Nghiên cứu kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới và tần số trong hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến

Kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới (DOA )

• Ước lượng DOA của các tín hiệu tương quan

Chúng ta xét một mảng ăng ten tuyến tính đồng dạng(ULA) gồm M phần tử có bức xạ đẳng hướng (dàn ăng ten gồm M phần tử) xếp cách đều nhau với khoảng cách d (thường là /2 hoặc nhỏ hơn /2) nhận các tín hiệu là các nguồn không tương quan với nhau. Thuật toán cơ bản để phá vỡ tính tương quan giữa các tín hiệu là làm mịn không gian SS (Spatial Smoothing) hoặc làm mịn không gian thuận ngược FB-SS (Forward Backward Spatial Smoothing).

Kỹ thuật ước lượng tần số CFO và FDOA 1. Kỹ thuật ước lượng CFO

Kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng 1. Kỹ thuật phân tập ở phía thu

Đề xuất thuật toán ước lượng FDOA với độ phân giải cao cho hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến

Kết quả mô phỏng

Trên thực tế có nhiều thông số có ảnh hưởng tới độ phân giải, nhưng được quan tâm nhất là tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR của các nguồn, số điểm tần số (N), số lượng mẫu và khoảng thời gian T. Đặc biệt, thuật toán này giúp một ăng ten hoạt động như một dải ăng ten, không chỉ giảm số lượng ăng tencần thiết, tránh cồng kềnh cho hệ thống, mà còn nâng cao hiệu suất sử dụng phổ.

Đề xuất giải pháp ước lượng dịch tần sóng mang CFO trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO

• Kết quả mô phỏng

Luồng dữ liệu được chia thành M luồng con, mỗi luồng con được xử lý thành các định dạng khối bởi việc chèn ký tự hoa tiêu một cách định kỳ, ví dụ như một tín hiệu ước lượng kênh.Tại mỗi khe thời gian t, các tín hiệu được truyền đồng thời từ ăng ten phát và là các tín hiệu đầu vào của các kênh MIMO. Giả sử rằng một hệ thống chứa M nguồn tín hiệu với M khoảng dịch tần số sóng mang khác nhau đi tới N ăng ten thu, các tín hiệu riêng biệt từ ăng tenphát thứ m tới N ăng ten thu có cùng CFO làΔ fm , những tín hiệu này rời rạc và độc lập tuyến tính với nhau.

Đề xuất kiến trúc hệ thống thu cho bài toán ước lượng DOA 1. Giới thiệu

Hệ thống tìm hướng đơn kênh và xử lý tín hiệu

Tại một vị trí chuyển mạch tương ứng với một ăng ten được kết nối với máy thu, tín hiệu RF đến các anten thu, qua máy thu số và được số hóa trực tiếp. Do đó, M vị trí của chuyển mạch tương ứng với M phần tử ăng ten trong mảng và tại các đầu ra của bộ ADC, đường bao phức của tín hiệu hoặc tích tương quan được xác định và DOA của tín hiệu RF được ước lượng bằng cách sử dụng thuật toán có độ phân giải cao để thu được độ phân giải góc tốt sau khi xác định được ma trận tương quan.

Thuật toán ước lượng đồng thời hướng sóng tới trong mặt phẳng phương vị, tần số Doppler và trễ truyền sóng

Tỷ số tín hiệu trên tạp âm của các tín hiệu tới trong mô phỏng này giả thiết đều bằng nhau và bằng 15 dB.Giả thiết tạp âm Gauss và các phần tử ăng tentrong dàn không có tương hỗ với nhau, các tín hiệu thu được tại các phần tử thu được lấy mẫu với số lượng mẫu Lsample (snapshot) là 200 sau đó được tổ chức theo mô hình ma trận dữ liệu thu và áp dụng giải thuật như trình bày ở phần trên. Trong hệ thống thông tin, định vị vô tuyến sử dụng nhiều ăng ten, bên cạnh việc ước lượng các tham số thời gian, không gian, việc ước lượng và cảm nhận các tham số về tần số một cách linh hoạt, cảm nhận về môi trường và tự động điều chỉnh các thông số cho phù hợp với môi trường nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng tài nguyên, phổ tần là giải pháp cho vấn đề khan hiếm phổ hiện nay thay vì giải pháp cấp phát phổ cố định hiện tại chưa đạt được hiệu suất sử dụng phổ mong muốn.

Đề xuất kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng 1. Giới thiệu

Do đó, trong luận án dựa vào các mẫu tín hiệu tại đầu thu, sẽ ước lượng giá trị kỳ vọng và phương sai của tín hiệu và nhiễu, tính toán giá trị ngưỡng và bậc tự do của các tham số tập trung và không tập trung trong phân bố Chi- square. Tương tự, đối với hệ thống sử dụng mô hình EGC và thống sử dụng các trọng số lượng tử, giá trị kiểm tra có phân bố Chi- square với bậc tự do là T, yếu tốkhác nhau duy nhất giữa các mô hình là kỳ vọng, phương sai và tham số không tập trung của bộ mẫu các tín hiệu tổng hợp đó.

Đề xuất giải pháp cảm nhận phổ dùng kỹ thuật xử lý song song và luật OR

Bộ tạo biến ngẫu nhiên tạo ra 16 giá trị ngẫu nhiên tương ứng với từng cặp các mẫu số (y1,y2) của hai nhánh tại máy thu. Những biến ngẫu nhiên này được kết hợp với tín hiệu đã lấy mẫu để tạo thành 8 nhánh tín hiệu theo công thức sau:. aji và argument của aji có phân bố đồng đều trong khoảng [0, 2π]. Tín hiệu thu được tại mỗi nhánh được thể hiện như ở hình 4.10 và có dạng:. Trung bình bình phương. So sánh ngưỡng và luật OR Quyết định. Bộ tạo biến ngẫu nhiên. Do argument của ajicó phân bố đồng đều trong khoảng [0,2π], φ2i và φ1icũng là các biến ngẫu nhiên với phân bố đồng đều trong khoảng [0,2π]. Hình 4.10: Tín hiệu thu được trong hệ thống kết hợp. Công thức tính giá trị kiểm tra của mỗi nhánh là:. Các mẫu tín hiệu có biến thiên n2. Cố định một trong hai tham số PFA hoặc PMD, giá trị ngưỡng được lấy từ các công thức:. Cho trước xác suất báo hiệu nhầm của hệ thống PFA_system, ta có thể tính toán được xác suất báo hiệu nhầm của mỗi nhánh PFA_branch, sau đó tính toán giá trị ngưỡng và xác suất tách sóng được tín hiệu cho mỗi nhánh:. Vai trò của bộ tạo biến ngẫu nhiên là kết hợptín hiệu thu được từ hai ăng tenvới nhau để có 8 nhánh tín hiệu độc lập. Lợi thế của hệ thống được đề xuất là không cần quá nhiều ăng ten. Hai ăng tenlà số lượng ăng ten ít nhất để có được tính độc lập trên mỗi nhánh. Nhờ vậy, sự phức tạp của hệ thống có thể giảm xuống. Trong hệ thống, thay vì tăng số ăng ten ta tăng số nhánh, lúc này mỗi nhánh tương đương với một ăng ten. Hạn chế của hệ thống này là tính toán phức tạp hơn so với hệ thống hai ăng ten truyền thống. Kết quả mô phỏng. Mô phỏng hoạt động của hệ thống sử dụng kỹ thuật xử lý song song và luật OR được đánh giá khi so sánh với hệ thống sử dụng mô hình kết hợp lựa chọn. Kết quả mô phỏng được biểu diễn trên hình 4.11. Kết quả mô phỏng cho thấy chất lượng của hệ thống sử dụng kỹ thuật xử lý song song cao hơn so với hệ thống sử dung mô hình kết hợp và đương nhiên là cao hơn khi sử dụng một ăng ten. Bảng 4.1 thể hiện hoạt động của hệ thống đề xuất sử dụng hai ăng ten và một bộ tạo biến ngẫu nhiên. Có thể thấy rằng hệ thống hoạt động tốt trong trường hợp SNR cao hơn 2 dB. Kết quả được trình bày trong bảng 4.2. Hệ thống hoạt động tốt trong trường hợp số mẫu tín hiệu lớn hơn 90. Tăng số mẫu dẫn đến việc tăng xác suất tách sóng tín hiệu. Tuy nhiên, thời gian cảm nhận phổ cũng tăng lên. Có thể thấy rằng tăng số mẫu dẫn đến việc giảm xác suất báo hiệu nhầm. Số mẫu PFA_system. Chương 4 đề xuất một phương pháp cảm nhận phổ chocác hệ thống vô tuyến nhận thức, sử dụng các mẫu tín hiệu thu được để ước lượng kỳ vọng, phương sai của nhiễu và tín hiệu cộng với nhiễu, tiếp theo thực hiện cảm nhận phổ bằng bộ tách sóng năng lượng. Phương pháp đề xuất không yêu cầu thông tin trạng thái kênh CSI tại máy thu như các phương pháp trước đây. Hoạt động của phương pháp đề xuất được đánh giá, so sánh với các phương pháp khác bằng mô phỏng. Từ kết quả mô phỏng nhận thấy rằng, phương pháp đề xuất có chất lượng tốt như hệ thống sử dụng mô hình EGC và tốt hơn hệ thống sử dụng trọng số lượng tử. Đồng thời chương này cũng đưa ra giải pháp cảm nhận phổ kết hợp kỹ thuật xử lý song song và luật OR. Đánh hoạt động của hệ thống đề xuất bằng cách thay đổi SNR trong lần mô phỏng đầu tiên, thay đổi số mẫu trong hai lần mô phỏng tiếp theo. Hệ thống hoạt động tốt hơn khi tăng tỷ số SNR, số lượng mẫu. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN. Luận án đã đề xuất các giải pháp nhằm ước lượng các tham số của tín hiệu không tương quan và tương quan trong hệ thống thông tin, định vị vô tuyến với độ phân giải và tính chính xác cao, phát triển kiến trúc máy thu mới hướng đến mô hình máy thu thông minh tự cấu hình. Đồng thời đề xuấtkỹ thuật cảm nhận phổ sử dụng đaăng tenvà bộ tách sóng năng lượng trong hệ thống vô tuyến nhận thức và đã đạt được những kết quả chính sau đây:. 1) Đề xuất thuật toán ước lượng tham số CFO và FDOA của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến. Kết quả này được đăng tải ở công trình số (5) trong danh mục các công trình công bố của tác giả. Hướng nghiên cứu tiếp theocủa Luận án:. Để tiếp tục nghiên cứu, phát triển những kết quả đã đạt được, mở rộng phạm vi nghiên cứu và ứng dụng thực tế trong lĩnh vực thông tin vô tuyến, từ công việc nghiên cứu của mình, chúng tôi thấy xuất hiện hướng nghiên cứu tiếp theo của Luận ánnhưsau:. 1) Nghiên cứu bài toán ước lượng các tham số tín hiệu trong trường hợp tín hiệu băng rộng. 2) Nghiên cứu phương pháp xử lý trong trường hợp nhiễu không phải là nhiễu trắng mà là nhiễu màu. 3) Nghiên cứu hoàn thiện bài toán ước lượng sốnguồn tín hiệu.