Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ - TIN HỌC - TỰ ĐỘNG HOÁ THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2012 - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ - TIN HỌC - TỰ ĐỘNG HOÁ 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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2012 - i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án: "Thuật toán ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến" là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực, một phần đã được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành, kỷ yếu hội nghị khoa học trong nước và quốc tế. Phần còn lại chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2012 NGHIÊN CỨU SINH Phạm Duy Phong ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Vũ Văn Yêm người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Đặc biệt, sự chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện thuận lợi trong các hoạt động nghiên cứu khoa học của PGS.TS. Vũ Văn Yêm có ý nghĩa vô cùng to lớn để tôi có thể hoàn thành Luận án này. Xin trân trọng cảm ơn GS.TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh đã định hướng và có những chỉ dẫn quan trọng khi xây dựng đề cương nghiên cứu, cũng như trong quá trình thực hiện Luận án. Xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Viện Nghiên cứu Điện tử- Tin học- Tự động hóa trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Viện. Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Điện lực đã hỗ trợ, giúp đỡ để tôi có điều kiện và thời gian học tập, nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã giúp đỡ, chia sẻ, khích lệ, động viên để tôi có thể hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2012 NGHIÊN CỨU SINH Phạm Duy Phong iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................... i MỤC LỤC ................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................... xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU............................................................ xiii MỞ ĐẦU ....................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN .....................9 1.1. Tổng quan về ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến .................................................................................................9 1.2. Kỹ thuật ước lượng DOA ...................................................................11 1.2.1. Điều kiện và những thông số ảnh hưởng đến việc ước lượng DOA ................................................................................................... 11 1.2.2. Công thức tổng quát của bài toán DOA..................................... 12 1.2.3. Phương trình ma trận cho dàn ăng ten ....................................... 15 1.2.4. Ma trận hiệp phương sai của tín hiệu thu từ dàn ăng ten: .......... 15 1.2.5. Thuật toán ước lượng DOA....................................................... 17 1.2.6. Ước lượng DOA của các tín hiệu tương quan............................ 17 1.3. Kỹ thuật ước lượng tần số CFO và FDOA..........................................21 1.3.1. Kỹ thuật ước lượng CFO........................................................... 21 1.3.2. Kỹ thuật ước lượng FDOA........................................................ 22 1.4. Kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng.....................24 1.4.1. Kỹ thuật phân tập ở phía thu ..................................................... 24 1.4.2. Kỹ thuật cảm nhận phổ kết hợp................................................. 26 1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu:.......................................................................27 Kết luận chương 1 .....................................................................................28 iv CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG MỘT THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN...........................29 2.1. Đề xuất thuật toán ước lượng FDOA với độ phân giải cao cho hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến........................................................................29 2.1.1. Tổng quan chung về thuật toán ................................................. 29 2.1.2. Mô hình toán học ...................................................................... 30 2.1.3. Kết quả mô phỏng..................................................................... 32 2.1.4. Phân tích độ phân giải của thuật toán ........................................ 34 2.1.5. Nhận xét.................................................................................... 37 2.2. Đề xuất giải pháp ước lượng dịch tần sóng mang CFO trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO .........................................................................38 2.2.1. Giới thiệu .................................................................................. 38 2.2.2. Mô hình hệ thống ...................................................................... 40 2.2.3. Đề xuất phương pháp ước lượng dịch tần số ............................. 41 2.2.4. Kết quả mô phỏng..................................................................... 43 2.3. Đề xuất kiến trúc hệ thống thu cho bài toán ước lượng DOA .............46 2.3.1. Giới thiệu .................................................................................. 46 2.3.2. Hệ thống tìm hướng đơn kênh và xử lý tín hiệu ........................ 48 2.3.3. Kết quả mô phỏng..................................................................... 51 2.3.4. Nhận xét.................................................................................... 52 Kết luận chương 2 .....................................................................................53 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG ĐỒNG THỜI NHIỀU THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN.....................................................................................................54 3.1. Thuật toán ước lượng đồng thời hướng sóng tới trong mặt phẳng phương vị, tần số Doppler và trễ truyền sóng ............................................54 3.1.1. Giới thiệu .................................................................................. 54 3.1.2. Xử lý tín hiệu không gian - thời gian và tần số.......................... 55 v 3.1.3. Kết quả mô phỏng..................................................................... 59 3.2. Thuật toán ước lượng đồng thời hướng sóng tới theo góc phương vị và góc ngẩng..................................................................................................63 3.2.1. Giới thiệu .................................................................................. 63 3.2.2. Quy trình ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu trong mặt phẳng phương vị và mặt phẳng đứng............................................................. 64 3.2.3. Kết quả mô phỏng..................................................................... 66 Kết luận chương 3 .....................................................................................69 CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP CẢM NHẬN PHỔ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ĐA ĂNG TEN ...............................................72 4.1. Đề xuất kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng ........73 4.1.1. Giới thiệu .................................................................................. 73 4.1.2. Mô hình hệ thống và bộ tách sóng năng lượng .......................... 74 4.1.3. Máy thu vô tuyến nhận thức...................................................... 76 4.1.4. Ước lượng tín hiệu, nhiễu và các tham số không tập trung........ 79 4.1.5. Kết quả mô phỏng..................................................................... 81 4.2. Đề xuất giải pháp cảm nhận phổ dùng kỹ thuật xử lý song song và luật OR ............................................................................................................84 4.2.1. Giới thiệu .................................................................................. 84 4.2.2. Các máy thu vô tuyến nhận thức đa ăng ten và đơn ăng ten ...... 85 4.2.3. Hệ thống sử dụng kỹ thuật xử lý song song và luật OR ............. 89 4.2.4. Hệ thống đề xuất sử dụng hai ăng ten........................................ 90 4.2.5. Kết quả mô phỏng..................................................................... 93 Kết luận chương 4 .....................................................................................96 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................97 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................99 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................100 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT STT Viết tắt Tiếng Anh to Tiếng Việt 1 ADC Analog Converter Digital Bộ biến đổi tương tự - số 2 ABF Adaptive Beam-Forming Định dạng búp sóng thích nghi 3 AOA Angle of Arrival Góc sóng tới 4 AR Autoreg Ressive Tự hồi quy 5 ARMA Autoregressive Average 6 AWGN Additive White Gaussian Nhiễu Gauss trắng cộng Noise 7 BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít 8 BLER Block Error Rate Tỷ lệ lỗi khối 9 CDF Cumulative Function 10 CFO Carrier Frequency Offset 11 CFR Channel Response 12 CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh 13 CNR Carrier to Noise Ratio Tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm 14 CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức 15 CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh 16 CSM Coherent Signal Subspace Phương pháp không gian con tín Method hiệu tương quan 17 DF Direction Finding 18 DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc 19 DIV Diversity Moving Tự hồi quy trung bình động Distribution Hàm phân bố tích luỹ Dịch tần số sóng mang Frequency Đáp ứng tần số của kênh Tìm hướng Phân tập vii STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 20 DOA Direction Of Arrival Hướng sóng tới 21 DOD Direction Of Departure Hướng sóng đi 22 DS Discrete Source Nguồn rời rạc 23 DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số 24 EGC Equal Gain Combining Kết hợp tăng ích đều 25 ES Extended Source Nguồn mở rộng 26 ESPRIT Estimation of Signal Ước lượng tham số tín hiệu dựa Parameters via Rotational vào kỹ thuật bất biến quay Invariance Techniques 27 FBSS Forward-Backward Spatial Làm mượt miền không gian Smoothing thuận nghịch 28 FDD Frequency Duplex 29 FDOA Frequency Difference Of Dịch tần sóng tới Arrival 30 FFT Fast Fourier Transform 31 HLST Horizontal Layered Space Không gian Thời gian phân tầng Time ngang 32 HLSTC Horizontal Layered Space Mã không gian thời gian phân Time Code tầng ngang 33 I.I.D Independently Identically Phân bố độc lập giống nhau Distributed 34 ICI Inter Carrier Interference 35 IDFT Inverse Discrete Fourier Biến đổi Fourier ngược rời rạc Transform 36 IFFT Inverse Fast Transform 37 ISI Inter Symbol Interference Division Song công phân chia theo tần số Biến đổi Fourier nhanh Nhiễu liên sóng mang Fourier Biến đổi Fourier ngược nhanh Nhiễu liên ký hiệu viii STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 38 ISM Industrial, Scientific and Y tế, khoa học và công nghiệp Medical 39 LMMSE Linear Minimum Square Error 40 LMS Least Mean Square Trung bình bình phương nhỏ nhất 41 LOS Line Of Sight Tầm nhìn thằng 42 LS Least Squares Bình phương cực tiểu 43 LST Layered Space Time Không gian thời gian theo tầng 44 LSTC Layered Space Time Code Mã không gian thời gian theo tầng 45 MAI Multiple Interference 46 MAP Maximum Probability 47 MIMO Multiple Output Input Multiple Nhiều đầu vào nhiều đầu ra 48 MISO Multiple Output Input Single Nhiều đầu vào một đầu ra 49 ML Maximum Likelihood 50 MLSE Maximum Likelihood Phương pháp ước lượng chuỗi Sequence Estimation khả năng lớn nhất 51 MMSE Minimum Mean Square Lỗi bình phương trung bình tối Error thiểu 52 MPC Multi- Path Components 53 MRC Maximum Ratio Combing Kết hợp tỷ số tối đa 54 MSE Mean Square Error 55 MSS Modified Smoothing Mean Lỗi bình phương tối thiểu tuyến tính Antenna Nhiễu đa ăng ten Tối đa hậu nghiệm Khả năng lớn nhất Các thành phần đa đường Lỗi bình phương trung bình Spatial Phương pháp làm mượt miền không gian cải tiến