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
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 s
ố 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.
Ph
ần 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
đ
ã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành
lu
ận 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 tr
ọng cảm ơn GS.TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh đã định
hướng v
à 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 v
à thời gian học tập, nghiên cứu.
Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và người
thân đ
ã giúp đỡ, chia sẻ, khích lệ, động viên để tôi có thể hoàn thành luận
án này.
Hà N
ội, ngày 05 tháng 12 năm 2012
NGHIÊN CỨU SINH
Phạm Duy Phong
iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i

M
ỤC LỤC iii
DANH M
ỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi
DANH M
ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ xi
DANH M
ỤC CÁC BẢNG BIỂU xiii
M
Ở ĐẦU 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ CỦA
TÍN HI
ỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN 9
1.1. T
ổng quan về ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông
tin vô tuy
ến 9
1.2. K
ỹ 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 th
ức tổng quát của bài toán DOA 12
1.2.3. Phương trình ma trận cho dàn ăng ten 15
1.2.4. Ma tr
ận hiệp phương sai của tín hiệu thu từ dàn ăng ten: 15
1.2.5. Thu
ật toán ước lượng DOA 17
1.
2.6. Ước lượng DOA của các tín hiệu tương quan 17

1.3. K
ỹ thuật ước lượng tần số CFO và FDOA 21
1.3.1. K
ỹ thuật ước lượng CFO 21
1.3.2. K
ỹ thuật ước lượng FDOA 22
1.4. K
ỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng 24
1.4.1. K
ỹ thuật phân tập ở phía thu 24
1.4.2. K
ỹ thuật cảm nhận phổ kết hợp 26
1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu: 27
K
ết luận chương 1 28
iv
CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG MỘT THAM SỐ CỦA TÍN
HI
ỆU 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 tuy
ến tiên tiến 29
2.1.1. T
ổng quan chung về thuật toán 29
2.1.2. Mô hình toán h
ọc 30
2.1.3. K
ết quả mô phỏng 32
2.1.4. Phân tích độ phân giải của thuật toán 34

2.1.5. Nh
ận xét 37
2.2. Đề xuất giải pháp ước lượng dịch tần sóng mang CFO trong hệ thống
thông tin vô tuy
ến MIMO 38
2.2.1. Gi
ới thiệu 38
2.2.2. Mô hình h
ệ thống 40
2.2.3. Đề xuất phương pháp ước lượng dịch tần số 41
2.2.4. K
ết quả mô phỏng 43
2.3. Đề xuất kiến trúc hệ thống thu cho bài toán ước lượng DOA 46
2.3.1. Gi
ới thiệu 46
2.3.2. H
ệ thống tìm hướng đơn kênh và xử lý tín hiệu 48
2.3.3. K
ết quả mô phỏng 51
2.3.4. Nh
ận xét 52
K
ết luận chương 2 53
CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG ĐỒNG THỜI NHIỀU
THAM S
Ố CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ
TUY
ẾN 54
3.1. Thu
ật toán ước lượng đồng thời hướng sóng tới trong mặt phẳng

phương vị, tần số Doppler và trễ truyền sóng 54
3.1.1. Gi
ới thiệu 54
3.1.2. X
ử lý tín hiệu không gian - thời gian và tần số 55
v
3.1.3. Kết quả mô phỏng 59
3.2. Thu
ật toán ước lượng đồng thời hướng sóng tới theo góc phương vị và
góc ng
ẩng 63
3.2.1. Gi
ới 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. K
ết quả mô phỏng 66
K
ết luận chương 3 69
CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP CẢM NHẬN PHỔ TRONG HỆ THỐNG
THÔNG TIN VÔ TUY
ẾN ĐA ĂNG TEN 72
4.1. Đề xuất kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng 73
4.1.1. Gi
ới thiệu 73
4.1.2. Mô hình h
ệ thống và bộ tách sóng năng lượng 74
4.1.3. Máy thu vô tuy
ến nhận thức 76

4.1.4. Ước lượng tín hiệu, nhiễu và các tham số không tập trung 79
4.1.5. K
ết 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. Gi
ới thiệu 84
4.2.2. Các máy thu vô tuy
ến nhận thức đa ăng ten và đơn ăng ten 85
4.2.3. H
ệ thống sử dụng kỹ thuật xử lý song song và luật OR 89
4.2.4. H
ệ thống đề xuất sử dụng hai ăng ten 90
4.2.5. K
ết quả mô phỏng 93
K
ết luận chương 4 96
K
ẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 97
DANH M
ỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 99
TÀI LI
ỆU THAM KHẢO 100
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
1 ADC
Analog to Digital
Converter
B

ộ biến đổi tương tự - số
2
ABF
Adaptive Beam
-
F
orming
Đ
ịnh dạng
búp sóng thích nghi
3 AOA Angle of Arrival Góc sóng tới
4 AR Autoreg Ressive Tự hồi quy
5 ARMA
Autoregressive Moving
Average
T
ự hồi quy trung bình động
6 AWGN
Additive White Gaussian
Noise
Nhi
ễu Gauss trắng cộng
7
BER
Bit Error Rate
T
ỷ
l
ệ
l

ỗi bí
t
8 BLER Block Error Rate Tỷ lệ lỗi khối
9 CDF C
umulative Distribution
Function
Hàm phân b
ố tích luỹ
10
CFO
Carrier Frequency Offset
D
ịch tần số sóng mang
11 CFR
Channel Frequency
Response
Đáp ứng tần số của kênh
12
CIR
Channel Impulse Response
Đáp
ứng xung
c
ủa
kênh
13 CNR Carrier to Noise Ratio Tỷ số công suất sóng mang tr
ên
tạp âm
14 CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức
15

CSI
Channel State Information
Thông tin tr
ạng thái k
ênh
16 CSM Coherent Signal
Subspace
Method
Phương pháp không gian con tín
hiệu tương quan
17 DF Direction Finding Tìm hướng
18
DFT
Di
screte Fourier Transform
Bi
ến
đ
ổi Fourier rời rạc
19 DIV Diversity Phân tập
vii
STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
20 DOA Direction Of Arrival Hướng sóng tới
21
D
O
D
Direction Of Departure
Hư
ớng 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
Ngu
ồn mở rộng
26 ESPRIT
Estimation of Signal
Parameters v
ia Rotational
Invariance Techniques
Ước lượng tham s
ố tín hiệu dựa
vào kỹ thuật bất biến quay
27
FBSS
Forward
-
Backward
Spatial
Smoothing
Làm
mư
ợt miền không gian
thuận nghịch
28 FDD
Frequency Division
Duplex

Song công phân chia theo t
ần số
29 FDOA
Frequency Difference Of
Arrival
D
ịch tần sóng tới
30 FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh
31
HLST
Horizontal Layered Space
Time
Không gian
Th
ời gian phân tầng
ngang
32 HLSTC
Horizontal Layered Space
Time Code
Mã không gian th
ời gian phân
tầng ngang
33 I.I.D Independently I
dentically
Distributed
Phân b
ố độc lập giống nhau
34 ICI Inter Carrier Interference Nhiễu liên sóng mang
35
IDFT

Inverse Discr
ete Fourier
Transform
Bi
ến đổi Fourier ng
ư
ợc rời rạc
36 IFFT
Inverse Fast Fourier
Transform
Bi
ến đổi Fourier ngược nhanh
37 ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký hiệu
viii
STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
38 ISM
Industrial, Scientific and
Medical
Y t
ế, khoa học và công nghiệp
39 LMMSE Linea
r Minimum Mean
Square Error
L
ỗi bình phương t
ối thiểu tuyến
tính
40 LMS Least Mean Square Trung bình bình phương nh
ỏ
nhất

41 LOS Line Of Sight Tầm nhìn thằng
42 LS Least Squares Bình phương cực tiểu
43
LST
Layered Space Time
Không gian th
ời gian theo tầng
44 LSTC Layered Space Time Code Mã không gian th
ời gian theo
tầng
45 MAI Multiple Antenna
Interference
Nhi
ễu đa ăng ten
46 MAP Maximum Probability Tối đa hậu nghiệm
47 MIMO
Multiple Input Multiple
Output
Nhi
ều đầu vào nhiều đầu ra
48 MISO
Multiple Input Single
Output
Nhi
ều đầu vào một đầu ra
49 ML Maximum Likelihood Khả năng lớn nhất
50
MLSE
Maximum Likelihood
Sequence Estimation

Phương pháp ư
ớc l
ư
ợng chuỗi
khả năng lớn nhất
51 MMSE
Minimum Mean Square
Error
L
ỗi bình phương trung bình t
ối
thiểu
52
MPC
Multi
-
Path C
omponents
Các thành ph
ần đa đ
ư
ờng
53 MRC Maximum Ratio Combing Kết hợp tỷ số tối đa
54 MSE Mean Square Error Lỗi bình phương trung bình
55
MSS
Modified S
patial
Smoothing
Phương pháp làm mư

ợt miền
không gian cải tiến
ix
STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
56 MUSIC MUltiple SI
gnal
Classification
Phân lo
ại tín hiệu đa đường
57 MVDR
Minimum Variance
Distortionless Response
Đáp ứng không méo ph
ương sai
cực tiểu
58 OFDM
Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo t
ần số
trực giao
59 PDF Probability D
ensity
Function
Hàm m
ật độ xác suất
60
P
PM
P

arts Per M
illion
P
h
ần triệu
61 PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất
62 QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
63 RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
64
RMS
Root Mean Square
Căn quân phương
65 RMSE Root Mean Square Error Lỗi căn quân phương
66 RT Ray Tracing Thuật toán tìm tia
67 SC Selection Combining Kỹ thuật kết hợp lựa chọn
68
SDR
Software Defined Radio
Vô tuy
ến xác định bằng phần
mềm
69 SIR Signal to
Interference
Ratio
T
ỷ số tín hiệu trên nhiễu
70 SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra
71 SM Spatial Multiplexing Ghép kênh không gian
72 SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
73 SDMA

Space Division Multi
Access
Đa truy nh
ập phân chia theo
không gian
74 SS Spatial Smoothing Kỹ thuật làm mịn mi
ền không
gian
75
STBC
Space
Time Block Code
Mã hóa
kh
ối
không gian th
ời
x
STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt
gian
76
STC
Space Time Coding
Mã hóa không gian th
ời gian
77 STS Space Time Spreading Trải phổ không gian thời gian
78 STTC Space Time Trellis Code Mã hóa xoắn không gian th
ời
gian thời gian
79

SVD
Singular Value
Decomposition
Phân tích giá tr
ị ri
êng
80 TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời
gian
81 TDMA
Time Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo th
ời
gian
82 TLS Total Least Squares Tổng bình phương cực tiểu
83
TOA
Time Of Arrival
Th
ời gi
an t
ới
84 TOPS
Test of orthogonality of
projected subspaces
Ki
ểm tra tính trực giao của
không gian con hình chiếu
85 UE User Equipment Thiết bị đầu cuối
86

ULA
Uniform Linear Array
Dàn
ăng ten
đ
ồ
ng d
ạ
ng tuy
ế
n
tính
87 VLST
Vertical Layered Space
Time
Không gian th
ời gian phân tầng
ngang
88 VLSTC
Vertical Layered Space
Time Code
L
ập mã không gian th
ời gian
phân tầng ngang
89 ZF Zero Forcing Ép về giá trị không
90
WLAN
W
ire Local Area Network

M
ạng
c
ục bộ
không dây
xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Mô hình sóng truyền lan nhận được bởi các phần tử ăng ten tuyến
tính đồng nhất bố trí trên một đường thẳng 13
Hình 1.2: S
ơ đồ khối hệ thống thu ước lượng hướng sóng tới 13
Hình 1.3. Gi
ản đồ sắp xếp các giá trị riêng tín hiệu 17
Hình 2.1: Mô hình h
ệ thống MIMO 30
Hình 2.2: K
ết quả mô phỏng sử dụng thuật toán 1 33
Hình 2.3: K
ết quả mô phỏng sử dụng thuật toán 2 33
Hình 2.4: K
ết quả mô phỏng sử dụng FFT 34
Hình 2.5:
Ảnh hưởng của SNR lên độ phân giải tần số 35
Hình 2.6:
Độ phân giải của FFT 37
Hình 2.7:
Độ phân giải của thuật toán 1 đề xuất 37
Hình 2.8: Mô hình h
ệ thống MIMO để ước lượng CFO 40
Hình 2.9: RMS c

ủa f
0
đã ước lượng theo số lượng ăng ten phát khác nhau
44
Hình 2.10: Các k
ết quả mô phỏng cho thuật toán MUSIC 45
Hình 2.11:
Độ phân giải tần số của thuật toán MUSIC 46
Hình 2.12: H
ệ thống tìm hướng đơn kênh 48
Hình 2.13: X
ử lý tín hiệu số 49
Hình 2.14: K
ết quả ước lượng với 2 tín hiệu không tương quan 51
Hình 3.1. Mô hình sóng ph
ẳng trong dàn ăng ten đồng dạng tuyến tín bố
trí theo một đường thẳng 55
Hình 3.2 Sơ đồ tính ma trận hiệp phương sai của
SS-XX
R
ˆ
cho N = 6, M = 7,
subL = 2 và subM = 4 59
Hình 3.4. Hi
ển thị 3D kết quả ước lượng với 6 tín hiệu tương quan khi
chưa áp dụ
ng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến 61
Hình 3.5: Hi
ển thị 3D kết quả ước lượng với 6 tín hiệu tương quan khi áp
dụng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến 62

xii
Hình 3.6: Ước lượng tần số Doppler bằng MUSIC và 3D-SS cải tiến 63
Hình 3.7: Dàn
ăng ten phẳng cho việc ước lượng hướng sóng tới DOA 64
Hình 3.8.
Sơ đồ các phẩn tử của R
xx
được tính toán và lựa chọn các mảng
con My= 6, Mz = 7, sub
My
= 2 và sub
Mz
= 4 66
Hình 3.9. K
ết quả mô phỏng 3D cho một tín hiệu ở
)35,45(),( 
o

68
Hình 3.10. K
ết quả mô phỏng 3D cho ba tín hiệu không tương quan tới các
góc (-40°, 20°), (0°, 40°), (40°, 60°) 68
Hình 3.11. K
ết quả ước lượng góc phương vị và góc ngẩng của các nguồn
tín hi
ệu tương quan khi không dùng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến69
Hình 3.12. K
ết quả mô phỏng 3D cho ba tín hiệu không tương quan tới các
góc (-30°, 20°), (0°, 40°), (40°, 70°) khi áp d
ụng kỹ thuật làm mịn không

gian c
ải tiến 69
Hình 4.1: B
ộ tách sóng năng lượng trong cảm nhận phổ 74
Hình
4.2: Sơ đồ hệ thống sử dụng trọng số lượng tử 78
Hình 4.3: Tr
ọng số lượng tử được chọn ngẫu nhiên 81
Hình 4.4: PDF c
ủa giá trị kiểm tra trong 3 mô hình 82
Hình 4.5:Ho
ạt động của ba hệ thống khi cố định P
FA
82
Hình 4.6: Ho
ạt động của 3 hệ thống khi cố định P
MD
và thay đổi SNR 83
Hình 4.7: Ho
ạt động của 3 hệ thống khi cố định SNR và thay đổi P
FA
83
Hình 4.8: K
ỹ thuật xử lý song song trong cảm nhận phổ 89
Hình 4.9: H
ệ thống đề xuất 91
Hình 4.10: Tín hi
ệu thu được trong hệ thống kết hợp 92
Hình 4.11: P
FA

= 0.01 và 2T = 10 mẫu 94
xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Các thông số ảnh hưởng tới độ phân giải 36
B
ảng 4.1: P
FA
= 0,001 và 2T = 30 mẫu 94
B
ảng 4.2: P
FA
= 0,005 và SNR = -5 dB 95
B
ảng 4.3: P
D
= 0,95 và SNR = -3 dB 95
1
MỞ ĐẦU
Trong thời đại phát triển bùng nổ của các hệ thống thông tin vô
tuy
ến, nhu cầu về chất lượng, dung lượng, các dịch vụ đa phương tiện và
tính đa dạng trong các hệ thống thông tin không dây như thông tin di động,
internet đang tăng lên một cách nhanh chóng tr
ên phạm vi toàn thế giới.
Tuy nhiên, phổ tần số vô tuyến là hữu hạn, muốn tăng dung lượng bắt buộc
phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số. Vì vậy, việc nghiên cứu, ứng dụng
các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến để đáp ứng nhu cầu này luôn là một đòi
h
ỏi cấp thiết. Một trong những kỹ thuật có thể giúp cải thiện đáng kể chỉ
tiêu, dung lượng, tốc độ dữ liệu đỉnh và phạm vi liên lạc của hệ thống được

tập trung nghiên cứu trên thế giới trong thời gian gần đây chính là kỹ thuật
đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multiple Input Multiple Output)
hay kỹ thuật
sử dụng nhiều ăng ten phát và nhiều ăng ten thu. Hệ thống MIMO có thể
xem như một hệ thống ghép nhiều k
ênh con một đầu vào một đầu ra SISO
(Single Input Single Output) hay hệ thống đơn ăng ten. Dung lượng kênh
c
ủa hệ thống MIMO là tổng hợp dung lượng của các kênh con thành phần.
Dung lượng k
ênh MIMO bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi phân bố tăng ích
đặc trưng của các k
ênh con SISO. Giải pháp sử dụng nhiều phần tử ăng ten
tại cả máy thu và máy phát cho phép khôi phục dữ liệu phát tốt hơn, cải
thiện quá trình tách dữ liệu của người sử dụng. Hai mô hình MIMO cơ bản
đó là m
ã hóa không gian thời gian STC (Space Time Coding) và ghép kênh
phân chia không gian SM (
Spatial Multiplexing). Mã hóa không gian thời
gian được dùng để l
àm tối đa phân tập không gian trong các kênh MIMO.
MIMO s
ử dụng nhiều ăng ten phát và nhiều ăng ten thu để mở thêm các
kênh truy
ền trong miền không gian. Do các kênh song song được mở ra
cùng thời gian, cùng tần số, nên đạt được tốc độ dữ liệu cao mà không cần
băng thông lớn.
Nói một cách khác là nhờ sử dụng nhiều phần tử ăng ten ở
cả phía phát và phía thu, mà kỹ thuật này cho phép sử dụng hiệu quả phổ
2

tần số cho hệ thống thông tin vô tuyến, cải thiện tốc độ dữ liệu, dung lượng
kênh truyền cũng như độ tin cậy so với các hệ thống truyền thông đơn ăng
ten bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và thời gian.
Trong th
ời gian gần đây, các nghiên cứu trên thế giới ngày càng
quan tâm nhi
ều đến các hệ thống thông tin vô tuyến MIMO [7]-[17]. Trong
đó có nhiều hướng nghiên cứu giải quyết các vấn đề khác nhau như bài
toán dung lượng k
ênh MIMO, bài toán ước lượng kênh truyền, bài toán mã
hóa không gian th
ời gian, xử lý tín hiệu không gian thời gian,
Trong h
ệ thống thông tin vô tuyến đa ăng ten này, ngoài các tham số
của tín hiệu trong miền thời gian, miền tần số như trong các hệ thống thông
tin vô tuyến truyền thống thì các tham số về không gian như hướng sóng
tới, hướng sóng đi,… là các tham số đóng vai trò rất quan trọng cần được
ước lượng
. Bên cạnh đó, việc ước lượng đồng thời hai tham số của tín hiệu
tới sẽ mang lại nhiều lợi thế như hạn chế được số phần tử ăng ten sử dụng
trong dàn, sẽ tiết kiệm chi phí, giảm giá thành hệ thống. Do đó, nghiên cứu
các thuật toán ước lượng các tham số của tín hiệu trong miền không gian,
thời gian và tần số trong hệ thống thông tin vô tuyến đa ăng ten cũng như
ước lượng đồng thời hai hay nhiều tham số đang là bài toán luôn được đặt
ra và đóng vai trò quan trọng trong hệ thống. Nghiên cứu tập trung nhiều
vào xử lý tín hiệu không gian thời gian, tần số trong hệ thống dùng nhiều
ăng ten ở cả phía phát và phía thu, để nâng cao chất lượng
, dung lượng của
hệ thống và giảm nhiễu trên cơ sở đa truy nhập phân chia theo không gian
SDMA (Space Division Multiplexing Access) [18]- [21].

Nghiên c
ứu các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến, nghiên cứu tìm ra
các thu
ật toán với độ phân giải cao để ước lượng chính xác các tham số của
tín hiệu không tương quan và tín hiệu tương quan trong cả miền không
gian
, thời gian và tần số đang là chủ đề nghiên cứu được các nhà khoa học
trong và ngoài nước quan tâm
. Ở trong nước, tại một số trường đại học,
viện nghiên cứu đang thực hiện các nghiên cứu khoa học về xử lý tín hiệu,
3
việc ước lượng kênh truyền cũng như các tham số của tín hiệu trong hệ
thống thông tin vô tuyến, di động tiên tiến. Một số nghiên cứu gần đây tập
trung vào bài toán cấp phát kênh động cho hệ thống thông tin di động sử
dụng công nghệ MIMO- OFDMA [1], tuy nhiên tác giả chưa đề cập đến
bài toán ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống m
à hầu như chỉ
tập trung vào vấn đề đa truy nhập, cấp phát kênh trong hệ thống. Còn trong
nghiên c
ứu [4] tác giả lại chỉ tập trung vào vấn đề mã hóa, san bằng kênh
trong h
ệ thống thông tin vô tuyến MIMO. Các nghiên cứu gần đây liên
quan tr
ực tiếp đến bài toán ước lượng tham số không gian hướng sóng tới
phải kể đến là [2, 3, 5, 6]. Tuy nhiên, việc ước lượng các tham số của tín
hiệu trong hệ thống chủ yếu mới dừng lại ở một tham số hướng sóng tới
trong mặt phẳng phương vị của các tín hiệu không tương quan mà chưa xử
lý đối với
tín hiệu tương quan và chưa đề cập đến mô hình máy thu cụ thể.
Trong các hệ thống thông tin di động tiên tiến ở đó tín hiệu cần ước lượng

bao gồm cả miền không gian, miền thời gian và miền tần số, việc ước
lượng một tham số của tín hiệu bị hạn chế bởi độ phân giải
của hệ thống.
Do đó, nghiên cứu đề xuất phương pháp ước lượng đồng thời nhiều tham
số của tín hiệu không tương quan và tương quan cũng như phát triển các
kiến trúc máy thu mới hướng đến mô hình máy thu thông minh tự cấu hình
trong h
ệ thống thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo là rất cần thiết.
Ngoài ra, do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vô tuyến, vấn
đề khan hiếm phổ đang
giành được sự chú ý. Hiện tại nhiều hệ thống thông
tin vô tuyến sử dụng việc cấp phát phổ cố định như hệ thống WiMAX,
WLAN, ISM hay trong h
ệ thống thông tin di động tế bào. Việc cấp phát
phổ cố định nảy sinh hai vấn đề: Một là sự khan hiếm tài nguyên phổ tần
số, thứ hai là người sử dụng phổ thường có tính chất thay đổi theo không
gian và th
ời gian, vì vậy cấp phát phổ cố định chưa đạt được hiệu suất sử
dụng phổ mong muốn. Vô tuyến nhận thức là một công nghệ vô tuyến có
khả năng cảm nhận về môi trường và tự động điều chỉnh các thông số cho
4
phù hợp với môi trường. Đó chính là giải pháp cho vấn đề khan hiếm phổ
hiện nay. Trong mạng vô tuyến nhận thức, hệ thống tận dụng nguồn tài
nguyên ph
ổ bằng mô hình sử dụng phổ động thay vì kỹ thuật cấp phát phổ
cố định như trước đây. Để thực hiện được kỹ thuật này, vô tuyến nhận thức
phải xác định được tín hiệu người dùng sơ cấp có tồn tại hay không bằng
cách cảm nhận môi trường phổ. Kỹ thuật cảm nhận phổ có thể được chia
thành 4 hướng chính [
22]- [24]: Xác định "lỗ trống phổ" dựa trên sự kết

hợp; xác định lỗ trống phổ dựa trên nhiễu; xác định ở phía phát và xác định
ở phía thu. Trong số các
kỹ thuật xác định "lỗ trống phổ" ở phía phát,
người ta thường sử dụng
mô hình có bộ tách sóng năng lượng (energy
detector) do chúng cấu trúc khá đơn giản và phù hợp với những đòi hỏi
chung về thời gian cảm nhận phổ không quá dài song cũng đạt được độ
chính xác nhất định. Bộ xác định dựa trên năng lượng của tín hiệu để đưa
ra quyết định về sự tồn tại của tín hiệu người dùng sơ cấp mà không đòi hỏi
thông tin trước đó về pha của tín hiệu hay phương thức điều chế.
Để có thể cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống xác định lỗ trống
phổ dựa trên năng lượng, thường sử dụng hệ thống nhiều ăng ten (multiple
antennas) v
ới các kỹ thuật tổng hợp tín hiệu khác nhau, như kỹ thuật kết
hợp tỷ số tối đa (MRC- Maximum Ratio Combining), kỹ thuật kết hợp tăng
ích đều (
EGC- Equal Gain Combining), , đem lại hiệu quả hoạt động khác
nhau cho toàn hệ thống. Hạn chế đối với hệ thống xác định dựa trên năng
lượng l
à nó vẫn đòi hỏi thông tin trạng thái kênh truyền (Channel State
Information) như phương sai của nhiễu,… Một v
ài nghiên cứu gần đây
[24] cũng đưa ra được những phương án giải quyết, tuy nhiên kết quả còn
chưa được như mong muốn.
Luận án này được tiến hành nhằm đề xuất các giải pháp, thuật toán
để ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin, định vị
vô
tuy
ến một cách tách biệt và đồng thời hai hay nhiều tham số của tín hiệu
không tương quan và tương quan với độ phân giải và tính chính xác cao.

5
Luận án nghiên cứu về kỹ thuật cảm nhận phổ sử dụng nhiều ăng ten và bộ
tách sóng năng lượng trong
hệ thống vô tuyến nhận thức, đi vào kỹ thuật
xử lý, tính toán mới để tổng hợp nên tín hiệu từ nhiều ăng ten. Hoạt động
của các hệ thống đề xuất được xây dựng trên cơ sở toán học và kết quả mô
phỏng so sánh giữa những mô hình đề xuất với mô hình truyền thống thực
hiện bằng MATLAB.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu tìm ra các giải pháp, thuật toán, mô hình mới ước lượng
các tham số của tín hiệu không tương quan và tương quan trong miền thời
gian, miền tần số, cảm nhận phổ và miền không gian trong hệ thống thông
tin vô tuyến, định vị vô tuyến tiên tiến. Luận án tập trung nghiên cứu bài
toán ước lượng một tham số riêng lẻ và ước lượng đồng thời nhiều tham số
dùng giải thuật có độ phân giải cao. Ngoài ra, luận án cũng nghiên cứu đề
xuất các kỹ thuật cảm nhận phổ trong hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến
sử dụng nhiều ăng ten.
Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu chính của luận án là:
- H
ệ thống thông tin, định vị vô tuyến sử dụng một và nhiều ăng ten.
-
Ăng ten mảng và ứng dụng trong hệ thống thông tin, định vị vô
tuyến.
- Xử lý tín hiệu miền không gian, thời gian và tần số trong hệ thống
thông tin, định vị vô tuyến ti
ên tiến.
- Các kỹ thuật ước lượng một tham số, nhiều tham số của tín hiệu
không tương quan và tương quan
.

- H
ệ thống thông tin vô tuyến nhận thức và kỹ thuật cảm nhận phổ.
Phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu của luận án bao gồm việc nghiên cứu lý
thuyết, xây dựng mô hình, đề xuất, cải tiến các thuật toán kết hợp với mô
phỏng trên máy tính.
6
Cấu trúc của Luận án:
Luận án gồm 4 chương với nội dung tóm tắt như sau:
Chương 1: Tổng quan về ước lượng các tham số của tín hiệu trong
h
ệ thống thông tin vô tuyến. Chương này trình bày tổng quan về các tham
s
ố của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến gồm: các tham số về thời
gian (thời gian trễ, TOA- Time Of Arrival), tham số không gian (hướng
sóng tới DOA- Direction Of Arrival), tham số trong miền tần số (tần số
FDOA - Frequency Difference Of Arrival, tần số Doppler, dịch tần Doppler
CFO -Carrier Frequency Offset) và vấn đề ước lượng các tham số của tín
hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến. Tiếp theo, chương 1 trình bày kỹ
thuật ước lượng tham số hướng sóng tới DOA, những điều kiện và thông số
ảnh hưởng đến việc ước lượng
DOA, thuật toán điển hình để ước lượng
DOA của tín hiệu không tương quan là MUSIC (Multiple Signal
Classification), k
ỹ thuật ước lượng DOA trong trường hợp các tín hiệu
tương quan.
Phần tiếp theo của chương này sẽ đề cập đến kỹ thuật ước
lượng độ dịch tần số sóng mang
CFO và FDOA, kỹ thuật cảm nhận phổ
dựa trên các tham số ước lượng và cuối cùng là phần đặt vấn đề nghiên cứu

của luận án.
Chương 2: Thuật toán ước lượng một tham số của tín hiệu trong hệ
thống thông tin vô tuyến. Trong chương này đề xuất một số ý tưởng mới
nhằm ước lượng một tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến
tiên tiến. Thứ nhất là đề xuất cải tiến một thuật toán, mô hình mới dựa trên
thu
ật toán phân loại tín hiệu đa đường MUSIC để ước lượng FDOA. Thứ
hai là đưa ra hai đề xuất cho việc ước lượng CFO trong các hệ thống
thông
tin vô tuy
ến nhiều ăng ten MIMO: Giải pháp đầu tiên là cải tiến từ giải
pháp cho hệ thống SISO với điều kiện CFO của các nguồn tại một thời
điểm
phải bằng nhau, có thể cho phép CFO của các nguồn thay đổi theo
thời gian và cho độ chính xác tương đối cao. Giải pháp tiếp theo là phát
tri
ển thuật toán từ thuật toán MUSIC truyền thống, dựa trên FDOA. Thứ ba
7
là đề xuất kiến trúc máy thu hoàn toàn số cho bài toán tìm hướng sóng tới
DOA cho hệ thống thông tin, định vị vô tuyến nhiều anten.
Chương 3: Thuật toán ước lượng đồng thời nhiều tham số của tín
hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến: Đề xuất, cải tiến các phương pháp,
mô hình, thuật toán ước lượng đồng thời hai tham số của tín hiệu cho hệ
thống thông tin, định vị vô tuyến tiên tiến, trong đó tập trung vào tham số
không gian là hướng sóng tới trong cả mặt phẳng phương vị v
à góc ngẩng
tà hay góc tà, tham số thời gian tới của tín hiệu hay trễ truyền sóng, dịch
tần Doppler của tín hiệu. Các thuật toán độ phân giải cao dựa trên không
gian con, mô hình d
ữ liệu đề xuất không chỉ áp dụng cho các nguồn tín

hiệu không tương quan mà còn cho phép áp dụng được đối với các nguồn
tín hiệu tương quan. Đối với tín hiệu tương quan, luận án đã đề xuất, cải
tiến kỹ thuật làm mịn không gian dựa trên ma trận hiệp phương sai của dữ
liệu thu được để phá vỡ tính tương quan của tín hiệu trước khi áp dụng giải
thuật có độ phân giải cao.
Chương 4: Phương pháp cảm nhận phổ trong hệ thống thông tin vô
tuyến: Đề xuất một phương pháp cảm nhận phổ cho các hệ thống vô tuyến
nhận thức, sử dụng các mẫu tín hiệu thu được để ước lượng giá trị trung
bình và phương sai của nhiễu và tín hiệu cộng với nhiễu, sau đó thực hiện
việc cảm nhận phổ bằng các bộ tách sóng năng lượng mà không yêu cầu
thông tin về trạng thái kênh CSI (Channel State Information) tại máy thu
như các phương pháp thông thường khác. Đồng thời chương
này cũng đề
xuất một hệ thống mới kết hợp kỹ thuật xử lý song song và luật OR áp
dụng cho đa ăng ten để thực hiện cảm nhận phổ.
Phần kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án: Trình bày
tóm t
ắt các kết quả đạt được của luận án và nêu ra hướng phát triển tiếp
theo của đề tài, cũng như những nghiên cứu dự kiến sẽ thực hiện trong
tương lai.
8
Những đóng góp của luận án:
1) Đề xuất thuật toán ước lượng tham số CFO và FDOA của tín hiệu
trong hệ thống thông tin vô tuyến.
2) 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, góc ngẩng trong hệ thống thông tin vô tuyến.
3) Đề xuất giải pháp cảm nhận phổ trong hệ thống thông tin vô tuyến
không sử dụng 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.
4)
Đề xuất kiến trúc máy thu mới sử dụng cho bài toán ước lượng DOA.
9
CHƯƠNG 1:
TỔNG QUAN VỀ ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ
CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
1.1. Tổng quan về ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống
thông tin vô tuyến
Các hệ thống vô tuyến đã trở nên phổ biến trong cuộc sống hàng
ngày,
giúp cho con người có thể liên lạc với nhau bất kể vị trí của họ ở đâu.
Dựa trên sự thành công của các hệ thống tế bào, các hệ thống vô tuyến thế
hệ tiếp theo đòi hỏi phải có thông tin tốc độ cao, với chất lượng dịch vụ
(QoS) tốt hơn, hiệu quả sử dụng phổ tần số cao hơn. Trong các hệ thống
thông tin vô tuyến một ăng ten phát một ăng ten thu SISO truyền thống, có
hai cách tiếp cận phổ biến để đạt được tốc độ dữ liệu cao. Cách thứ nhất là
gi
ảm chu kỳ ký hiệu dẫn tới tăng băng thông. Cách thứ hai là tận dụng các
phương thức điều chế
nhiều mức với công suất phát lớn hơn. Tuy nhiên, do
giới hạn về phổ tần số, tăng băng thông là phương án không thực tế. Mặt
khác, tăng công suất phát
làm cho giá thành bộ khuếch đại lớn và giảm thời
gian hoạt động của pin trong thiết bị đầu cuối.
Hiện nay, các hệ thống thông tin vô tuyến nhiều ăng ten phát nhiều
ăng ten
thu (MIMO), với nhiều ăng ten ở cả phía phát và phía thu, đang thu
hút
được sự quan tâm nghiên cứu do công nghệ này có khả năng đáp ứng

được cả hai yếu tố l
à dung lượng và hiệu suất sử dụng phổ. Điều này có
được là do trong hệ thống MIMO, các luồng dữ liệu độc lập cùng chia sẻ
các băng tần số v
à các khe thời gian, làm cho hiệu quả sử dụng phổ tăng
lên đáng kể
. Theo lý thuyết thông tin, dung lượng của các hệ thống MIMO
có thể tăng tuyến tính với số lượng ăng ten phát cũng như số lượng ăng ten
thu (lớn hơn hoặc bằng số lượng ăng ten phát) [32]. So với hệ thống SISO
truyền thống, tốc độ dữ liệu của một hệ thống MIMO tăng tuyến tính với số
lượng ăng ten
phát mà không cần mở rộng băng tần hay tăng công suất
10
phát. Vì th
ế, các hệ thống MIMO được kỳ vọng đóng vai trò chính trong
các h
ệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 cũng như các hệ thống thông tin
ti
ến tiến trong tương lai.
Trong hệ thống thông tin vô tuyến nhiều ăng ten, bài toán ước lượng
các tham số của tín hiệu thu vẫn đang là chủ đề được các cơ quan, các nhà
nghiên c
ứu trong và ngoài nước quan tâm [2, 5, 6, 25, 26, 27]. Trong hệ
thống này, ngoài các tham số của tín hiệu trong miền thời gian, miền tần số
như trong các hệ thống thông tin vô tuyến truyền thống th
ì các tham số về
không gian như hướng sóng tới, hướng sóng đi
, …, cũng cần phải xác định
chính xác. Việc ước lượng các tham số về thời gian trễ và tần số cho phép
khôi ph

ục kênh truyền, thực hiện việc đồng bộ cũng như bù lệch tần số tại
các thiết bị đầu cuối trong hệ thống. Việc ước lượng các tham số về không
gian như hướng sóng tới cho phép hệ thống thực hiện việc khôi phục k
ênh
truy
ền có chứa tham số không gian thực hiện chức năng đa truy nhập phân
chia theo không gian SDMA. Ngoài ra, khi biết tham số không gian hướng
sóng tới này, hệ thống tự động hiệu chỉnh đồ thị bức xạ của dàn ăng ten
theo hướng cần thiết để tăng
tỷ số tín hiệu trên tạp âm hay tăng chất lượng
hệ thống thu. Bên cạnh đó, việc ước lượng được tham số không gian còn
giúp cho h
ệ thống định vị được các nguồn tín hiệu, giúp nhà thiết kế hệ
thống mô phỏng kênh không gian, thời gian. Hệ thống có thể ước lượng
các tham số không gian, thời gian, tần số một các độc lập. Hệ thống cũng
có thể ước lượng đồng thời hai hay nhiều tham số của tín hiệu. Việc ước
lượng đồng thời hai tham số của tín hiệu tới sẽ mang lại nhiều lợi thế như
hạn chế số phần tử ăng ten sử dụng trong dàn, do đó có thể tiết kiệm chi
phí và giảm giá thành hệ thống [27].
Ph
ần tiếp theo của Luận án sẽ trình bày tóm tắt các kỹ thuật, thuật
toán ước lượng tham số không gian của tín hiệu là hướng sóng tới
cũng
như các tham số về tần số, tần số Doppler l
àm tiền đề cho các đề xuất, cải
tiến sẽ được trình bày chi tiết ở các chương tiếp theo của luận án.