Các hệ thống thông tin vô tuyến MIMO với nhiều ăng ten ở cả máy phát và máy thu đã cho thấy sức hấp dẫnđặc biệt của chúng nhờ ưu thế có hiệu suất phổ và dung lượng cao. Để đạt được những ưu điểm này, ước lượng độlệch tần số sóng mang đóng vai trò quan trọng. Do trong thông tin vô tuyến, sự tồn tại của độ lệch tần số sóng mang gây ra do hiệu ứng Doppler, sự không đồng bộgiữa các bộ dao động nội phía thu và phía phát sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tín hiệu thu. Trong các hệ thống vô tuyến, ước lượng và bù CFO là một vấn đề quan trọng và thiết thực vì lỗi xảy ra khi ước lượng CFO sẽlàm giảm độ chính xác khi ướclượng các tham sốkhác của hệthống, dẫn đến làm suy giảm chất lượng.
CFO được tính theo công thức sau: f fd f , bao gồm hai thành phần: Dịch tần Doppler fdvà độ lệch tần số f giữa bộ dao động nội máy phát và bộ dao động nội máy thu. Vì vậy, độ lệch tần số sóng mang CFO
gây ra bởi hiệu ứng Doppler do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu và sự không đồng bộgiữa các bộ dao động nội của bên phát và bên thu. 2 1 1 L f f f H l SS l R R AR A I L
CFO làm tăng tỷ số lỗi bit BER, do sự tác động của CFO, điểm chòm sao tín hiệu tương ứng với ký hiệu phát bị quay một góc (t) trong mặt phẳng tín hiệu, dẫn đến điểm chòm sao tín hiệu tương ứng với ký hiệu thu sau giải điều chếbịquay ra khỏi miền quyết định, làm xuất hiện sai số phát hiện ký hiệu, tức là xảy ra lỗi bit, làm tăng xác suất lỗi bit Pe, tăng BER và làm suy giảm chất lượng hoạt động của hệthống, đặc biệt trong hệ thống thống tin vô tuyến MIMO. Do đó, việc ước lượng và bù CFO là vấn đềcần thiết.
Do cấu trúc đa ăng ten trong hệ thống MIMO, tồn tại nhiều CFO giữa các ăng tenthu và phát. Vì thế, các thuật toán ước lượng CFO sử dụng trong các hệ thống SISO không thể áp dụng trực tiếp vào hệ thống MIMO. Có nhiều nghiên cứu về đồng bộ sóng mang trong hệ thống MIMO. Một cách tiếp cận phổ biến là dựa trên việc lựa chọn chuỗi ước lượng một cách có hiệu quả. Một phương pháp sử dụng đặc tính trực giao của các chuỗi huấn luyện được đề xuất ở [12], [13]. Bên cạnh đó, các phương pháp dựa trên các không gian con cũng thu hút được nhiều sự quan tâm [33].
Chương 2 của luận án sẽ đề xuất hai giải pháp ước lượng CFO trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO. Giải pháp thứ nhất dựa vào sự dịch pha giữa các tín hiệu huấn luyện để thu được CFO. Giải pháp thứ hai sử dụng thuật toán MUSIC để ước lượngCFO.
1.3.2. Kỹthuật ước lượng FDOA
Vô tuyến nhận thức là một công nghệ mới sử dụng phổ tần số hiệu quả.Cảm nhận phổ là một trong những vấn đề thách thức nhất trong các hệ thống vô tuyến nhận thức. Có một số phương pháp cảm nhận phổ dùng để xác định phần phổ tần chưa được sử dụng để tận dụng cho việc truyền tín hiệu. Phần này sẽ thảo luận về một phương pháp dựa trên thuật toán MUSIC dùng để ước lượng phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức. Không giống như thuật toán MUSIC truyền thống dùng để ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu, thuật toán này dựa trên FDOAước lượng tần số hoặc sóng mang của người dùng trong mạng vô tuyến nhận thức. Thuật toán được
phát triển mang lại khả năng ước lượng tần số có độ phân giải cao hơn so với MUSIC truyền thống cũng như các phương pháp tiếp cận dựa trên FFT.
Vô tuyến nhận thức được đề xuất bởi Mitola III là một khái niệm mới trong công nghệ truyền thông vô tuyến với lợi thế về hiệu suất sử dụng phổ tần số [34]. Cảm nhận phổtrong hệ thống vô tuyến nhận thức phải xác định được sự tồn tại của tín hiệu người dùng sơ cấp, loại tín hiệu và phần phổ tần chưa sử dụng để tận dụng. Dựa vào những điều đã biết về phổ, hệ thống vô tuyến nhận thức sẽ đưa ra quyết định về việc phát và thu tín hiệu mà không gây ra can nhiễu đến người dùng sơ cấp.
Một số phương pháp cảm nhận phổ được đề xuất đối với các hệ thống vô tuyến nhận thức, như OFDM, sử dụng băng lọc [37], dựa trên phương pháp phân nhiều băng (MTM) [38] và ước lượng phổ theo chu kỳ [39]. Tuy nhiên, tất cả các phương pháp này đều sử dụng FFT của tín hiệu thu được- một phương pháp cổ điển chưa phải là giải pháp tốt nhất để thu được phổ sắc nét. Về độ phân giải, sử dụng các kỹ thuật có độ phân giải cao thay cho các kỹ thuật dựa trên FFT sẽ cho phổ chính xác và liền mạch hơn [37]. Tuy nhiên, việc minh họa đơn giản cho phổ giả của một nút vô tuyến nhận thức cũng có giới hạn. Ngoài ra, vấn đề độ phân giải, một tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá một phương pháp ước lượng phổ, vẫn chưa được làm rõ. Thuật toán MUSIC, một thuật toán có độ phân giải cao được giới thiệu lần đầu tiên bởi Ralph O. Schmidt dùng cho ước lượng hướng sóng tới [28]. Trong các phần sau, nghiên cứu sinh nghiên cứu phát triển, thay đổi thuật toán MUSIC này với mục đích ước lượng phổ trong các hệ thống vô tuyến nhận thức.
Thuật toán MUSIC là một kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới dựa trên phân tích các giá trị riêng, còn được gọi là phương pháp dựa trên không gian con. Trong các thuật toán có độ phân giải cao, MUSIC nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn, do kỹ thuật này có thể ước lượng nhiều thông số cùng một lúc, như góc phương vị, góc ngẩng, phân cực, cũng như trễ truyền sóng. Là một kỹ thuật dựa vào không gian con, MUSIC có các ưu điểm như phân bổ tần số độc lập, hội tụ nhanh, không cần thông tin
DOA ban đầu. Đặc biệt, MUSIC có thể tối thiểu RMS hơn các thuật toán không gian con đa chiều khác [29].
Các hệ thống vô tuyến nhận thức tập trung vào vấn đề ước lượng được công suất tín hiệu tại các tần số khác nhau mà chủ yếu là sử dụng MUSIC dựa trên FDOA. MUSIC dựa trên FDOA không chỉ loại bỏ được ảnh hưởng của ăng ten và nhiễu mà còn giúp các hệ thống vô tuyến nhận thức sử dụng phổ tần số hiệu quả hơn. Đặc biệt, có thể áp dụng thuật toán MUSIC cải tiến lên một ăng ten thu để nó có thể hoạt động như một dàn ăng ten thông thường, làm tăng đáng kể hiệu suất của hệ thống ăng ten và đáp ứng được các yêu cầu của hệ thống vô tuyến nhận thức. Hơn nữa, như chúng ta đã biết, MUSIC thường được dùng để ước lượng các tín hiệu băng hẹp, trong khi FDOA được áp dụng cho việc định vị các nguồn tín hiệu băng rộng. Do đó, sự kết hợp FDOA và MUSIC có thể được mở rộng phạm vi ứng dụng của MUSIC. Trong các phần tiếp theo sẽ nghiên cứu cải tiến thuật toán MUSIC truyền thống và Root- MUSIC để ứng dụng tốt hơn.Có thể gọi thuật toán MUSIC cải tiến này là thuật toán có độ phân giải cao. Thuật toán này vẫn hoạt động theo nguyên lý của MUSIC, nhưng có một số thay đổi trong mô hình hệ thống cũng như ma trận tính toán.
1.4. Kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng1.4.1. Kỹ thuật phân tập ở phía thu 1.4.1. Kỹ thuật phân tập ở phía thu
Trong truyền thông vô tuyến, có hai vấn đề cơ bản thường được quan tâm giải quyết đó là hiện tượng pha đinh và hiện tượng giao thoa.Các thiết kế của hệ thống thông tin vô tuyến thường chú trọng giải quyết hai vấn đề cơ bản này.
Một trong những kỹ thuật hiệu quả để làm giảm ảnh hưởng của pha đinh là sử dụng các kỹ thuật phân tập. Ý tưởng của nó là trên các đường truyền tín hiệu được giả thiết là độc lập với nhau, xác suất để tất cả đều phải chịu pha đinh sâu là rất thấp. Chính vì vậy, ta sẽ gửi dữ liệu giống nhau từ phía phát nhưng qua những đường đi hoàn toàn độc lập nhau. Tín hiệu thu được ở các đường truyền độc lập đó sẽ được kết hợp với nhau theo những cách khác nhau, mục đích là nhằm giảm pha đinh ở tín hiệu tổng
hợp ở mức cao nhất có thể. Với các cách kết hợp tín hiệu khác nhau, ta thu được các kỹ thuật phân tậpkhác nhau.
Với kỹ thuật kết hợp lựa chọn (SC- Selection Combining) trong các nhánh đường truyền, chỉ nhánh tín hiệu có SNR cao nhất được chọn lựa để xử lý tiếp.
Trong kỹ thuật kết hợp tỷ số tối đa (MRC- Maximum Ratio Combining) tín hiệu tại tất cảcác ăng ten đều được kết hợp lại và đồng pha tín hiệu theo mỗi nhánh.
Kỹ thuật kết hợp tăng ích đều (EGC- Equal Gain Combining) thực hiện đồng pha tín hiệu trên mỗi nhánh và kết hợp tín hiệu với cùng một trọng số.
Phần tiếp theo của Luận án sẽ đề xuất một phương pháp kết hợp tín hiệu mới, không đòi hỏi thông tin trạng thái kênh (CSI- Channel State Information), đồng thời thu được hiệu quảtrong xửlý tín hiệu.
Khi một tín hiệu nhận được trải qua hiện tượng pha đinh trong quá trình truyền, cả đường bao và pha của nó sẽ dao động biến đổi theo thời gian. Đối với cách điều chế tương quan, hiện tượng pha đinh ảnh hưởng lên pha có thể làm suy giảm nghiêm trọng hoạt động của hệ thống trừ khi thực hiện bù sự suy giảm ở đầu thu. Thông thường, khi phân tích hệ thống, thường giả thiết rằng những ảnh hưởng của pha do pha đinh đều được điều chỉnh lại một cách chính xác tại đầu thu, ta gọi là giải điều chế tương quan lý tưởng. Đối với mô hình giải điều chế không tương quan, tại đầu thu không đòi hỏi thông tin về pha, do đó sự biến đổi về pha do hiện tượng pha đinh không ảnh hưởng đến hoạt động của toàn hệ thống. Vì vậy, phân tích hoạt động của hệ thống cho cả điều chế không tương quanvà tương quanlý tưởng trên kênh truyền có pha đinh chỉ đòi hỏi thông tin về đường bao thống kê. Chương 4 của luận án sẽ đề xuất một kỹ thuật cảm nhận phổ không yêu cầu thông tin CSI cũng như các thông tin chính xác về tín hiệu và nhiễu.
1.4.2. Kỹ thuật cảm nhận phổ kết hợp1.4.2.1. Giới thiệu 1.4.2.1. Giới thiệu
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến, việc cấp phát phổ tần số theo phương pháp truyền thống trở nên không phù hợp do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ. Công nghệ vô tuyến nhận thức CR [34- 35] là một công nghệ vô tuyến tiên tiến, với tính năng nổi bật là cảm nhận phổ nhằm tăng hiệu suất sử dụng phổ tần số vô tuyến. Dựa trên kỹ thuật cảm nhận phổ, người dùng thứ cấp sẽ cố gắng tìm ra những khoảng phổ còn trống để sử dụng. Vấn đề chính của cảm nhận phổ là xác định chính xác sự có mặt của người dùng sơ cấp.
Trong những nghiên cứu gần đây, các tín hiệu thu được tại hệ thống đa ăng ten được kết hợp với nhau và được xử lý bởi một hệ thống máy thu đơn. Luật OR đã được đề xuất trong cảm nhận phổ kết hợp và kỹ thuật xử lý song song được dùng để xác định sự có mặt của tín hiệu sơ cấp. Ngoài ra, phần này cũng đề xuất một mô hình cảm nhận phổ mới chỉ sử dụng hai ăng tendựa trên kỹ thuật xử lý song song và luật OR.
Trong phần này, chất lượng của hai kỹ thuật được so sánh về mặt kết hợp phân tập MRC và SC. Yêu cầu về thông tin CSI là hạn chế của các kỹ thuật như MRC hay kỹ thuật EGC. Chất lượng của hệ thống đề xuất trong [46] không cao như hệ thống sử dụng kỹ thuật EGC. Nghiên cứu trong [47] đãđánh giá chất lượng của hệ thống sử dụng các tham số ước lượng để tính toán giá trị ngưỡng.
Trong phương pháp truyền thống tận dụng đa ăng ten, những tín hiệu nhận được tại mỗi ăng ten được kết hợp với nhau bởi các kỹ thuật khác nhau. Trong [48], ý tưởng về kỹ thuật cảm nhận song song dùng với đa ăng tenđược đề xuất.
1.4.2.2. Kỹ thuật cảm nhận phổ kết hợp
Trong cảm nhận phổ kết hợp, nhiều phần tử vô tuyến nhận thức có thể được phối hợp để thực hiện việc cảm nhận phổ và sau đó trao đổi thông tin với nhau. Dựa trên ý tưởng này phần tiếp theo của luận án sẽ đề xuất ý tưởng sử dụng kỹ thuật cảm nhận song song trong đó mỗi ăng ten được coi
như một phần tử vô tuyến nhận thức. Luật OR được sửdụng để xác định sự có mặt của tín hiệu sơ cấp. Luật OR đã được sử dụng trong cảm nhận phổ kết hợp, sau đó lại được áp dụng vào đa ăng ten trong vô tuyến nhận thức để nâng cao hiệu suất của hệ thống. Với ý tưởng xử lý song song và luật OR, luận án đề xuất một mô hình cảm nhận phổ mới, chỉ sử dụng hai ăng ten và một bộ tạo biến ngẫu nhiên.
Trong mục 4.2. của chương 4 sẽ trình bày phương pháp kết hợp kỹ thuật xử lý song song và luật OR áp dụng cho đa ăng ten để thực hiện cảm nhận phổ. Đề xuất một hệ thống mới sử dụng kỹ thuật xử lý song song và một bộ tạo biến ngẫu nhiên.
1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu:
Trong hệ thống thông tin vô tuyến nhiều ăng ten, ước lượng các tham số của tín hiệu thu trong miền thời gian, miền tần số như trong các hệ thống thông tin vô tuyến rất cần được quan tâmnghiên cứu.
Vấn đề đặt ra là nghiên cứu đề xuất, cải tiến các giải pháp để ước ước lượng các tham số của tín hiệuvới độ phân giải và tính chính xác cao nhằm nâng cao chất lượng và dung lượng của hệ thống, đồng thời đề xuất kiến trúc máy thu để nâng cao khả năng ước lượng chính xác tham sốDOA của tín hiệu. Với mục tiêu như vậy, luận án tập trung nghiên cứu vào các nội dung chính như sau:
- Nghiên cứu đề xuất thuật toán ước lượng tham số CFO và FDOA của tín hiệu băng hẹp trong ngữ cảnh dàn anten trong hệ thống thông tin vô tuyến.
- Nghiên cứu đề xuất, cải tiến thuật toán ước lượng đồng thời các tham số của tín hiệu là DOA, tần số Doppler, trễ truyền sóng và DOA theo góc phương vị, gócngẩngtrong hệ thống thông tin vô tuyến.
- Nghiên cứu đề xuất giải pháp cảm nhận phổ trong hệ thống thông tin vô tuyến không sử dụng thông tin CSI mà dựa trên các tham số ước lượng, đồng thời đề xuất giải pháp cảm nhận phổ sử dụng kỹ thuật xử lý song song và luật OR.
- Đề xuất kiến trúc máy thu sử dụng hiệu quả cho bài toán ước lượng DOA.
Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan về ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến như các tham số về thời gian (thời gian trễ, TOA), tham số không gian (DOA), tham số tần số (tần số Doppler, FDOA, CFO). Chương 1 cũng trình bày kỹ thuật ước lượng DOA, những điều kiện và thông số ảnh hưởng đến việc ước lượng DOA, thuật toán điển hình để ước lượng DOA là MUSIC, kỹ thuật ước lượng DOAtrong trường hợp các tín hiệu tương quan. Kỹ thuật ước lượng tần số CFO và FDOA, kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng và sau đó là phần đặt vấn đề nghiên cứu cho các chương tiếp theo của luận án.
CHƯƠNG 2:
THUẬT TOÁN 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 về thuật toán