Nghiên cứu kỹ thuật ước lượng trong hệ thống truyền dẫn song công

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CAO HOÀNG THĂNG TRẦN HỮU LỘC ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRƯỜNG CAO HOÀNG THĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ C C R L T NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG DU TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NĂM 2019 Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CAO HOÀNG THĂNG C C R L T NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG DU TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG Chuyển nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 8520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn khoa hoc: TS NGUYỄN DUY NHẬT VIỄN Đà Nẵng – Năm 2019 LỜ I C A M ĐO AN C C DU R L T MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG 11 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 12 MỞ ĐẦU 14 C C CHƯƠNG : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ KỸ R L T THUẬT OFDM 18 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 18 DU 1.2 TÌNH HÌNH HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG HIỆN NAY 18 1.3 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN 19 1.3.1 Tổng quan kênh truyền vô tuyến 19 1.3.2 Mơ hình kênh truyền vô tuyến 20 1.3.3 Các tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền 22 a) Suy hao đường truyền 22 b) Nhiễu AWGN 22 c) Hiệu ứng Doppler 22 d) Hiệu ứng đa đường (Multipath) 23 1.3.4 Kênh truyền biến đổi nhanh kênh truyền biến đổi chậm 24 1.4 KỸ THUẬT OFDM 25 1.4.1 Khái niệm 25 1.4.2 Sự phát triển OFDM 27 1.4.2.1 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM 27 1.4.2.2 Truyền dẫn đa sóng mang 27 1.4.2.3 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM 28 1.4.3 Mơ hình hệ thống OFDM 29 1.4.4 Hệ thống MIMO – OFDM 30 1.4.5 Ưu điểm nhược điểm OFDM 32 1.4.5.1 Ưu điểm 32 1.4.5.2 Nhược điểm 33 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 33 C C CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG 35 R L T 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 35 2.2 ĐƠN CÔNG VÀ BÁN SONG CÔNG 35 DU 2.2.1 Đơn công (simplex) 35 2.2.2 Bán song công (Half-duplex) 35 2.3 TRUYỀN DẪN SONG CÔNG 36 2.4 CÁC MƠ HÌNH TRUYỀN DẪN SONG CÔNG 36 2.4.1 Mơ hình hệ thống song cơng thu phát hai chiều 36 a) Hệ thống song công thu phát hai chiều sử dụng chung anten 37 b) Hệ thống song công thu phát hai chiều sử dụng riêng anten 37 c) Hệ thống song công thu phát hai chiều mạng Ad-hoc 38 2.4.2 Mơ hình hệ thống song cơng dùng node chuyển tiếp 38 a) Hệ thống song công dùng node chuyển tiếp 39 b) Hệ thống song công dùng nhiều node chuyển tiếp 39 2.4.3 Mơ hình hệ thống song cơng trạm gốc tế bào 40 a) Mơ hình tế bào với node 41 b) Mơ hình tế bào với nhiều node 41 c) Mơ hình tế bào với nhiều node kết hợp mơ hình node chuyển tiếp 42 2.5 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG SONG CÔNG 42 2.5.1 Ưu điểm 42 2.5.2 Nhược điểm 43 2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 43 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG 45 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 45 C C 3.2 KÊNH TRUYỀN BIẾN ĐỔI THEO THỜI GIAN 45 R L T 3.3 NHIỄU PHA VÀ CÁC ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG SONG CÔNG 45 3.3.1 Giới thiệu nhiễu pha 45 DU 3.3.2 Các mơ hình nhiễu pha 46 3.3.3 Ảnh hưởng nhiễu pha đến hệ thống song công 48 3.4 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN 51 3.4.1 Giới thiệu 51 3.4.2 Ước lượng pilot 51 3.4.3 Cách xếp pilot 52 3.4.3.1 Sắp xếp Pilot dạng khối 53 3.4.3.2 Sắp xếp Pilot dạng lược 54 3.4.3.3 Nguyên tắc truyền Pilot miền tần số miền thời gian 55 3.5 CÁC KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG 56 3.5.1 Ước lượng theo kiểu xếp pilot dạng khối 56 3.5.2 Ước lượng theo kiểu xếp pilot dạng lược 57 3.5.3 Phương pháp ước lượng kênh dùng lọc LS (Least Square) 57 3.5.4 Ước lượng tiêu chuẩn MMSE 60 3.5.5 Ước lượng hệ số BEM kỹ thuật MAP (Maximun a Posteriori) 60 3.6 KẾT HỢP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN VÀ ƯỚC LƯỢNG NHIỄU PHA 61 3.6.1 Sự cần thiết kết hợp ước lượng 61 3.6.2 Mô hình hệ thống 62 3.6.3 Đề xuất giải thuật ước lượng kết hợp 68 3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 69 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 71 C C 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 71 R L T 4.2 LƯU ĐỒ THUẬT TỐN MƠ PHỎNG 71 4.2.1 Lưu đồ thuật toán ước lượng kết hợp 73 DU 4.2.2 Lưu đồ thuật toán tính MSE 74 4.2.3 Lưu đồ thuật tốn tính BER 75 4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 76 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 78 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI 84 NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG Học viên: Cao Hoàng Thăng Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Tử Mã số: CH687 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Khóa: 36 Tóm tắt - Tần số tài nguyên có hạn nên vấn đề sử dụng phổ tần cách hiệu tiết kiệm trở thành mục tiêu quan trọng việc thiết kế xây dựng hệ thống thông tin di động Điều thúc đẩy việc nghiên cứu, ứng dụng công nghệ kỹ thuật tiên tiến để phát triển hệ mạng không dây với tốc độ truyền liệu cao, nâng cao hiệu sử dụng phổ, hiệu lượng độ trễ truyền dẫn thấp Bên cạnh giải pháp hiệu để tái sử dụng lại phổ tần chia sẻ băng tần mạng vô tuyến, năm gần truyền dẫn vô tuyến song công (Full-Duplex) lên giải pháp cho phép truyền nhận liệu đồng thời băng tần Mục đích đồ án C C nghiên cứu kỹ thuật ước lượng hệ thống truyền dẫn song công như: ước lượng nhiễu pha, ước lượng kênh truyền, ước lượng độ lệch tần số sóng mang, kết hợp ước lượng nhiễu pha R L T ước lượng kênh truyền v.v từ đề xuất phương pháp ước lượng tốt cho hệ thống thông tin di dộng DU Từ khóa – Truyền dẫn song cơng; Full-Duplex; ước lượng kênh truyền; kỹ thuật ước lượng; kênh truyền vô tuyến RESEARCH THE ESTIMATION TECHNIQUES IN FULL-DUPPLEX SYSTEM Abstract - Frequency is a limited resource, so the effective and economical use of spectrum is becoming an important goal in the design and construction of mobile communication systems This promotes the research and application of advanced technologies and techniques to develop the next generation of wireless networks with high data transfer rates, improved spectrum efficiency, energy efficiency and Low transmission delay In addition to effective solutions for reusing spectrum or sharing bandwidth between wireless networks, in recent years duplex radio transmission (Full-Duplex) emerged as a new solution that allows transmit and receive data simultaneously in the same band The main purpose of the project is to reseachs the estimation techniques in a Full-Duplex transmission system as: estimate phase noise, estimate transmission channel, estimate carrier frequency deviation, combining phase noise estimation and transmission channel estimation v.v Since then propose the best estimation method for mobile communication system Key words – Duplex; full-duplex; estimate transmission channel; the estimation technique; radio transmission channel C C DU R L T DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt AF Dịch nghĩa Tiếng Việt Tiếng Anh Khuếch đại chuyển tiếp Amplify and Forward ACK/NACK Acknowledge/Negative Acknowledge Tin báo nhận/ Tin báo chưa nhận A/D Analog Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số AGC Automatic Gain Control Tự động điều khiển độ lợi AMD Adaptive Modulation Technique Bộ điều chế tín hiệu thích nghi AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BCA Block Coordinate Descent Tọa độ khối bậc thang BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít BS Base Station CFO Carrier Frequency Offset Lệch tần số sóng mang COFDM Code Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao mã hóa CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp CPE Common Phase Error Lỗi sai pha CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh D/A Digital Audio Broadcast Công nghệ phát số DF Decoded and Forward Giải mã chuyển tiếp DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc DoF Degree of Freedom Bậc tự DVB Digital Video Broadcasting Phát sóng truyền hình kỹ thuật số FDM Frequency Division Multiple Phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Tranform Biến đổi fourier nhanh C C R L T DU Trạm gốc 79 thấy thuật toán kết hợp ước lượng kênh truyền nhiễu pha xây dựng cho hiệu cao, gần với kết lý tưởng Ngồi kết luận trên, kết mơ cho thấy, với ảnh hưởng nhiễu pha node di chuyển tốc độ cao, hàm sở đa thức P-BEM lựa chọn phù hợp cho hệ thống truyền dẫn vô tuyến song công OFDM đa anten C C DU R L T 80 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI KẾT LUẬN Đóng góp đề tài xây dựng giải thuật ước lượng kết hợp nhiễu pha đáp ứng kênh truyền đa đường biến đổi theo thời gian hệ thống truyền dẫn song công Bên cạnh đó, đề tài cịn giải vấn đề lớn hệ thống song công nhiễu tự giao thoa cách ước lượng kênh truyền nhiễu dùng để triệt lượng thơng tin khơng cần thiết phía thu Do đó, phía thu thu tín hiệu mong muốn truyền từ bên phát, trình giải mã dễ dàng lỗi phát sinh giảm, giúp cải thiện BER hệ thống C C HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI R L T Với xu hướng sử dụng di động liệu (mạng hệ thứ hay IoT (Internet of Things)) truyền dẫn song công ứng dụng DU phổ biến hệ thống viễn thông tốc độ cao phát triển khơng ngừng ưu điểm bật so với kỹ thuật truyền dẫn truyền thống Do đó, hướng nghiên cứu đề tài tập trung vào nghiên cứu phương pháp ước lượng kết hợp hiệu kênh truyền yếu tố gây đồng hệ thống gồm nhiễu pha, lệch tần số sóng mang mơi trường thuê bao di chuyển với tốc độ cao 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Abbas Koohian ; Hani Mehrpouyan ; Mahmoud Ahmadian ; Mohammad Azarbad, “Bandwidth Efficient Channel Estimation for Full Duplex Communication Systems”, 2015 IEEE International Conference on Communications (ICC) [2] Ahmed Masmoudi, Tho Le-Ngoc, “A Maximum-Likelihood Channel Estimator in MIMO Full-Duplex Systems", Proc IEEE VTC, 2014 [3] Ahmed Masmoudi, “Self-Interference Cancellation for Full-Duplex Wireless Communications Systems”, Montr´eal, Canada, August 2016 [4] Bharadia, D., McMilin, E., Katti, S (2013), “Full duplex radios”, in ACM SIGCOMM Computer Communication Review, Vol 43, No 4, pp 375-386 [5] D Kim, H Ju, S Park and D Hong, “Effects of Channel Estimation Error on Full Duplex Two-Way Networks," IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 62, no 9, pp 4666-4672, Nov 2013 [6] Goyal, S., Liu, P., Panwar, S., DiFazio, R A., Yang, R., Li, J and Bala, E (2014), “Improving small cell capacity with common-carrier full duplex radios”, in Proc IEEE International Conference on Communications, pp 4987-4993 C C R L T DU [7] Hung Nguyen-Le and Tho Le-Ngoc (2010), “Pilot-Aided Joint CFO and Doubly- Selective Channel Estimation for OFDM Transmissions”, IEEE Transactions on Broadcasting, vol 56, no 4,pp 514-522 [8] Hu Chunjing ; Li Jian ; Mao Zhendong ; Ban Yourong, “Channel estimation for full-duplex relay transmission in cloud radio access networks”, IEEE China Communications vol 12, no 11, pp 1-8, Nov 2015 [9] Jianan Bai, Meng He, and Chuan Huang, “Self-Interference Channel Estimation for Full-Duplex MIMO-OFDM Systems with Phase Noise”, 2018 IEEE International Conference on Communications Workshops (ICC Workshops) [10] J van de Beek, M Sandell, and P Borjesson, “ML estimation of time and frequency offset in OFDM systems,” IEEE Trans Signal Process, pp 1800– 1805, Jul 1997 [11] L Jiménez Rodríguez, N H Tran and T Le-Ngoc, “Performance of FullDuplex AF Relaying in the Presence of Residual Self-Interference," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 32, no 9, pp 1752-1764, Sept 2014 82 [12] Marco Rotoloni, “Estimation techniques for OFDM with application to Digital Video Broadcasting Standards”, 2011 [13] Masmoudi, A., Tho Le-Ngoc (2014), “A Maximum-Likelihood Channel Estimator in MIMO Full-Duplex Systems”, Vehicular Technology Conference (VTC Fall), 2014 IEEE 80th IEEE, pp 1-5 [14] MIMO OFDM Wireless Communications w Matlab [15] S Huberman and T Le-Ngoc, “MIMO Full-Duplex Precoding: A Joint Beamforming and Self-Interference Cancellation Structure," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 14, no 4, pp 2205-2217, April 2015 [16] S Huberman and T Le-Ngoc, “Self-Interference-Threshold-Based MIMO FullDuplex Precoding," IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 64, no 8, C C pp 3803-3807, Aug 2015 R L T [17] Tu Bui-Thi-Minh, Truong Tran-Phuoc, Vien Nguyen-Duy-Nhat, Hung NguyenLe, “Joint Channel and Phase Noise Estimation for Self-Interference Cancelation in Full-Duplex MIMO-OFDM”, International Journal of Latest Engineering and Management Research, Vol 1, No 4, pp: 8-16, 2016 DU [18] V Nguyen-Duy-Nhat, H Nguyen-Le, C Tang-Tan and T Bui-Thi-Minh, “Doubly selective channel estimation in full-duplex MIMO-OFDM systems", International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), pp 578-582, 2015 [19] Vien Nguyen-Duy-Nhat, Hung Nguyen-Le, Chien Tang-Tan (2012), “Interference Analysis for OFDM Transmission in the Presence of TimeVarying Channel Impairments”, REV Journal on Electronics and Communications, Vol 2, No 3-4 [20] X Xiong; X Wang; T Riihonen; X You, “Channel Estimation for Full-Duplex Relay Systems with Large-Scale Antenna Arrays," IEEE Transactions on Wireless Communications, no.99, pp.1-1, 2016 [21] X Zhang, W Cheng and H Zhang, “Full-duplex transmission in phy and mac layers for 5G mobile wireless networks," IEEE Wireless Communications, vol 22, no 5, pp 112-121, October 2015 [22] Xiaofeng Li, Cihan Tepedelenlioglu, and Habib S¸ enol, “Channel Estimation for Residual Self-Interference in Full Duplex Amplify-and-Forward Two-way Relays” IEEE Transactions on Wireless Communications,Vol 16 , no 8, pp 83 4970-4983 , Aug 2017 [23] Yin, B., Wu, M., Studer, C., Cavallaro, J R and Lilleberg, J (2013), “Fullduplex in large-scale wireless systems”, in Proc 48th Annual Conference on Information Sciences and Systems, pp 1623-1627 [24] Z Zhang, X Chai, K Long, A V Vasilakos and L Hanzo, “Full duplex techniques for 5G networks: self-interference cancellation, protocol design, and relay selection," IEEE Communications Magazine, vol 53, no 5, pp 128-137, May 2015 [25] Wu, S and Bar-Ness, Y (2002), “A phase noise suppression algorithm for ofdmbased wlans”, IEEE Communications Letters, vol 6, no 12, pp 535–537 C C DU R L T 84 Q UYẾT Đ ỊN H GIA O Đ Ề TÀ I C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... thống truyền dẫn song công Chương : Kỹ thuật ước lượng hệ thống truyền dẫn song công Chương giới thiệu ước lượng kênh truyền, thuật toán ước lượng hệ thống truyền dẫn song công bao gồm ước lượng. .. C C nghiên cứu kỹ thuật ước lượng hệ thống truyền dẫn song công như: ước lượng nhiễu pha, ước lượng kênh truyền, ước lượng độ lệch tần số sóng mang, kết hợp ước lượng nhiễu pha R L T ước lượng. .. pha - Kỹ thuật ước lượng b Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thuật toán, giải pháp để thực hiệu kỹ thuật ước lượng hệ thống truyền dẫn vô tuyến hệ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu xuyên