Thuật toán ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến

Header Page 1 of 258.

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
Footer Page 1 of 258.

-


Header Page 2 of 258.

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
Footer Page 2 of 258.

-


Header Page 3 of 258.

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

Footer Page 3 of 258.


Header Page 4 of 258.

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

Footer Page 4 of 258.


Header Page 5 of 258.

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

Footer Page 5 of 258.


Header Page 6 of 258.

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

Footer Page 6 of 258.


Header Page 7 of 258.

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

Footer Page 7 of 258.


Header Page 8 of 258.

vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

STT

Viết tắt

Tiếng Anh

1

ADC

Analog
Converter

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

Footer Page 8 of 258.

to

Tiếng Việt
Digital Bộ biến đổi tương tự - số

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


Header Page 9 of 258.

STT

vii
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

Footer Page 9 of 258.

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


Header Page 10 of 258.

STT

viii
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

38

ISM

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

Footer Page 10 of 258.

Industrial, Scientific and Y tế, khoa học và công nghiệp
Medical
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


Header Page 11 of 258.

STT

ix
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

56

MUSIC MUltiple
Classification

57

MVDR

Minimum
Variance Đáp ứng không méo phương sai
Distortionless Response
cực tiểu

58

OFDM

Orthogonal
Frequency Ghép kênh phân chia theo tần số
Division Multiplexing
trực giao

59

PDF

Probability
Function

60

PPM

Parts Per Million

Phần 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 tuyến xác định bằng phần
mềm

69

SIR

Signal
Ratio

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
Access

Division

Multi Đa truy nhập phân chia theo
không gian

74

SS

Spatial Smoothing

Kỹ thuật làm mịn miền không
gian

75

STBC

Space Time Block Code

Mã hóa khối không gian thời

Footer Page 11 of 258.

to

SIgnal Phân loại tín hiệu đa đường

Density Hàm mật độ xác suất

Interference Tỷ số tín hiệu trên nhiễu


Header Page 12 of 258.

STT

x
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt
gian

76

STC

Space Time Coding

Mã hóa không gian thời gian

77

STS

Space Time Spreading

Trải phổ không gian thời gian

78

STTC

Space Time Trellis Code

Mã hóa xoắn không gian thời
gian thời gian

79

SVD

Singular
Decomposition

80

TDD

Time Division Duplex

81

TDMA

Time Division
Access

82

TLS

Total Least Squares

Tổng bình phương cực tiểu

83

TOA

Time Of Arrival

Thời gian tới

84

TOPS

Test of orthogonality of Kiểm tra tính trực giao của
projected subspaces
không gian con hình chiếu

85

UE

User Equipment

Thiết bị đầu cuối

86

ULA

Uniform Linear Array

Dàn ăng ten đồng dạng tuyến
tính

87

VLST

Vertical
Time

Layered

Space Không gian thời gian phân tầng
ngang

88

VLSTC Vertical Layered
Time Code

Space Lập mã không gian thời gian
phân tầng ngang

89

ZF

Zero Forcing

90

WLAN

Wire Local Area Network Mạng cục bộ không dây

Footer Page 12 of 258.

Value Phân tích giá trị riêng
Song công phân chia theo thời
gian

Multiple Đa truy nhập phân chia theo thời
gian

Ép về giá trị không


Header Page 13 of 258.

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: Sơ đồ khối hệ thống thu ước lượng hướng sóng tới .................. 13
Hình 1.3. Giản đồ sắp xếp các giá trị riêng tín hiệu.................................. 17
Hình 2.1: Mô hình hệ thống MIMO ......................................................... 30
Hình 2.2: Kết quả mô phỏng sử dụng thuật toán 1 ................................... 33
Hình 2.3: Kết quả mô phỏng sử dụng thuật toán 2 ................................... 33
Hình 2.4: Kết 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 hệ thống MIMO để ước lượng CFO ........................... 40
Hình 2.9: RMS của f0 đã ước lượng theo số lượng ăng ten phát khác nhau
................................................................................................................. 44
Hình 2.10: Các kết quả mô phỏng cho thuật toán MUSIC........................ 45
Hình 2.11: Độ phân giải tần số của thuật toán MUSIC............................. 46
Hình 2.12: Hệ thống tìm hướng đơn kênh ................................................ 48
Hình 2.13: Xử lý tín hiệu số..................................................................... 49
Hình 2.14: Kết quả ước lượng với 2 tín hiệu không tương quan............... 51
Hình 3.1. Mô hình sóng phẳng 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 Rˆ XX-SS cho N = 6, M = 7,
subL = 2 và subM = 4 .............................................................................. 59
Hình 3.4. Hiển thị 3D kết quả ước lượng với 6 tín hiệu tương quan khi
chưa áp dụng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến.................................. 61
Hình 3.5: Hiển thị 3D kết quả ước lượng với 6 tín hiệu tương quan khi áp
dụng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến............................................... 62
Footer Page 13 of 258.


Header Page 14 of 258.

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 Rxx được tính toán và lựa chọn các mảng
con My= 6, Mz = 7, subMy = 2 và subMz = 4. ............................................ 66
Hình 3.9. Kết quả mô phỏng 3D cho một tín hiệu ở ( , )  (45 o ,35) ........ 68
Hình 3.10. Kết quả mô phỏng 3D cho ba tín hiệu không tương quan tới các
góc (-40°, 20°), (0°, 40°), (40°, 60°)......................................................... 68

Hình 3.11. Kết quả ước lượng góc phương vị và góc ngẩng của các nguồn
tín hiệu tương quan khi không dùng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến69
Hình 3.12. Kết quả mô phỏng 3D cho ba tín hiệu không tương quan tới các
góc (-30°, 20°), (0°, 40°), (40°, 70°) khi áp dụng kỹ thuật làm mịn không
gian cải tiến.............................................................................................. 69
Hình 4.1: Bộ 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: Trọng số lượng tử được chọn ngẫu nhiên ................................. 81
Hình 4.4: PDF của giá trị kiểm tra trong 3 mô hình.................................. 82
Hình 4.5:Hoạt động của ba hệ thống khi cố định PFA ............................... 82
Hình 4.6: Hoạt động của 3 hệ thống khi cố định PMD và thay đổi SNR..... 83
Hình 4.7: Hoạt động của 3 hệ thống khi cố định SNR và thay đổi PFA ..... 83
Hình 4.8: Kỹ thuật xử lý song song trong cảm nhận phổ.......................... 89
Hình 4.9: Hệ thống đề xuất ...................................................................... 91
Hình 4.10: Tín hiệu thu được trong hệ thống kết hợp............................... 92
Hình 4.11: PFA = 0.01 và 2T = 10 mẫu ..................................................... 94

Footer Page 14 of 258.


Header Page 15 of 258.

xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Các thông số ảnh hưởng tới độ phân giải .................................. 36
Bảng 4.1: PFA = 0,001 và 2T = 30 mẫu...................................................... 94
Bảng 4.2: PFA = 0,005 và SNR = -5 dB ..................................................... 95
Bảng 4.3: PD = 0,95 và SNR = -3 dB ........................................................ 95

Footer Page 15 of 258.


Header Page 16 of 258.

1
MỞ ĐẦU
Trong thời đại phát triển bùng nổ của các hệ thống thông tin vô

tuyến, 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 trên 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
hỏi 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 kênh con một đầu vào một đầu ra SISO
(Single Input Single Output) hay hệ thống đơn ăng ten. Dung lượng kênh
của hệ thống MIMO là tổng hợp dung lượng của các kênh con thành phần.
Dung lượng kênh MIMO bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi phân bố tăng ích
đặc trưng của các kênh 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 mã 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 làm tối đa phân tập không gian trong các kênh MIMO.

MIMO sử dụng nhiều ăng ten phát và nhiều ăng ten thu để mở thêm các
kênh truyền 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
Footer Page 16 of 258.


Header Page 17 of 258.

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 thời gian gần đây, các nghiên cứu trên thế giới ngày càng
quan tâm nhiều 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 kênh MIMO, bài toán ước lượng kênh truyền, bài toán mã
hóa không gian thời gian, xử lý tín hiệu không gian thời gian,...
Trong hệ 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 cứu các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến, nghiên cứu tìm ra
các thuật 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,
Footer Page 17 of 258.


Header Page 18 of 258.

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 mà hầu như chỉ
tập trung vào vấn đề đa truy nhập, cấp phát kênh trong hệ thống. Còn trong
nghiên cứu [4] tác giả lại chỉ tập trung vào vấn đề mã hóa, san bằng kênh
trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO. Các nghiên cứu gần đây liên
quan trực 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 hệ 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 hệ 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 thời 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
Footer Page 18 of 258.


Header Page 19 of 258.

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 phổ 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) với 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 là nó vẫn đòi hỏi thông tin trạng thái kênh truyền (Channel State
Information) như phương sai của nhiễu,… Một vài 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
tuyến 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.
Footer Page 19 of 258.


Header Page 20 of 258.

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:
- Hệ 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 tiên tiến.
- Các kỹ thuật ước lượng một tham số, nhiều tham số của tín hiệu
không tương quan và tương quan.
- Hệ 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.

Footer Page 20 of 258.


Header Page 21 of 258.

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
hệ thống thông tin vô tuyến. Chương này trình bày tổng quan về các tham
số 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), kỹ 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
thuật 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 tuyến 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
triển thuật toán từ thuật toán MUSIC truyền thống, dựa trên FDOA. Thứ ba
Footer Page 21 of 258.


Header Page 22 of 258.

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 và 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 dữ 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 tắt 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.

Footer Page 22 of 258.


Header Page 23 of 258.

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.

Footer Page 23 of 258.


Header Page 24 of 258.

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
giảm 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 là 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 và 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
Footer Page 24 of 258.


Header Page 25 of 258.

10

phát. Vì thế, các hệ thống MIMO được kỳ vọng đóng vai trò chính trong
các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 4 cũng như các hệ thống thông tin
tiến 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 cứu 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 thì 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 phục 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 kênh
truyền 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 hệ 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].
Phần 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 làm tiền đề cho các đề xuất, cải
tiến sẽ được trình bày chi tiết ở các chương tiếp theo của luận án.
Footer Page 25 of 258.