NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP GIẢM CAN NHIỄU VÀ MÉO PHI TUYẾN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

i

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

NGUYỄN VIẾT MINH

NGHIÊN CỨU
GIẢI PHÁP GIẢM CAN NHIỄU VÀ MÉO PHI TUYẾN
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2018


ii

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

NGUYỄN VIẾT MINH

NGHIÊN CỨU
GIẢI PHÁP GIẢM CAN NHIỄU VÀ MÉO PHI TUYẾN
TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ:

9.52.02.08

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. TRẦN HỒNG QUÂN
2. PGS. TS. LÊ NHẬT THĂNG

HÀ NỘI – 2018


iii

LỜI CAM ĐOAN
Nghiên cứu sinh xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của chính mình.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất
cứ công trình của bất kỳ tác giả nào khác. Các nội dung kế thừa của các tác giả khác
đã được trích dẫn.
Người cam đoan

Nguyễn Viết Minh


iv

LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu sinh trước hết xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các Thầy hướng
dẫn, PGS.TS. Trần Hồng Quân và PGS. TS. Lê Nhật Thăng, đã định hướng nghiên
cứu và liên tục hướng dẫn nghiên cứu sinh thực hiện các nhiệm vụ nghiên cứu trong
suốt quá trình thực hiện luận án này. Đặc biệt, sự hướng dẫn tận tình và những ý kiến
chỉ bảo quý báu từ PGS.TS. Trần Hồng Quân đã giúp nghiên cứu sinh rất nhiều trong
việc hoàn thiện luận án.
Nghiên cứu sinh cũng xin bày tỏ lời cảm ơn Lãnh đạo Học viện, các Thầy, Cô

của Khoa Đào tạo Sau đại học, Khoa Viễn thông 1 tại Học viện Công nghệ Bưu chính
Viễn thông, các Thầy, Cô trong Bộ môn Vô tuyến đã hợp tác và hỗ trợ nghiên cứu
sinh trong quá trình nghiên cứu cũng như công bố các kết quả nghiên cứu.
Tác giả chân thành bày tỏ lòng tri ân tới gia đình thân yêu đã luôn ở bên, kiên
trì chia sẻ, động viên và hỗ trợ tài chính cho nghiên cứu sinh trong suốt thời gian
nghiên cứu, thực hiện nội dung luận án.

Hà Nội, tháng 10 năm 2018

Nguyễn Viết Minh


v

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC HÌNH ...........................................................................................x
DANH MỤC CÁC BẢNG....................................................................................... xii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU................................................................................. xiii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................xv
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢM NHIỄU LIÊN KÝ HIỆU VÀ MÉO PHI
TUYẾN TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH ...........................................9
1.1. HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH ............................................................9
1.1.1. Giới thiệu ..................................................................................................9
1.1.1.1. Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh..................................................11
1.1.1.2. Các hệ thống thông tin vệ tinh .........................................................14

1.1.1.3. Đặc điểm hệ thống ...........................................................................15
1.1.2. Hệ thống thông tin vệ tinh băng rộng đa phương tiện............................16
1.1.2.1. Dịch vụ vệ tinh đa phương tiện........................................................16
1.1.2.2. Đặc trưng mới của kênh vệ tinh đa phương tiện..............................17
1.2. GIẢI PHÁP GIẢM CAN NHIỄU VÀ MÉO PHI TUYẾN .........................18
1.2.1. Tổng quan về can nhiễu và méo phi tuyến .............................................18
1.2.1.1. Méo phi tuyến ..................................................................................18
1.2.1.2. Can nhiễu .........................................................................................19
1.2.2. Kỹ thuật méo trước .................................................................................20
1.2.3. Kỹ thuật cân bằng ...................................................................................21
1.2.3.1. Nguyên tắc .......................................................................................22
1.2.3.2. Cân bằng thích nghi .........................................................................24
1.2.3.3. Các tham số đánh giá hiệu năng của bộ cân bằng ...........................24


vi

1.3. CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI LUẬN
ÁN .......................................................................................................................25
1.3.1. Các công trình nghiên cứu trong nước ...................................................25
1.3.2. Các công trình nghiên cứu trên thế giới .................................................26
1.3.2.1. Các nghiên cứu về cân bằng nơ-ron ................................................26
1.3.2.2. Các nghiên cứu về cân bằng kernel .................................................31
1.4. HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN.................................................33
1.4.1. Nhận xét về công trình nghiên cứu liên quan .........................................33
1.4.1.1. Cân bằng nơ-ron...............................................................................33
1.4.1.2. Cân bằng kernel ...............................................................................34
1.4.2. Hướng nghiên cứu của luận án và các nội dung nghiên cứu..................34
1.4.2.1. Hướng nghiên cứu ...........................................................................34
1.4.2.2 Các nội dung nghiên cứu ..................................................................35

1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ............................................................................35
CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT CÂN BẰNG CHO KÊNH VỆ TINH............................37
2.1. CÂN BẰNG CHO KÊNH VỆ TINH ĐA PHƯƠNG TIỆN .......................37
2.2. YÊU CẦU HIỆU NĂNG ĐỐI VỚI BỘ CÂN BẰNG CHO KÊNH VỆ TINH
ĐA PHƯƠNG TIỆN ...........................................................................................40
2.2.1. Các yêu cầu hiệu năng ............................................................................40
2.2.2. Phương pháp đánh giá hiệu năng bộ cân bằng .......................................41
Phân tích hiệu năng bằng phương pháp giải tích ..........................................41
Đánh giá hiệu năng bằng đo lường ...............................................................41
Đánh giá hiệu năng bằng mô phỏng .............................................................42
2.3. GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG BỘ CÂN BẰNG ........................43
2.3.1. Cân bằng sử dụng mạng nơ-ron .............................................................43
2.3.1.1. Khái quát mạng nơ-ron ....................................................................43
2.3.1.2. Bộ cân bằng nơ-ron ..........................................................................45
2.3.2. Cân bằng sử dụng phương pháp kernel ..................................................47
2.3.2.1. Khái quát phương pháp kernel .........................................................47
2.3.2.2. Bộ cân bằng kernel...........................................................................50
2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ............................................................................51


vii

CHƯƠNG 3: GIẢM CAN NHIỄU VÀ MÉO PHI TUYẾN CHO HỆ THỐNG
THÔNG TIN VỆ TINH CỐ ĐỊNH DỰA TRÊN QUỸ ĐẠO ĐỊA TĨNH ...............53
3.1. HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH CỐ ĐỊNH QUỸ ĐẠO ĐỊA TĨNH ..53
3.2. MÔ HÌNH KÊNH VỆ TINH CỐ ĐỊNH QUỸ ĐẠO ĐỊA TĨNH ...............54
3.2.1. Đặc tính kênh truyền sóng cố định quỹ đạo địa tĩnh ..............................54
3.2.2. Mô hình tổn hao trong khí quyển ...........................................................55
Tần số dưới 3GHz: Ảnh hưởng của tầng điện ly ..........................................55
Tần số trên 10GHz: Ảnh hưởng của tầng đối lưu .........................................56

3.2.3. Mô hình kênh FSS ..................................................................................57
3.3. CÂN BẰNG KÊNH VỆ TINH BẰNG BỘ CÂN BẰNG NƠ-RON ..........59
3.3.1. Nhận dạng kênh bằng mạng nơ-ron .......................................................59
3.3.2. Bộ cân bằng kênh phi tuyến dùng RBF..................................................62
Bộ cân bằng RBF ..........................................................................................64
3.4. CẢI TIẾN THAM SỐ BỘ CÂN BẰNG RBF .............................................66
3.4.1. Bộ cân bằng RBF cải tiến .......................................................................66
3.4.2. Hiệu năng của bộ cân bằng RBF cải tiến ...............................................68
3.4.2.1. Tốc độ hội tụ ....................................................................................68
3.4.2.2. Xác xuất lỗi ......................................................................................70
3.4.3. Các vấn đề trong ứng dụng mạng nơ-ron cho bộ cân bằng thích nghi ..72
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ............................................................................73
CHƯƠNG 4: GIẢM CAN NHIỄU VÀ MÉO PHI TUYẾN CHO HỆ THỐNG
THÔNG TIN VỆ TINH DI ĐỘNG DỰA TRÊN QUỸ ĐẠO THẤP ......................74
4.1. HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH DI ĐỘNG QUỸ ĐẠO THẤP .........74
4.2. MÔ HÌNH KÊNH VỆ TINH DI ĐỘNG QUỸ ĐẠO THẤP ......................75
4.2.1. Đặc tính kênh truyền sóng di động quỹ đạo thấp ...................................75
4.2.2. Các mô hình thống kê cơ bản .................................................................75
4.2.3. Mô hình kênh LMSS ..............................................................................77
4.3. CÂN BẰNG KÊNH VỆ TINH BẰNG BỘ CÂN BẰNG KERNEL ..........79
4.3.1. Đơn giản độ phức tạp tính toán bằng cân bằng kernel đa thức ..............80
4.3.2. Hiệu năng bộ cân bằng kernel đa thức ...................................................82
4.4. CẢI TIẾN BỘ CÂN BẰNG KERNEL .......................................................83
4.4.1. Bộ cân bằng kernel RLS mở rộng ..........................................................83


viii

4.4.1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................83
4.4.1.2. Bộ cân bằng thích nghi Ex-KRLS ...................................................84

4.4.2. Bộ cân bằng đa kernel LMS ...................................................................90
4.4.2.1. Thuật toán thích nghi đa kernel LMS ..............................................91
4.4.2.2. Bộ cân bằng MK-LMS ....................................................................92
4.4.3. Hiệu năng bộ cân bằng kernel cải tiến ...................................................95
4.4.3.1. Hiệu năng bộ cân bằng Ex-KRLS....................................................95
4.4.3.2. Hiệu năng bộ cân bằng MK-LMS....................................................98
4.4.4. Các vấn đề trong ứng dụng phương pháp kernel cho bộ cân bằng thích
nghi .................................................................................................................101
4.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 ..........................................................................102
KẾT LUẬN .............................................................................................................104
1. Giảm nhiễu ISI và méo phi tuyến cho hệ thống thông tin vệ tinh cố định
dựa trên quỹ đạo địa tĩnh ............................................................................105
2. Giảm nhiễu ISI và méo phi tuyến trong hệ thống thông tin vệ tinh di động
dựa trên quỹ đạo thấp ..................................................................................105
Kết quả đạt được của luận án .........................................................................106
Hướng nghiên cứu tiếp theo ...........................................................................108
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
.................................................................................................................................109
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................111
PHỤ LỤC ................................................................................................................117
1. CÁC KỸ THUẬT CÂN BẰNG TRUYỀN THỐNG ...................................117
1.1. Cân bằng ZF ............................................................................................117
1.2. Cân bằng MMSE .....................................................................................119
1.3. Cân bằng DFE .........................................................................................121
2. CÁC GIẢI THUẬT CẬP NHẬT TRỌNG SỐ CHO BỘ CÂN BẰNG THÍCH
NGHI .................................................................................................................123
2.1. Giải thuật LMS ........................................................................................123
2.1.1. Khái quát ...........................................................................................123
2.1.2. Nguyên tắc giải thuật LMS ...............................................................124
2.1.3. Giải thuật LMS .................................................................................126

2.2. Giải thuật RLS .........................................................................................127


ix

2.2.1. Khái quát ...........................................................................................127
2.2.2. Nguyên tắc giải thuật RLS ................................................................128
2.2.3. Giải thuật RLS ..................................................................................129


x

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Hệ thống thông tin vệ tinh [9] ...................................................................... 12
Hình 1.2. Nguyên lý cân bằng cơ bản .......................................................................... 23
Hình 1.3. Nguyên lý cân bằng thích nghi ..................................................................... 24
Hình 2.1. (a) Mô hình nơ-ron sinh vật; (b) Mô hình nơ-ron nhân tạo.......................... 43
Hình 2.2. Cân bằng thích ứng của kênh phi tuyến có nhớ ........................................... 45
Hình 3.0. Đường truyền vệ tinh cố định bị ảnh hưởng của khí quyển ......................... 54
Hình 3.1. Mô hình thích ứng HPA phi tuyến sử dụng NN........................................... 59
Hình 3.2. Cấu trúc tổng quát của mạng RBF ............................................................... 63
Hình 3.3. Cấu trúc hệ thống cân bằng kênh vệ tinh phi tuyến bằng mạng RBF .......... 64
Hình 3.4. Hội tụ của quá trình huấn luyện mạng nơ-ron.............................................. 70
Hình 3.5. So sánh hiệu năng tỉ lệ lỗi ............................................................................ 71
Hình 4.0. Môi trường truyền sóng vệ tinh di động....................................................... 75
Hình 4.1. Mô hình hệ thống truyền dẫn phi tuyến có nhớ ........................................... 78
Hình 4.2. So sánh đặc tính hội tụ của NLMS tuyến tính, KNLMS thông thường và
phương pháp KNLMS đề xuất. .................................................................................... 82
Hình 4.3. Cân bằng thích nghi đa kernel ...................................................................... 93

Hình 4.4. Kết quả mô phỏng với bộ cân bằng thích nghi NLMS, Ex-RLS, KRLS, ExKRLS ............................................................................................................................ 97
Hình 4.5. Kết quả phân tích hiệu năng. (a) Đường cong học EMSE trung bình; (b)
Đường cong trung bình cho trọng số chức năng ........................................................ 100
Hình PL.1.1. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn .................................................................... 117
Hình PL.1.2. Bộ cân bằng FFE .................................................................................. 118
Hình PL.1.3. Sơ đồ bộ cân bằng sai lỗi bình phương trung bình tối thiểu tuyến tính; rk
và Ck ký hiệu cho tín hiệu thu và các hệ số cuả bộ cân bằng ..................................... 120
Hình PL.1.4. Bộ cân bằng hồi tiếp quyết định ........................................................... 121
Hình PL.1.5. Sơ đồ hệ thống truyền dẫn mô tả bộ lọc thuận và phản hồi của DFE trong
đó C(f) và B(f) là các hàm truyền đạt cuả các bộ lọc này .......................................... 122


xi

Hình PL.2.1. Các tham số trong giải thuật LMS ........................................................ 124
Hình PL.2.2. Các tham số trong giải thuật RLS ......................................................... 128


xii

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Một số hàm H(s) thường dùng cho nơ-ron nhân tạo .................................... 44
Bảng 3.1. Các mô hình dự báo truyền sóng qua khí quyển của ITU-R ....................... 55
Bảng 3.2. Phụ thuộc theo tần số của các ảnh hưởng nghiêm trọng nhất trong tầng điện
ly ................................................................................................................................... 56
Bảng 3.3. Ảnh hưởng của suy giảm trong tầng đối lưu lên hệ thống thông tin vệ tinh 57
Bảng 4.1. Lỗi bình phương trung bình tối thiểu, LMSE, giữa phân bố thực nghiệm và
lý thuyết [65] ................................................................................................................ 76
Bảng 4.2. Các mô hình phân bố kết hợp của kênh vệ tinh di động mặt đất [65] ......... 77

Bảng 4.3. So sánh thời gian tính toán........................................................................... 83
Bảng 4.4. So sánh hiệu năng của các bộ cân bằng NLMS, Ex-RLS, KRLS và Ex-KRLS
...................................................................................................................................... 98
Bảng 4.5. Các thông số thiết lập cho bộ cân bằng ....................................................... 99


xiii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

{. }𝑯

Chuyển vị Hermitian

[. ]𝑇

Ma trận chuyển vị



Toán tử gradient

|. |

Biên độ

∠

Pha

.

Chuẩn Euclide

⊗

Tích chập



Lệch chuẩn

𝐶/𝑁

Tỉ số sóng mang trên tạp âm

𝐶/𝑁0

Tỉ số sóng mang trên mật độ tạp âm

𝐶(. )

Hàm mục tiêu
Tập số phức

𝐸[. ]

Kỳ vọng

𝑒(. )

Hàm lỗi

𝑓𝐷

Dịch tần Doppler

𝑓𝐶

Tần số sóng mang

𝐺

Hệ số khuếch đại anten

𝐺/𝑇

Hệ số chất lượng phần thu

𝐻

Không gian Hilbert

𝐼

Nhiễu

𝑘(. , . )

Hàm kernel

K

Tập kernel

𝑁

Tạp âm


xiv

𝑆

Tín hiệu
Tập số thực

n

𝑇

Không gian n chiều
Nhiệt tạp âm


xv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

3G

Third Generation

Công nghệ truyền thông di động thế hệ
thứ ba

4G

Fourth Generation

Công nghệ truyền thông di động thế hệ
thứ tư

5G

Fifth Generation

Công nghệ truyền thông di động thế hệ
thứ năm

ACI

Adjacent-channel interference

Nhiễu kênh lân cận

AM

Amplitude Modulation

Điều chế biên độ

ANN

Artificial Neural Network

Mạng nơ-ron nhân tạo

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gaussian trắng cộng

BER

Bit Error Rate

Tỉ lệ lỗi bit

BO

Back Off

Độ lùi

BP

Back Propagation

Lan truyền ngược

BSS

Broadcast Satellite Service

Dịch vụ vệ tinh quảng bá

CCI

Co-Channel Interference

Nhiễu đồng kênh

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố chu trình

DBS

Direct Broadcast Satellite

Vệ tinh quảng bá trực tiếp

DC

Down Converter

Biến đổi hạ tần

DD

Decision Direct

Quyết định trực tiếp

A

B

C

D


xvi

DDFSE

Delayed Decision Feedback
Sequence Estimation

Ước tính chuỗi phản hồi quyết định trễ

DFE

Decision Feedback Equalizer

Bộ cân bằng hồi tiếp quyết định

DOMSAT

Domestic Satellite

Vệ tinh nội địa

DPS

Delay Power Spectrum

Phổ công suất trễ

DTFS

Discrete Time Fourier Series

Chuỗi Fourie thời gian rời rạc

DTH

Direct To Home

Trực tiếp đến nhà

DVB

Digital Video Broadcasting

Quảng bá hình ảnh số

DVB-S

DVB-Satellite

Quảng bá hình ảnh số qua vệ tinh

DVB-RCS

DVB-Reverse Channel Satellite

DVB- kênh phản hồi qua vệ tinh

EIRP

Equivalent Isotropic Radiated
Power

Công suất bức xạ đẳng hướng tương
đương

EKF

Extended Kalman Filter

Bộ lọc Kalman mở rộng

ETF

Elementary Transversal
Function

Hàm siêu việt sơ cấp

Ex-KRLS

Extended KRLS

KRLS mở rộng

FB

Feed Back

Hồi tiếp

FBNN

Feed Back Neuron Network

Mạng nơ-ron phản hồi

FDD

Frequency Division Duplex

Song công phân chia theo tần số

FDMA

Frequency Division Multiple
Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

FF

Feed Forward

Tiếp thuận

FFE

Feed Forward Equalizer

Bộ cân bằng tiếp thuận

FIM

Fisher Information Matrix

Ma trận thông tin Fisher

FIR

Finite Impulse Response

Đáp ứng xung kim hữu hạn

E

F


xvii

FLANN

Function Linked ANN

ANN liên kết chức năng

FSS

Fixed Satellite Service

Dịch vụ vệ tinh cố định

GEO

Geostationary Earth Orbit

Quỹ đạo địa tĩnh

GSM

Global System for Mobile
communication

Hệ thống toàn cầu cho thông tin di động

HEO

Highly Eliptical Orbit

Quỹ đạo elip cao

HPA

High Power Amplifier

Khuếch đại công suất cao

ICI

InterCarrier Interference

Nhiễu liên sóng mang

IIR

Infinite Impulse Response

Đáp ứng xung kim vô hạn

IMT

International Mobile
Telecommunication

Viễn thông di động toàn cầu

INMARSAT

INternational MARintime
SATellite

Tổ chức vệ tinh hàng hải quốc tế

INTELSAT

INternational
TELecommunication SATellite

Tổ chức vệ tinh viễn thông quốc tế

IP

Internet Protocol

Giao thức internet

ISI

InterSymbol Interference

Nhiễu liên ký hiệu

ITU

International
Telecommunication Union

Liên minh viễn thông Quốc tế

ITU-R

Radiocommunication sector of
ITU

Ban thông tin vô tuyến của ITU

KAF

Kernel Adaptive Filter

Bộ lọc thích nghi kernel

KLMS

Kernel LMS

Giải thuật kernel LMS

G

H

I

K


xviii

KRLS

Kernel RLS

Giải thuật kernel RLS

LE-MMSE

Linear MMSE

Bộ cân bằng MMSE tuyến tính

LEO

Low Earth Orbit

Quỹ đạo trái đất thấp

LMS

Least Mean Square

Bình phương trung bình tối thiểu

LMSS

Land Mobile Satellite System

Hệ thống vệ tinh di động mặt đất

LNA

Low Noise Amplifier

Bộ khuếch đại tạp âm thấp

LOS

Line Of Sight

Đường nhìn thẳng

LTE

Long Term Evolution

Phát triển dài hạn hệ thống di động

LUT

Look Up Table

Bảng tra cứu

MEO

Medium Earth Orbit

Quỹ đạo trái đất trung bình

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra

MK

Multi Kernel

Đa kernel

MKLMS

MultiKernel LMS

Giải thuật đa kernel LMS

MKRLS

MultiKernel RLS

Giải thuật đa kernel RLS

MLSD

Maximum Likelihood Sequence
Detection

Tách chuỗi hợp lý cực đại

MLSE

Maximum Likelihood Sequence
Estimation

Ước tính chuỗi hợp lý cực đại

MLP

MultiLayer Perceptron

Mạng Perceptron đa lớp

MMSE

Minimum Mean Square Error

Lỗi bình phương trung bình tối thiểu

MRC

Maximum Ratio Combining

Kết hợp tỉ lệ cực đại

MS

Mobile Station

Trạm di động

MSE

Mean Square Error

Lỗi bình phương trung bình

MSS

Mobile Satellite Service

Dịch vụ vệ tinh di động

L

M


xix

N
NCS

Nghiên Cứu Sinh

NARMA

Nonlinear AutoRegressive
Moving Average

Trung bình động tự hồi quy phi tuyến

NG

Natural Gradient

Gradient tự nhiên

NN

Neural Network

Mạng nơ-ron

NNCE

Neural Network Channel
Estimation

Ước tính kênh dựa trên mạng nơ-ron

NLOS

Non Line Of Sight

Đường không trực tiếp

NLMS

Normalized LMS

LMS chuẩn hóa

NRP

Normalized Received Power

Công suất thu chuẩn hóa

Orthogonal Frequency Division
Multiplex

Ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao

PAMA

Permanently Assigned Multiple
Access

Đa truy nhập ấn định trước

PDF

Probability Distribution
Functions

Hàm phân bố xác suất

PDF

Propability Density Function

Hàm mật độ xác xuất

PDP

Power Delay Profile

Lý lịch trễ công suất

PM

Phase Modulation

Điều chế pha

PSK

Phase Shift Keying

Khóa dịch pha

QAM

Quadrature Amplitude
Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QoS

Quality of Service

Chất lượng dịch vụ

O
OFDM
P

Q


xx

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

Khóa dịch pha vuông góc

RBF

Radial Basic Function

Hàm cơ sở xuyên tâm

RDS

Root mean square Delay Spread

Trải trễ trung bình bình phương

RLS

Recussive Least Square

Bình phương tối thiểu hồi quy

RNN

Recussive Neuron Network

Mạng nơ-ron hồi quy

RPROP

Resilient backPROPagation

Lan truyền đàn hồi

RSSE

Reduced State Sequence
Estimation

Ước tính chuỗi giảm trạng thái

R

RX

Máy thu

S
SER

Symbol Error Rate

Tỉ lệ lỗi ký hiệu

SES

Satellite Earth Station

Trạm mặt đất

SIR

Signal to Interference Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm

SINR

Signal to Interference plus Noise
Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm

SOM

Self Organized Mapping

Ánh xạ tự tổ chức

SSPA

Solid State Power Amplifier

Bộ khuếch đại công suất bán dẫn

SVM

Support Vector Machine

Máy vec-tơ hỗ trợ

TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia theo thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TS

Training Sequence

Chuỗi huấn luyện

TT&C

Telemetry, Tracking and
Command

Hệ thống đo xa, bám và điều khiển

T


xxi

TWTA

Traveling Wave Tube Amplifier

Tx

Bộ khuếch đại đèn sóng chạy
Máy phát

U
UC

Up Converter

Biến đổi nâng tần

UMTS

Universal Mobile
Telecommunication System

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

VINASAT

VIet NAm SATellite

Vệ tinh viễn thông Việt Nam

VSAT

Very Small Aperture Terminal

Thiết bị đầu cuối góc mở nhỏ

V

VTPT

Vệ Tinh Phi Tuyến

W
WCDMA

Wideband CDMA

Hệ thống di động CDMA băng rộng
(3G)

Zero Forcing

Cưỡng bức về không

Z
ZF


1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu
Thông tin vệ tinh trên thế giới đang chuyển sang các hệ thống thông tin vệ tinh
tiên tiến hoàn toàn dựa trên nền IP, hỗ trợ tốt cho việc truyền hình ảnh số và video
qua vệ tinh như các chuẩn Quảng bá hình ảnh số qua vệ tinh phiên bản hai, DVB-S2
và Quảng bá hình ảnh số qua vệ tinh với kênh phản hồi, DVB-RCS. Xu hướng phát
triển trong viễn thông cho thấy bốn lĩnh vực dịch vụ vệ tinh sẽ phát triển mạnh đó là
dịch vụ nhắn tin – định vị, dịch vụ di động vệ tinh, dịch vụ phát hình và dịch vụ tương
tác đa phương tiện [1]. Bên cạnh đó, một số lĩnh vực đang nhận được nhiều quan tâm,
nghiên cứu với tiềm năng phát triển mạnh đó là mở rộng chuẩn DVB-S2/-RCS cho
người sử dụng di động, lên kết mạng IP vệ tinh với các hệ thống vô tuyến mặt đất
(như hệ thống thông tin di động), hội tụ thông tin vệ tinh với cảm biến từ xa cho quan
sát trái đất [2].
Kênh vệ tinh có pha-đinh tác động, có các phần tử lọc làm cho tín hiệu thu bị
méo tuyến tính [1] [3]. Trên vệ tinh sử dụng bộ khuếch đại công suất hoạt động trong
điều kiện tổn hao kênh biến đổi nên công suất phát phải biến đổi; sử dụng phương
pháp truyền dẫn ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, OFDM, với dịch vụ đa
phương tiện nên số lượng kênh con biến đổi ngẫu nhiên dẫn đến tải bộ khuếch đại
biến đổi ngẫu nhiên. Các yếu tố cơ bản đó làm cho bộ khuếch đại công suất phải làm
việc ở chế độ phi tuyến cao, đặc biệt đối với các hệ thống thông tin vệ tinh sử dụng
quỹ đạo địa tĩnh với khoảng cách truyền dẫn trên 36.000km.
Bên cạnh đó, với kết nối đa phương tiện qua vệ tinh cho nên các yếu tố phi tuyến
khác của hệ thống sẽ tác động đến kênh [3]. Ảnh hưởng của các tác động đó dẫn đến:
Xuyên nhiễu giữa các ký hiệu, ISI, biến động các điểm định thời, xuyên nhiễu giữa
các sóng mang con trong hệ thống, ICI. Các ảnh hưởng này đặc biệt nghiêm trọng
đối với các hệ thống thông tin vệ tinh di động sử dụng truyền dẫn đa sóng mang. Các


2

hệ thống này thường triển khai vệ tinh ở quỹ đạo thấp để đảm bảo công suất cho máy
đầu cuối.
Với những đặc điểm nêu trên của kênh thông tin vệ tinh thể hiện qua tính phi
tuyến, pha đinh đa đường, can nhiễu giữa các ký hiệu, các kênh, các hệ thống tương
đối lớn nên trong thực tế người ta thường phải sử dụng các kỹ thuật khắc phục điển
hình như: Méo trước thích nghi, các kỹ thuật ước lượng kênh có độ nhạy cao, cân
bằng thích nghi, mã hóa chống lỗi … [4]. Tuy có nhiều kỹ thuật mới đã và đang được
áp dụng nhưng chúng vẫn chưa đáp ứng triệt để yêu cầu nhằm nâng cao chất lượng
và hiệu quả hoạt động cho hệ thống thông tin vệ tinh đa phương tiện.
Với lý do trên mà việc nghiên cứu đề xuất giải pháp nhằm khắc phục méo phi
tuyến và giảm can nhiễu, nâng cao hiệu năng của hệ thống thông tin vệ tinh đa phương
tiện là một yêu cầu cấp thiết, thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà
khoa học ở trong và ngoài nước. Chính vì thế, nghiên cứu sinh đã quyết định lựa chọn
hướng “Nghiên cứu giải pháp giảm can nhiễu và méo phi tuyến trong hệ thống
thông tin vệ tinh” cho luận án của mình. Luận án hướng tới xây dựng bộ cân bằng sử
dụng mạng nơ-ron và phương pháp kernel để cải thiện hiệu năng cân bằng đáp ứng
yêu cầu của kênh vệ tinh đa phương tiện.
Bài toán đặt ra
Kênh vệ tinh, có thể được xem như hệ thống động phi tuyến, phải đối mặt với
hai thách thức cơ bản: (1) Méo phi tuyến do sử dụng bộ khuếch đại phi tuyến trên vệ
tinh; (2) Pha đinh đa đường do kênh truyền sóng đường xuống. Các vấn đề này phải
được giải quyết để đạt được tốc độ truyền dẫn cao và hiệu năng BER chấp nhận được.
Việc sử dụng mạng nơ-ron cũng như phương pháp kernel có thể là bước quan trọng
để đạt được mục tiêu này.
Trong những năm gần đây, kỹ thuật sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trong
thông tin vô tuyến đã có những động lực nghiên cứu mạnh mẽ. Các bộ cân bằng tuyến
tính thường sử dụng các bộ lọc tuyến tính với cấu trúc ngang hàng hoặc cầu chéo và
thuật toán thích ứng như bình phương tối thiểu hồi quy (RLS), bình phương trung

3

bình tối thiểu (LMS). Tuy nhiên, các bộ cân bằng tuyến tính không thực hiện tốt trên
kênh có điểm không của phổ sâu [5]. ANN có khả năng tạo nên các biên quyết định
phi tuyến tùy ý đáp ứng yêu cầu miền phức [5] [6].
Với phương pháp kernel, việc biểu diễn các mối quan hệ phi tuyến phức tạp có
thể được chuyển về không gian nhiều chiều qua các quan hệ tuyến tính với các tính
toán đơn giản dựa trên tích vô hướng [7]. Với đặc tính của phương pháp kernel có thể
giúp cải thiện hiệu năng của các bộ cân bằng thích nghi dựa trên các giải thuật cập
nhật truyền thống như RLS hay LMS. Phương pháp này cũng khắc phục được hiện
tượng tối ưu cục bộ trong cân bằng nơ-ron, làm tăng hiệu năng hoạt động của bộ cân
bằng [7] [8].
Mục tiêu nghiên cứu
Để khắc phục nhiễu liên ký hiệu và méo phi tuyến cho hệ thống thông tin vệ
tinh mới, luận án tập trung vào giải pháp cải thiện hiệu năng bộ cân bằng thực hiện
theo hai hướng:
+ Cải thiện hiệu năng MSE của bộ cân bằng nhờ việc sử dụng mạng neuron
trong quá trình xây dựng bộ cân bằng. Mạng nơ-ron được đề xuất trong nhiều
nghiên cứu là bộ cân bằng phi tuyến mạnh [5]. Nghiên cứu của luận án tập
trung vào cải tiến, nâng cao hiệu năng của các bộ cân bằng nơ-ron như bộ cân
bằng RBF để từ đó áp dụng vào cân bằng cho kênh vệ tinh phi tuyến cao như
kênh vệ tinh địa tĩnh.
+ Cải thiện hiệu năng tốc độ hội tụ, đơn giản hóa việc tính toán cho các bộ cân
bằng thích nghi truyền thống với các giải thuật RLS, LMS quen thuộc. Phương
pháp kernel được sử dụng để cải tiến các giải thuật này. Luận án tập trung
nghiên cứu giải thuật KRLS áp dụng cho kênh phi tuyến thay đổi để ứng dụng
vào các bộ cân bằng thích nghi cho kênh vệ tinh di động, khắc phục hiện tượng
phân kỳ trong tính toán và phù hợp với kênh biến đổi theo thời gian.

4

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài luận án thuộc phạm vi lý thuyết, liên quan đến quá trình xử lý tín hiệu
trong thông tin vệ tinh. Cụ thể là các giải pháp giảm can nhiễu và méo phi tuyến được
tập trung nghiên cứu trên cơ sở đặc trưng truyền dẫn của hai hệ thống là thông tin vệ
tinh di động dựa trên quỹ đạo thấp và thông tin vệ tinh cố định dựa trên quỹ đạo địa
tĩnh.
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thông tin vệ tinh số đa phương tiện
+ Bộ khuếch đại công suất cao, HPA, trong hệ thống phát đáp trên vệ tinh
+ Kênh truyền sóng đa đường của đường xuống
- Phạm vi nghiên cứu:
+ Đặc tính của kênh thông tin vệ tinh số đa phương tiện, tập trung vào tính phi
tuyến của HPA và nhiễu ISI do đa đường của kênh truyền sóng đường xuống.
+ Giải pháp khắc phục nhiễu ISI và méo phi tuyến của HPA bằng việc sử dụng
bộ cân bằng tại máy thu.
Phương pháp nghiên cứu
Luận án thực hiện dựa trên các phương pháp:
+ Phân tích lý thuyết đặc tính kênh vệ tinh đa phương tiện, xác định mô hình
kênh vệ tinh di động sử dụng vệ tinh quỹ đạo thấp và kênh vệ tinh cố định sử
dụng vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh.
+ Tổng hợp kết quả nghiên cứu của các tác giả khác có liên quan đến vấn đề
giảm nhiễu liên ký hiệu và méo phi tuyến trong thông tin vệ tinh, xác định
những điểm tồn tại, các vấn đề khoa học cần giải quyết.
+ Ứng dụng các công cụ mới trong xây dựng bộ cân bằng để cải thiện hiệu
năng của bộ cân bằng từ đó đưa ra giải pháp cân bằng mới khắc phục hiệu quả
méo phi tuyến của HPA và nhiễu ISI cho hệ thống thông tin vệ tinh đa phương
tiện.