượng DOA 2.3.1 Giới thiệu Phần phát triển hệ thống tìm hướng đơn kênh bao gồm mảng tuyến tính cách kèm với chuyển mạch RF kiến trúc máy thu hoàn toàn số Hệ thống giúp tìm DOA tín hiệu RF cần quan tâm Phương pháp pha sử dụng ước lượng DOA 2.3.2 Hệ thống tìm hướng đơn kênh xử lý tín hiệu Hệ thống tìm hướng đơn kênh sử dụng kiến trúc máy thu hoàn toàn số, bao gồm mảng tuyến tính cách có M phần tử với chuyển mạch RF máy thu số Sử dụng kiến trúc máy thu hệ thống DF này, tín hiệu lấy mẫu RF với tần số nhỏ nhiều so với thông thường ~s t Sóng phẳng d sin   Mặt phẳng tới  x t  d x t  x t  … x M t  … Chuyển mạch RF Dịch pha  x i n  Máy thu số x i n  Xử lý tín hiệu số + Thuật toán độ phân giải cao Hình 2.12: Hệ thống tìm hướng đơn kênh 2.3.3 Kết mô Hai tín hiệu ước lượng cách xác với AOA o -20 44o với hệ thống đề xuất, ước lượng hệ thống thông thường 12 Conventional System System Proposed P se u d o -S pe c tru m (d B ) -1 -80 -60 -40 -20 20 40 60 80 DOA (degrees) Hình 2.14: Kết mô với tín hiệu không tương quan Kết luận chương Chương đề xuất số thuật toán để ước lượng FDOA, CFO hệ thống thông tin vô tuyến Đồng thời đề xuất hệ thống tìm hướng đơn kênh sử dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến, hệ thống đa định vị vô tuyến tiên tiến Chương 3: KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG ĐỒNG THỜI NHIỀU THAM SỐ CỦA TÍN HIỆUTRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 3.1 Thuật toán ước lượng đồng thời hướng sóng tới mặt phẳng phương vị, tần số Doppler trễ truyền sóng 3.1.1 Giới thiệu Trong trường hợp tín hiệu tương quan, trước sử dụng giải thuật ước lượng hướng sóng tới người ta thường sử dụng phương pháp phá vỡ tính tương quan nguồn tín hiệu Cần nghiên cứu phương pháp xác định đồng thời hướng sóng tới mặt phẳng phương vị, tần số Doppler, trễ truyền sóng tín hiệu cao tần không 13 tương quan tương quan mà không yêu cầu số phần tử ăng ten dàn lớn số nguồn tín hiệu số lượng mẫu lớn 3.1.2 Xử lý tín hiệu không gian - thời gian tần số Giả sử có K nguồn tín hiệu quét từ tần số f1 đến tần số fN với khoảng cách hai tần số f tới dàn anten đồng dạng tuyến tính xếp đường thẳng gồm M phần tử anten đẳng hướng Hình 3.1 Mô hình sóng phẳng dàn anten đồng dạng tuyến tính bố trí theo đường thẳng Dữ liệu nhận đầu tất phần tử thu biểu diễn dạng ma trận sau: x t  A.s t   n t  (3.4) Ma trận hiệp phương sai liệu tương ứng cho bởi:   Rxx  E x ( t ) x H ( t )  A RS AH Qnn Ước lượng Rˆ ma trận hiệp phương sai có dạng: L Rˆ xx=  X ( k ) X ( k ) H L k 1 (3.5) (3.6) ˆ Kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến áp dụng vào R xx thay vào véc tơ liệu x(t): S Rˆ XX-SS   Rˆ sub u S u 1 (3.8) Hình 3.2 minh hoạ mảng ma trận hiệp phương sai kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến 14 Hình 3.2: Sơ đồ tính ma trận hiệp phương sai 3.1.3 Kết mô Khi chưa áp dụng kỹ thuật làm mịn không gian, kết ước lượng hướng sóng tới thời gian trễ không Khi dùng giải thuật có áp dụng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến, ước lượng với độ xác cao Sai số chủ yếu cho hướng sóng tới số phần tử ăng ten dàn nhỏ số lượng tần số dùng toán mô Hình 3.4 Hiển thị 3D kết ước lượng với tín hiệu tương quan chưa áp dụng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến Hình 3.5: Hiển thị 3D kết ước lượng với tín hiệu tương quan áp dụng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến 15 3.2 Thuật toán ước lượng đồng thời hướng sóng tới theo góc phương vị góc tà 3.2.1 Giới thiệu Trong việc mô hình hóa, mô kênh truyền toán định vị vô tuyến tiên tiến, việc xác định hướng sóng tới mặt phẳng phương vị chưa đủ mà cần xác định hướng sóng tới theo góc tà Phần đề xuất phương pháp ước lượng đồng thời hướng sóng tới mặt phẳng phương vị tà sử dụng giải thuật độ phân giải cao với mô hình tín hiệu đơn giản hiệu 3.2.2 Quy trình ước lượng hướng sóng tới tín hiệu mặt phẳng phương vị mặt phẳng đứng Thuật toán độ phân giải cao đưa đỉnh vùng lân cận DOA thực tế cách chiếu không gian tạp âm lên không gian tín hiệu (3.12) P  a H ( ,  ) E N E NH a( ,  ) Ma trận hiệp phương sai tổng tính từ ma trận hiệp phương sai mảng phụ S (3.13) R  R XX_SS S  i 1 sub i Hình 3.8 Sơ đồ phẩn tử Rxx tính toán lựa chọn mảng My= 6, Mz = 7, subMy = subMz = 16 3.2.3 Kết mô Khi chưa áp dụng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến, kết ước lượng khó xác định đỉnh Khi sử dụng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến ba nguồn tín hiệu tương quan ước lượng xác với sai số tối đa 20 Hình 3.11 Kết ước lượng góc phương vị Hình 3.12 Kết mô 3D cho ba tín hiệu góc ngẩng nguồn tín hiệu tương quan không tương quan tới góc (-30°, 20°), (0°, không dùng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến 40°), (40°, 70°) áp dụng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến Kết luận chương Trong chương cải tiến thuật toán ước lượng đồng thời hai tham số tín hiệu cho hệ thống thông tin định vị vô tuyến tiên tiến Tập trung vào tham số không gian hướng sóng tới mặt phẳng phương vị góc tà, thời gian tới tín hiệu hay trễ truyền sóng tín hiệu, dịch tần số Doppler tín hiệu Các thuật toán độ phân giải cao dựa không gian con, mô hình liệu đề xuất cho phép áp dụng tín hiệu tương quan 17 Chương 4: GIẢI PHÁP CẢM NHẬN PHỔ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 4.1 Đề xuất kỹ thuật cảm nhận phổ dựa tham số ước lượng 4.1.1 Giới thiệu kỹ thuật cảm nhận phổ dựa tham số ước lượng Một chức vô tuyến nhận thức (CR) khả cảm nhận phổ để tận dụng tài nguyên phổ tần số Phần luận án phát triển kỹ thuật đơn giản để xử lý tín hiệu thu với đa anten mà không sử dụng CSI Trong hầu hết nghiên cứu trước đây, dao động nhiễu giả thiết xác định người dùng thứ cấp Tuy nhiên, nghiên cứu này, thay biết dao động nhiễu, sử dụng dao động tín hiệu nhiễu ước lượng để đánh giá chất lượng hệ thống 4.1.2 Mô hình hệ thống tách sóng lượng Đối với mô hình khác kết hợp tỷ lệ tối đa, kết hợp lựa chọn, kết hợp độ lợi cân kết hợp sử dụng trọng số lượng tử nhận giá trị khác Y(t) đầu vào tách sóng lượng Điều chỉnh  Y(k) Y(t) BP F ADC  | Y ( k ) |2 T u(t)   H1 H0 Hình 4.1: Bộ tách sóng lượng cảm nhận phổ Giá trị kiểm tra u(t) tính sau: u t    T Y k  (4.3) 18 so sánh với giá trị ngưỡng để định tín hiệu có xuất hiệu hay không Có hai cách để xác định tồn hoạt động hệ thống dựa tham số: Xác suất xác định (PD), xác suất xác định nhầm (PMD) xác suất báo hiệu nhầm (PFA) Giá trị ngưỡng lấy từ công thức trường hợp xác suất báo hiệu nhầm phương sai nhiễu Dựa vào mẫu tín hiệu đầu thu, ước lượng giá trị kỳ vọng phương sai tín hiệu nhiễu, tính toán giá trị ngưỡng bậc tự tham số tập trung không tập trung phân bố Chi- square 4.1.3 Máy thu vô tuyến nhận thức Xem xét ba phương pháp kết hợp tín hiệu thu đa anten: EGC, MRC trọng số lượng tử EGC MRC yêu cầu thông tin trạng thái kênh, với EGC nhiễu tổng từ M ăng ten gây tác động xấu lên thành phần tín hiệu tổng Phương pháp trọng số lượng tử phức tạp chưa hiệu nhánh tín hiệu cần tách sóng lượng so sánh Trong hệ thống đề xuất, thành phần tín hiệu cộng với nhiễu máy thu tối đa hóa trước kết hợp với cách nhân liên hợp pha tín hiệu thu: yi t   yi t   e j y i y t  1  i   hi  st   ni t  M i 1 e j yi M i 1 M yi t  M     hi  s t   n~i t  M i 1 e hi M i 1 Y M M (4.14) (4.15) (4.16) 4.1.4 Ước lượng tín hiệu, nhiễu tham số không tập trung Số lượng mẫu dùng tách sóng lượng sử dụng để ước lượng kỳ vọng phương sai thành phần tín hiệu nhiễu (μ, σ2) Tiếp theo, cần phải tìm hàm mật độ xác suất 19 hàm phân bố tích lũy u(t) Yếu tố khác mô hình kỳ vọng, phương sai tham số không tập trung mẫu tín hiệu tổng hợp Khi biết phân bố giá trị kiểm tra cố định tham số, tính giá trị ngưỡng tham số lại 4.1.5 Kết mô Đánh giá hoạt động ba mô hình cảm nhận phổ với kỹ thuật tổng hợp khác Xét hệ thống gồm ăng ten, số mẫu dùng để tính toán giá trị ước lượng cảm nhận phổ T = 100 Trong mô hình sử dụng trọng số lượng tử, giá trị trọng số lựa chọn ngẫu nhiên điểm vòng tròn đơn vị hình 4.3 Để đánh giá hệ thống, cố định xác suất báo hiệu nhầm PFA, sau tính toán giá trị ngưỡng xác suất xác định nhầm PMD ngược lại 0.14 Noise2 0.12 W11 SNR= 7Db,PFA = 0.05 W32 0.1 T=100 Snapshots 0.08 W31 Index 1: The proposed system Index 2: The Equal Gain Combining system Index 3: The quantization weights system W21 W12 Signal + Noise1 Signal + Noise2 0.06 W22 Noise1 Noise3 Signal + Noise3 0.04 0.02 Hình 4.3: Trọng số lượng tử chọn ngẫu nhiên 20 40 60 80 100 120 Hình 4.4: PDF giá trị kiểm tra mô hình Hình 4.4 cho thấy với hệ thống đề xuất, kỳ vọng nhiễu tín hiệu cộng với nhiễu tăng, PMD hệ thống đề xuất xấp xỉ PMD hệ thống sử dụng mô hình EGC Hình 4.5 cho thấy hệ thống đề xuất hoạt động tốt tương đương với hệ thống sử dụng mô hình EGC tốt hệ thống sử dụng trọng số lượng tử Hình 4.6 thể xác suất báo hiệu nhầm PFA hệ thống sử dụng mô hình EGC hệ thống đề xuất hội tụ 20 nhanh so với hệ thống sử dụng trọng số lượng tử Khi giữ SNR= -8 dB vẽ đồ thị cách thay đổi giá trị PFA tính PMD thấy hệ thống đề xuất hoạt động tốt tương đương hệ thống sử dụng mô hình EGC tốt hệ thống sử dụng trọng số lượng tử 0.4 The Proposed System Using Quantization Weights Using Equal Gain Combining Scheme 0.3 PFA = 0.05 T = 100 Snapsots 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 -10 Using EGC Scheme Using quantization weights The Proposed System 0.9 The Probability of False Alarm Probability of Misdetection 0.35 0.8 0.7 PMD = 0.001 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -9.5 -9 -8.5 -8 -7.5 -7 -6.5 -6 -5.5 -12 -5 Hình 4.5:Hoạt động ba hệ thống cố định PFA -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 Signal to Noise Ratio Signal to Noise Ratio Hình 4.6: Hoạt động hệ thống cố định PMD thay đổi SNR 4.2 Đề xuất giải pháp cảm nhận phổ dùng kỹ thuật xử lý song song luật OR 4.2.1 Giới thiệu Trong cảm nhận phổ kết hợp, nhiều phần tử vô tuyến nhận thức phối hợp để thực việc cảm nhận phổ sau trao đổi thông tin với Từ đề xuất ý tưởng sử dụng kỹ thuật cảm nhận song song anten coi phần tử vô tuyến nhận thức Luật OR sử dụng để xác định có mặt tín hiệu sơ cấp Với ý tưởng xử lý song song luật OR, đề xuất mô hình cảm nhận phổ mới, sử dụng hai anten tạo biến ngẫu nhiên 4.2.2 Các thu CR đa anten đơn anten Đối với ăng ten đơn, tín hiệu thu được biểu diễn dạng nhị phân: nt   y t     h  s t   nt   (4.24) 21 Giá trị kiểm tra u mô tả sau: u 2T  y(k ) N0W k 1 (4.25) N0, W mật độ phổ nhiễu băng thông tín hiệu N(t) có phân bố chuẩn với kỳ vọng phương sai 2N0W Giá trị kiểm tra u(t) so sánh với giá trị ngưỡng để xác định tồn tín hiệu người dùng sơ cấp có tồn hay không Giả sử ta có M ăng ten bên thu, ký hiệu s(t), n(t), h giống trên, i số ăng ten Nhiễu biên độ kênh truyền ăng ten giả thiết độc lập với Tín hiệu thu nhánh thứ i là: yi  t  hi s t   ni  t  với i = 1,2,…, M (4.38) 4.2.3 Hệ thống sử dụng kỹ thuật xử lý song song luật OR Xét hệ thống sử dụng M ăng ten, ăng ten nhận xử lý tín hiệu độc lập Tại nhánh, giá trị kiểm tra giá trị ngưỡng tính toán độc lập trường hợp ăng ten, giá trị trung bình xác suất báo hiệu nhầm PFA tính theo công thức: P  J T ,  , 1,   d sa thre Các giá trị kiểm tra so sánh với giá trị ngưỡng xác định xuất tín hiệu người dùng sơ cấp luật OR theo hình 4.8 4.2.4 Hệ thống đề xuất sử dụng hai anten Dựa ý tưởng kỹ thuật xử lý song song luật OR, đề xuất hệ thống cảm nhận phổ yêu cầu hai anten tạo biến ngẫu nhiên hình 4.9 Công thức tính giá trị kiểm tra nhánh là: 22 Ui  2T  Y k  2T k 1 i (4.50) Xác suất báo hiệu nhầm tỷ lệ không tách sóng hệ thống tính toán theo công thức (4.35) (4.36) Lợi hệ thống đề xuất không cần nhiều ăng ten Hạn chế hệ thống tính toán phức tạp so với hệ thống hai ăng ten truyền thống Hình 4.8: Kỹ thuật xử lý song song cảm nhận phổ Hình 4.9: Hệ thống đề xuất 4.2.5 Kết mô Mô hoạt động hệ thống sử dụng kỹ thuật xử lý song song luật OR đánh giá so sánh với hệ thống sử dụng mô hình kết hợp lựa chọn Kết mô biểu diễn hình 4.11 Bảng 4.1 thể chất lượng hệ thống với tham số sau: số mẫu tín hiệu 30, xác suất báo hiệu nhầm hệ thống 0,001 số nhánh Có thể thấy hệ thống hoạt động tốt trường hợp SNR cao dB 23 Hình 4.11: PFA = 0.01 2T = 10 mẫu Kết luận chương Chương đề xuất phương pháp cảm nhận phổ cho hệ thống vô tuyến nhận thức Phương pháp đề xuất không yêu cầu thông tin trạng thái kênh CSI thu chất lượng hệ thống sử dụng mô hình EGC tốt hệ thống sử dụng trọng số lượng tử Đồng thời đưa giải pháp cảm nhận phổ kết hợp kỹ thuật xử lý song song luật OR KẾT LUẬN Luận án đề xuất giải pháp nhằm ước lượng tham số tín hiệu không tương quan tương quan hệ thống thông tin, định vị vô tuyến với độ phân giải tính xác cao, phát triển kiến trúc máy thu hướng đến mô hình máy thu thông minh tự cấu hình, đồng thời đề xuất kỹ thuật cảm nhận phổ sử dụng đa ăng ten tách sóng lượng hệ thống vô tuyến nhận thức đạt kết sau đây: 1) Đề xuất thuật toán ước lượng tham số CFO FDOA tín hiệu hệ thống thông tin vô tuyến Kết đăng tải công trình số (4) số (7) danh mục công trình công bố tác giả 24 2) Đề xuất, cải tiến thuật toán ước lượng đồng thời tham số tín hiệu DOA, tần số Doppler, trễ truyền sóng DOA theo góc phương vị, góc ngẩng hệ thống thông tin vô tuyến Kết đăng tải công trình số (8) danh mục công trình công bố tác giả 3) Đề xuất giải pháp cảm nhận phổ hệ thống thông tin vô tuyến không sử dụng CSI mà dựa tham số ước lượng, đồng thời đề xuất giải pháp cảm nhận phổ sử dụng kỹ thuật xử lý song song luật OR Kết đăng tải công trình số (1), số (2) số (3) danh mục công trình công bố tác giả 4) Đề xuất kiến trúc máy thu sử dụng cho toán ước lượng DOA Kết đăng tải công trình số (5) danh mục công trình công bố tác giả Hướng nghiên cứu Luận án: Để tiếp tục nghiên cứu, phát triển kết đạt được, mở rộng phạm vi nghiên cứu ứng dụng thực tế lĩnh vực thông tin vô tuyến, từ công việc nghiên cứu mình, thấy xuất hướng nghiên cứu Luận án sau: 1) Nghiên cứu toán ước lượng tham số tín hiệu trường hợp tín hiệu băng rộng 2) Nghiên cứu phương pháp xử lý trường hợp nhiễu nhiễu trắng mà nhiễu màu 3) Nghiên cứu hoàn thiện toán ước lượng số nguồn tín hiệu Ngoài ra, điều kiện cho phép, thời gian tới chế tạo thử nghiệm thiết bị để đo thử, áp dụng giải pháp ước lượng tham số tín hiệu đề xuất DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Pham Duy Phong, Dang Trung Chinh anh Vu Van Yem, ”A Novel Spectrum Sensing Without Channel State Information Using Estimated Parameters,“ Research, Development and Application on Information & Communication Technology journal, Volume E-1, Number (7), p 56-63, December 2010 Pham Duy Phong, Dang Trung Chinh and Vu Van Yem, "OR Rule and Parallel Processing Technique in Multiple antennas for Spectrum Sensing" The third International Conference on Communications and Electronics, ICCE 2010, Nha Trang, Vietnam, August 13-15, p 273 - 277, 2010 Pham Duy Phong, Dang Trung Chinh, Vu Van Yem and Nguyen Van Khang,” More Practical Spectrum Sensing Technique in Cognitive Radio Networks,” The 2010 International Conference on Advanced Technologies for Communications, ATC 2010, Ho Chi Minh City, Vietnam, October 20-22, 2010 Tran Ngoc Dung, Mai Thanh Nga, Vu Van Yem, Pham Duy Phong and Nguyen Xuan Quynh, “Candidates for Estimating Carrier Frequency Offset in MIMO Systems”, International Conference on Advanced Technologies for Communications, September 2009 Yem Van Vu, Phong Duy Pham, Thanh Huu Nguyen, Viet Minh Pham, “A Robust Single Channel Direction Finding System”, in Proceedings of International Symposium on Multimedia and Communication Technology 2009 (ISMAC 2009), January 22- 23, 2009, Bangkok, Thailand Mai Thanh Nga, Vu Van Yem, Pham Duy Phong and Nguyen Huu Thanh, “A planar quasi-Yagi For Next Generation Wireless Communication Systems,” Research, Development on Electronics, Telecommunications and Information technology Journal, Issue 3, December 2008 Pham Duy Phong, Vu Van Yem "High rosolution agorithm for frequency difference of arrival estimation", Proceeding of South East Asian Technical University Consortium (SEATUC), Bangkok, Thailand, March 2012 Pham Duy Phong and Vu Van Yem ”Joint signal parameters estimation for advanced wireless positioning systems” Proceeding of South East Asian Technical University Consortium (SEATUC), Bangkok, Thailand, March 2012