Giải thuật tạo búp sóng thích nghi bền vững sử dụng mạng nơron

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN VĂN NGUN

GIẢI THUẬT TẠO BÚP SĨNG
THÍCH NGHI BỀN VỮNG SỬ DỤNG
MẠNG NƠRON
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2010


Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN VĂN NGUN

GIẢI THUẬT TẠO BÚP SĨNG THÍCH NGHI
BỀN VỮNG SỬ DỤNG MẠNG NƠRON

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2010

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Đỗ Hồng Tuấn
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: ......................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: ......................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
..............................................................................................................
Luận Văn được bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 07 tháng 07 năm 2010


TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP. HCM
PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN NGUYÊN

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 26 12 1982

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

MSHV: 01406320

TÊN ĐỀ TÀI:

I.

“Giải thuật tạo búp sóng thích nghi bền vững sử dụng mạng nơron”.
II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Tổng quan về các phương pháp liên quan đến đề tài.
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về anten và các giải thuật tạo búp sóng.
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết mạng nơron.
Thực hiện giải thuật tạo búp sóng thích nghi bền vững sử dụng mạng nơron
RBFNN.
Thực hiện mô phỏng bằng MATLAB để đánh giá chất lượng giải thuật
RBFNN và so sánh với các giải thuật truyền thống SMI, LSMI.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25 01 2010
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02 07 2010
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH

Nội dung và Đề cương Luận văn Thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thơng qua.
Ngày 07 tháng 07 năm 2010
PHỊNG ĐÀO TẠO SĐH

KHOA QUẢN LÝ NGHÀNH


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tơi xin kính gửi đến Thầy

TS. Đỗ Hồng Tuấn lời trân trọng với lòng

biết ơn sâu sắc nhất. Thầy đã dành nhiều thời gian quý báu trực tiếp hướng dẫn, giải
đáp những thắc mắc, khó khăn, tạo mọi điều kiện thuận lợi về tài liệu cũng như đã
tận tình chỉ bảo và cho tơi những lời khun bổ ích, giúp tơi hồn thành Luận Văn
này.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô ở trường Đại học Bách Khoa Tp.
Hồ Chí Minh, là những người truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học tập và
nghiên cứu trong những năm sau đại học tại trường.

Tôi cũng nhận được sự giúp đỡ của các bạn cùng khóa, cùng lớp và đồng
nghiệp nơi cơng tác. Các bạn đã đóng góp cho tơi những ý kiến và những tài liệu giá
trị. Xin gởi đến các bạn lời cảm ơn chân thành của tơi.
Cuối cùng, tơi xin kính gởi đến gia đình lịng biết ơn chân thành, sâu sắc nhất.
Gia đình, Cha Mẹ đã động viên, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi
trong suốt quá trình học tập cũng như nghiên cứu đã qua.
TP. HCM, ngày 07 tháng 07 năm 2010
Nguyễn Văn Nguyên


TĨM TẮT

Do nhu cầu phát triển của thơng tin di động tăng liên tục nên cần phải có vùng phủ
sóng tốt hơn, cải thiện dung lượng và chất lượng đường truyền cao hơn. Do đó, cần
thiết phải sử dụng phổ tần số vô tuyến một cách hiệu quả hơn. Hệ thống anten thơng
minh có khả năng sử dụng một cách hiệu quả phổ tần số vô tuyến và hứa hẹn là giải
pháp hiệu quả cho các khó khăn hiện tại trong hệ thống vô tuyến trong khi vẫn đạt
được tốc độ cao bền vững và tin cậy. Kỹ thuật anten thông minh cung cấp giải pháp
tiên tiến quan trọng để giảm mức can nhiễu và cải thiện dung lượng. Với kỹ thuật này,
mỗi tín hiệu thuê bao chỉ được truyền và nhận bởi trạm thu/phát theo hướng của thuê
bao đó. Kỹ thuật anten thông minh cố gắng giải quyết vấn đề này thơng qua một kỹ
thuật xử lý tín hiệu tiên tiến được gọi là tạo búp sóng.
Giải thuật thích nghi được sử dụng trong xử lý tín hiệu có ảnh hưởng lớn đến chất
lượng của hệ thống anten thông minh bởi khả năng phân tích và triệt can nhiễu khi biết
chính xác vectơ lái. Tạo búp sóng thích nghi được sử dụng để tăng cường tín hiệu
mong muốn trong khi triệt nhiễu và can nhiễu tại ngõ ra dãy anten. Tuy nhiên, chất
lượng của giải thuật tạo búp sóng thích nghi có thể giảm rõ rệt so với trường hợp lý
tưởng bởi các điều kiện giả sử như môi trường, nguồn tín hiệu hoặc dãy anten khơng
cịn đúng nữa và điều này dẫn đến hiện tượng sai lệch. Khi đó giải thuật được gọi là
khơng bền vững. Có nhiều giải pháp hiệu quả cải thiện tính bền vững chống lại sự sai

lệch chẳng hạn như giải thuật LSMI.
Mạng nơron là một bộ xử lý song song hàng loạt được tạo thành từ các đơn vị xử lý
đơn giản với bản chất có thiên hướng lưu trữ các “kiến thức” đã được học và luôn sẵn
sàng để sử dụng các “kiến thức” này. Mạng nơron có các ưu điểm như đặc tính phi
tuyến, khả năng học thích nghi, tính tổng quát hóa vấn đề và tốc độ hội tụ nhanh. Với
những ưu điểm vốn có đó, trong Luận Văn này sẽ sử dụng mạng nơron để thực hiện


giải thuật tạo búp sóng thích nghi bền vững chống lại sự sai lệch của vectơ lái tín hiệu.
Phương pháp này sử dụng mạng RBFNN ba lớp với cách giải quyết vấn đề là xem việc
tính tốn trọng số tối ưu của dãy anten thích nghi như là bài tốn ánh xạ ngõ vào/ngõ
ra. Giải thuật tạo búp sóng thích nghi bền vững sử dụng mạng RBFNN cho thấy tính
bền vững cao khi có sự sai lệch của vectơ lái, tăng cường chất lượng hệ thống anten
dưới các điều kiện không lý tưởng và làm cho tỷ số SINR ở ngõ ra dãy anten luôn gần
sát với giá trị tối ưu.
Luận Văn được tổ chức thành 5 chương. Chương 1 giới thiệu tình hình nghiên cứu
chung và mục đích, phạm vi thực hiện của đề tài. Chương 2 giới thiệu cơ sở lý thuyết
về anten, hệ thống anten thông minh, các giải thuật tạo búp sóng cố định và thích nghi.
Chương 3 trình bày về giải thuật tạo búp sóng thích nghi bền vững dựa trên mạng
RBFNN. Chương 4 thực hiện mơ phỏng bằng MATLAB và trình bày đánh giá kết quả
đạt được. Chương 5 kết luận vấn đề và đề ra hướng phát triển của đề tài.


ABSTRACT

As the growing demand for mobile communications is constantly increasing, the
need for better coverage, improved capacity, and higher transmission quality. Thus, a
more efficient use of the radio spectrum is required. A smart antenna system is capable
of efficiently utilizing the radio spectrum and is a promise for an effective solution to
the present wireless system problems while achieving reliable and robust high-speed.

Smart antenna technology offer significantly improved solution to reduce interference
level and improve system capacity. With this technology, each user’s signal is
transmitted and received by the base station only in the direction of that particular user.
Smart antenna technology attempts to address this problem via advanced signal
processing technology called beamforming.
The adaptive algorithm used in the signal processing has a profound effect on the
performance of a Smart Antenna system because it has resolution and interference
rejection capability when array steering vector is precisely known. Adaptive
beamforming is used for enhancing a desired signal while suppressing noise and
interference at the output of an array. However the performance degradation of
adaptive beamforming may become more pronounced than in an ideal case because
some of underlying assumptions on environment, sources array and these may cause
mismatch. Thus, the adaptive algorithm is not robust. There are several efficient
approaches that provide an improved robustness against mismatch as like LSMI
algorithm.
Neural network is a massively parallel processor made up of simple processing
units, which has a natural propensity for storing experimental knowledge and making it
available for use. Neural network has advantages such as nonlinear property, adaptive
learning capability, generalization capability and fast convergence rates. Motivated by


these inherent advantages of the neural network, in this thesis work, a robust adaptive
beamforming algorithm using neural network is investigated which is againsts case of
signal steering vector mismatch. This method employs a three-layer radial basis
function neural network (RBFNN), which treats the problem of computing the weights
of an adaptive array antenna as an input/output mapping problem. The robust adaptive
beamforming algorithm using RBFNN, provides higher robustness to signal steering
vector mismatches, enhances the array system performance under non ideal conditions
and makes the mean output array SINR (Signal-to-Interference-plus- Noise Ratio)
consistently close to the optimal one.

This thesis is organized into five chapters. Chapter 1 introduce curent research and
task, scope of thesis. Chapter 2 provides basic theory about antennas, smart antenna
system, fixed and adaptive beamforming algorithms. Chapter 3 discribes the robust
adaptive beamforming algorithm based on neural network. Chapter 4 contains several
simulation and results by MATLAB. Chapter 6 provides conclusion remarks and scope
of future work.


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1..................................................................................................................... 1
1.1.

Đặt vấn đề và tình hình nghiên cứu hiện nay ..................................................... 1

1.2.

Mục đích – Đối tượng – Phạm vi nghiên cứu .................................................... 4

CHƢƠNG 2..................................................................................................................... 6
2.1.

Anten và hệ thống anten ..................................................................................... 6

2.1.1.

Anten ............................................................................................................ 6

2.1.1.1.

Anten đẳng hướng ................................................................................. 6

2.1.1.2.

Anten định hướng ................................................................................. 7

2.1.2.

Hệ thống anten ............................................................................................. 8

2.1.2.1 Hệ thống phân vùng (Sectorized Systems) .............................................. 8
2.1.2.2 Hệ thống phân tập (Diversity System) ..................................................... 8
2.1.3.
2.2.

Anten thông minh ........................................................................................ 9

Hệ thống anten thơng minh .............................................................................. 10

2.2.1.

Kiến trúc hệ thống anten thích nghi ........................................................... 11

2.2.1.1.

Xử lý đường lên .................................................................................. 12

2.2.1.2.

Xử lý đường xuống ............................................................................. 12

2.2.2.

Các loại hệ thống anten thông minh .......................................................... 13

2.2.2.1.

Hệ thống chuyển mạch búp sóng ........................................................ 13

2.2.2.2.

Hệ thống dãy thích nghi ...................................................................... 14

2.2.2.3.

So sánh hệ thống chuyển mạch búp sóng và hệ thống dãy thích nghi 15

2.2.3.

Các ứng dụng của anten thơng minh ......................................................... 16

2.2.4.

Lợi ích của anten ........................................................................................ 16

2.2.5.

Trở ngại của anten thông minh .................................................................. 17

2.3.

Giải thuật tạo búp sóng ..................................................................................... 17

2.3.1.

Tạo búp sóng trọng số cố định ................................................................... 18

-i-


2.3.1.1.

Cực đại tỷ số tín hiệu trên can nhiễu SIR ........................................... 18

2.3.1.2.

Phương pháp cực tiểu bình phương sai số MSE ................................. 21

2.3.1.3.

Phương pháp cực đại xác suất ............................................................. 22

2.3.1.4.

Phương pháp cực tiểu phương sai ....................................................... 23

2.3.2.

Tạo búp sóng thích nghi............................................................................. 24

2.3.2.1.

Giải thuật LMS (Least Mean Square) ................................................. 25

2.3.2.2.

Giải thuật nghịch đảo ma trận mẫu SMI (Sample Matrix Inversion) . 26

2.3.2.3.

Giải thuật RLS (Recursive Least Square) ........................................... 27

2.3.2.4.

Giải thuật CMA (Constant Modulus Algorithm) ................................ 28

2.3.2.5.

Giải thuật LS-CMA (Least Square Constant Modulus Algorithm) .... 29

CHƢƠNG 3................................................................................................................... 30
3.1.

Mơ hình tốn học .............................................................................................. 31

3.2.

Giải thuật SMI (Sample Matrix Inversion) ...................................................... 33

3.3.

Giải thuật LSMI (Loaded Sample Matrix Inversion) ....................................... 34

3.4.

Giải thuật tạo búp sóng thích nghi bền vững dựa trên mạng nơron RBFNN

(Radial Basis Function Neural Network) ................................................................... 35
3.4.1.

Lý thuyết mạng RBFNN (Radial Basis Function Neural Network) .......... 38

3.4.1.1.

Tổng quát ............................................................................................ 38

3.4.1.2.

Cấu trúc mạng RBFNN ....................................................................... 39

3.4.2.

Bộ tạo búp sóng dựa trên mạng RBFNN (Radial Basis Function Neural

Network) .................................................................................................................. 42
3.4.2.1.

Mơ hình ............................................................................................... 42

3.4.2.2.

Huấn luyện mạng nơron ...................................................................... 45

3.4.2.3.

Giai đoạn đặc tính ............................................................................... 46

3.4.2.4.

Lưu đồ giải thuật ................................................................................. 46

CHƢƠNG 4................................................................................................................... 48
4.1.

So sánh đáp ứng bộ tạo búp sóng ..................................................................... 49

-ii-


4.1.1.

Trường hợp no-mismatch .......................................................................... 50

4.1.2.

Trường hợp mismatch ................................................................................ 58

4.2.

So sánh chất lượng của các giải thuật............................................................... 66

4.2.1.

Trường hợp no-mismatch .......................................................................... 67

4.2.2.

Trường hợp mismatch ................................................................................ 71

4.3.

Mô phỏng trường hợp dãy anten không lý tưởng và nguồn bị tán xạ .............. 77

4.3.1. Mô phỏng trường hợp dãy anten không lý tưởng ............................................. 77
4.3.2. Mô phỏng trường hợp nguồn bị tán xạ cục bộ kiểu coherence ........................ 80
4.3.3. Mô phỏng trường hợp nguồn bị tán xạ cục bộ kiểu incoherence ..................... 83
4.4.

Nhận xét chung ................................................................................................. 86

4.5.

Vấn đề thời gian tính tốn của các giải thuật ................................................... 87

CHƢƠNG 5................................................................................................................... 87
5.1.

Kết luận............................................................................................................. 87

5.2.

Hướng phát triển của đề tài .............................................................................. 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 90
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 92

-iii-


DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1. Anten đẳng hướng và vùng bức xạ...............................................................................7
Hình 2.2. Anten có định hướng và sơ đồ bức xạ.............................................................. 8
Hình 2.3. Sơ đồ khối hệ thống anten thơng minh .......................................................... 10
Hình 2.4. Xử lý tín hiệu phát – thu tại trạm gốc và đầu cuối di động............................ 11
Hình 2.5. Sơ đồ bức xạ hệ thống chuyển mạch búp sóng .............................................. 14
Hình 2.6. Sơ đồ bức xạ hệ thống dãy thích nghi ............................................................ 14
Hình 2.7. Sơ đồ bộ tạo búp sóng trọng số cố định ......................................................... 18
Hình 2.8. Sơ đồ khối của hệ thống thích nghi MSE ...................................................... 21
Hình 2.9. Sơ đồ khối giải thuật tạo búp sóng thích nghi ................................................ 24
Hình 3.1. Dãy anten M phần tử ULA............................................................................. 31
Hình 3.2. Sơ đồ khối mạng RBFNN .............................................................................. 38
Hình 3.3. Cấu trúc mạng RBFNN .................................................................................. 39
Hình 3.4. Hàm Gaussian với

và

Hình 3.5. Hàm Multiquadric với

................................................................ 40
và

.......................................................... 40

Hình 3.6. Hàm Multiquadric nghịch đảo với
Hình 3.7. Hàm Cauchy với

và

và

....................................... 41

.................................................................. 41

Hình 3.8. Sơ đồ bộ tạo búp sóng sử dụng mạng RBFNN .............................................. 43
Hình 3.9. Cấu trúc mạng RBFNN dùng trong bộ tạo búp sóng ..................................... 44
Hình 3.10. Lưu đồ giải thuật RBFNN ............................................................................ 47
Hình 4.1. Đáp ứng búp sóng trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, SNR =
0dB, DoAs = [20 300 500] ............................................................................................... 51
Hình 4.2. Đáp ứng búp sóng trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, SNR =
5dB, DoAs = [20 300 500] ............................................................................................... 52
Hình 4.3. Đáp ứng búp sóng trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, SNR =
10dB, DoAs = [20 300 500] ............................................................................................. 53

-iv-


Hình 4.4. SLL theo SNR trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, DoAs = [20 300
500] ................................................................................................................................. 54
Hình 4.5. Đáp ứng búp sóng trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, SNR =

0dB, DoAs = [20 200 300] ............................................................................................... 55
Hình 4.6. Đáp ứng búp sóng trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, SNR =
5dB, DoAs = [20 200 300] ............................................................................................... 55
Hình 4.7. Đáp ứng búp sóng trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, SNR =
10dB, DoAs = [20 200 300] ............................................................................................. 56
Hình 4.8. Đáp ứng búp sóng trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, SNR= 0dB,
DoAs = [20 100 200]........................................................................................................ 56
Hình 4.9. Đáp ứng búp sóng trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, SNR= 5dB,
DoAs = [20 100 200]........................................................................................................ 57
Hình 4.10. Đáp ứng búp sóng trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, SNR =
10dB, DoAs = [20 100 200] ............................................................................................. 57
Hình 4.11. Đáp ứng búp sóng trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, SNR =
0dB, DoAs = [20 300 500] ............................................................................................... 59
Hình 4.12. Đáp ứng búp sóng trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, SNR =
5dB, DoAs = [20 300 500] ............................................................................................... 60
Hình 4.13. Đáp ứng búp sóng trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, SNR =
10dB, DoAs = [20 300 500] ............................................................................................. 61
Hình 4.14. SLL theo SNR trường hợp mismatch với snapshots = 100, DoAs = [20 300
500] ................................................................................................................................. 62
Hình 4.15. Đáp ứng búp sóng trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, SNR =
0dB, DoAs = [20 200 300] ............................................................................................... 63
Hình 4.16. Đáp ứng búp sóng trường hợp mismatch 20 với với snapshots = 100, SNR =
5dB, DoAs = [20 200 300] ............................................................................................... 63
Hình 4.17. Đáp ứng búp sóng trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, SNR =
10dB, DoAs = [20 200 300] ............................................................................................. 64
Hình 4.18. Đáp ứng búp sóng trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, SNR =
0dB, DoAs = [20 100 200] ............................................................................................... 64
Hình 4.19. Đáp ứng búp sóng trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, SNR =
5dB, DoAs = [20 100 200] ............................................................................................... 65
Hình 4.20. Đáp ứng búp sóng trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, SNR =

10dB, DoAs = [20 100 200] ............................................................................................. 65
-v-


Hình 4.21. SINROUT theo snapshots trường hợp no-mismatch với SNR = 0dB, DoAs =
[20 300 500] ..................................................................................................................... 68
Hình 4.22. SINROUT theo SNR trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, DoAs =
[20 300 500] ..................................................................................................................... 68
Hình 4.23. Độ lợi dãy anten theo SNR trường hợp no-mismatch với snapshots = 100,
DoAs = [20 300 500]........................................................................................................ 69
Hình 4.24. SINROUT theo SNR trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, DoAs =
[20 200 300] ..................................................................................................................... 70
Hình 4.25. SINROUT theo SNR trường hợp no-mismatch với snapshots =100, DoAs =
[20 100 200] ..................................................................................................................... 70
Hình 4.26. SINROUT theo snapshot trường hợp mismatch 20 với SNR = 0dB, DoAs =
[20 300 500] ..................................................................................................................... 72
Hình 4.27. SINROUT theo SNR trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, DoAs =
[20 300 500] ..................................................................................................................... 72
Hình 4.28. Độ lợi dãy anten theo SNR trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100,
DoAs = [20 300 500]........................................................................................................ 73
Hình 4.29. SINROUT theo mức độ sai lệch vectơ lái với snapshots = 100, DoAs = [20
300 500] ........................................................................................................................... 74
Hình 4.30. SINROUT theo SNR trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, DoAs =
[20 200 300] ..................................................................................................................... 75
Hình 4.31. SINROUT theo SNR trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, DoAs =
[20 100 200] ..................................................................................................................... 75
Hình 4.32. Độ lợi bộ tạo búp sóng trường hợp no-mismatch và mismatch 20 với
snapshots = 100, DoAs = [20 300 500] ............................................................................ 76
Hình 4.33. SINROUT theo snapshot trường hợp lỗi độ lợi và pha ngẫu nhiên với SNR =
0dB, DoAs = [20 300 500] ............................................................................................... 78

Hình 4.34. SINROUT theo SNR trường hợp lỗi độ lợi và pha ngẫu nhiên với snapshots =
100, DoAs = [20 300 500]................................................................................................ 79
Hình 4.35. Độ lợi theo SNR trường hợp lỗi độ lợi và pha ngẫu nhiên với snapshots =
100, DoAs = [20 300 500]................................................................................................ 79
Hình 4.36. SINROUT theo snapshot trường hợp tán xạ cục bộ coherence với SNR =
0dB, DoAs = [20 300 500] ............................................................................................... 81
Hình 4.37. SINROUT theo SNR trường hợp tán xạ cục bộ coherence với snapshots =
100, DoAs = [20 300 500]................................................................................................ 82
-vi-


Hình 4.38. Độ lợi búp sóng theo SNR trường hợp tán xạ cục bộ coherence với
snapshots = 100, DoAs = [20 300 500] ............................................................................ 82
Hình 4.39. SINROUT theo snapshot trường hợp tán xạ cục bộ incoherence với SNR =
0dB, DoAs = [20 300 500] ............................................................................................... 84
Hình 4.40. SINROUT theo SNR trường hợp tán xạ cục bộ incoherence với snapshots =
100, DoAs = [20 300 500]................................................................................................ 85
Hình 4.41. Độ lợi búp sóng theo SNR trường hợp tán xạ cục bộ incoherence với
snapshots = 100, DoAs = [20 300 500] ............................................................................ 85

-vii-


DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Ứng dụng của anten thông minh trong các hệ thống vô tuyến ...................... 16
Bảng 4.1. Các trường hợp DoAs được mô phỏng.......................................................... 49
Bảng 4.2. Hệ số AF trường hợp no-mismatch với snapshots =100, SNR = 0dB, DoAs =
[20 300 500] ..................................................................................................................... 51
Bảng 4.3. Hệ số AF trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, SNR = 5dB, DoAs

= [20 300 500] .................................................................................................................. 52
Bảng 4.4. Hệ số AF trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, SNR = 10dB, DoAs
= [20 300 500] .................................................................................................................. 53
Bảng 4.5. Giá trị SLL theo SNR trường hợp no-mismatch với snapshots = 100, DoAs
=[20 300 500] ................................................................................................................... 54
Bảng 4.6. Hệ số AF trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, SNR = 0dB, DoAs
= [20 300 500] .................................................................................................................. 60
Bảng 4.7. Hệ số AF trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, SNR = 5dB, DoAs =
[20 300 500] ..................................................................................................................... 60
Bảng 4.8. Hệ số AF trường hợp mismatch 20 với snapshots = 100, SNR = 10dB, DoAs
= [20 300 500] .................................................................................................................. 61
Bảng 4.9. Giá trị SLL theo SNR trường hợp mismatch với snapshots = 100, DoAs = [20
300 500] ........................................................................................................................... 62

-viii-


DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

ADC

Analog-to-Digital Converter

AF

Array Factor

AMPS

Advanced Mobile Phone System

GSM

Global System for Mobile

SSE

Sum Square Error

TACS

Total Access Communication System

ANFIS

Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System

BTS

Base Transceiver Station

CDMA

Code Division Multiple Access

CMA

Constant Modulus Algorithm

DMI

Direct Matrix Inversion

DOA

Direction of Arrival

DSP

Digital Signal Processors

FDD

Frequency Division Duplex

INR

Interference-to-Interference Ratio

LMS

Least Mean Square

LS-CMA

Least Square Constant Modulus Algorithm

LSMI

Loaded Sample Matrix Inversion

MIMO

Multiple-Input and Multiple-Output

ML

Maximum Likelihood

MMSE

Minimum Mean-Square Error

MV

Minimum Variance

MVDR

Minimum Variance Distortionless Response

RAB

Robust Adaptive Beamforming

-ix-


RBFNN

Radial Basis Function Neural Network

RCB

Robust Capon Beamformer

RLS

Recursive Least Square

RNN

Reurrent Neural Network

SDMA

Spatial Division Multiple Access

SINR

Signal to Interference plus Noise Ratio

SIR

Signal-to-Interference Ratio

SL

Switched Lobe

SLL

Side Lobes Level

SMI

Sample Matrix Inversion

TDD

Time Division Duplex

TDMA

Time Division Multiple Access

ULA

Uniform Linear Array

VLSI

Very-Large-Scale Integration

-x-


Chương 1: Giới thiệu

CHƢƠNG 1

GIỚI THIỆU

1.1. Đặt vấn đề và tình hình nghiên cứu hiện nay
Do nhu cầu phát triển của thông tin di động tăng liên tục nên cần phải có vùng phủ
sóng tốt hơn, dung lượng và chất lượng đường truyền cao hơn. Do đó, cần thiết phải
sử dụng phổ tần số vô tuyến một cách hiệu quả hơn. Hệ thống anten thơng minh [1] có
khả năng sử dụng một cách hiệu quả phổ tần số vô tuyến và hứa hẹn một giải pháp hiệu
quả để giải quyết các khó khăn trong hệ thống vơ tuyến nhằm đạt đến tốc độ cao tin
cậy, bền vững và tốc độ truyền dữ liệu cao. Trong thực tế, hệ thống anten bao hàm
nhiều lĩnh vực then chốt như thiết kế dãy anten, giải thuật xử lý tín hiệu, mơ hình và
mã hóa kênh vơ tuyến và chất lượng mạng lưới.
Để điều khiển sơ đồ bức xạ của anten bằng phần mềm, nhiều anten được cần đến
thay vì một anten đơn. Khơng giống như một anten đơn có sơ đồ bức xạ cố định, sơ đồ
bức xạ của dãy anten có thể khá linh hoạt. Sự linh hoạt này phụ thuộc vào giải thuật
được sử dụng trong hệ thống. Một phương pháp để tạo ra sơ đồ bức xạ linh hoạt là
chuyển mạch búp SL (switched lobe) hay còn gọi là kỹ thuật chuyển mạch búp sóng
(switched beam) ở đó dãy anten gồm có nhiều anten có tính đẳng hướng cao. Mỗi
anten hướng đến một hướng khác nhau. Hệ thống sẽ phân tích tín hiệu nhận được từ
mỗi anten và chọn phần tử có tín hiệu tốt nhất. Một phương pháp khác thơng minh hơn
là xác định hướng đến DoA của tín hiệu. Một khi đã xác định được DoA, hệ thống sử
dụng dãy anten để tạo thành búp sóng theo hướng đó hướng về thuê bao. Cả hai
phương pháp đều mang đến một vài ưu điểm trên hệ thống thông thường; tuy nhiên lợi
ích thì rất nhỏ nếu tín hiệu đến từ các hướng khác nhau trong môi trường đa đường.

-1-


Chương 1: Giới thiệu

Giải pháp thậm chí sẽ tồi tệ hơn khi tầm nhìn thẳng LOS giữa thuê bao và trạm
thu/phát bị che chắn.
Để khắc phục nhược điểm trên, nhiều phương pháp cải tiến đã được phát triển.
Phương pháp này thường được gọi là kỹ thuật tạo búp sóng tối ưu, sử dụng phân tập
không gian trong kênh đa đường để tín hiệu thu có cường độ mạnh hơn. Với phương
pháp tạo búp sóng tối ưu, các tín hiệu thu được từ các anten được điều chỉnh độc lập
nhau về biên độ và pha trước khi kết hợp lại với nhau. Bằng cách làm như thế, hệ thống
ứng xử như là có nhiều sơ đồ bức xạ anten và điều chỉnh được. Mỗi sơ đồ bức xạ phù
hợp với tín hiệu nhận được từ một thuê bao. Giải thuật thích nghi được sử dụng tại
trạm thu/phát nên hệ thống có khả năng xác định sơ đồ bức xạ tối ưu cho mỗi thuê bao.
Trong thủ tục huấn luyện, mỗi thuê bao gửi một chuỗi ngắn tín hiệu huấn luyện đến
trạm thu/phát. Sau đó, giải thuật sử dụng thơng tin này để so sánh mỗi tín hiệu nhận
được với tín hiệu gốc ban đầu nhằm xác định đúng sơ đồ bức xạ cho thuê bao đó. Với
phương pháp này, tất cả tín hiệu thu được từ mỗi anten được sử dụng và được kết hợp
một cách tối ưu để tăng cường tín hiệu mong muốn và triệt can nhiễu khơng mong
muốn.
Tạo búp sóng thích nghi [1] là kỹ thuật ở đó dãy anten được sử dụng để cực đại tín
hiệu thu ở một hướng nào đó bằng cách đánh giá tín hiệu đến từ hướng mong muốn (có
sự hiện diện của nhiễu) trong khi những tín hiệu khác cùng tần số đến từ những hướng
khác bị triệt tiêu. Kỹ thuật này được thực hiện bằng cách thay đổi trọng số của các
anten. Tạo búp sóng thích nghi được sử dụng để tăng cường tín hiệu mong muốn và
triệt nhiễu trắng và can nhiễu tại ngõ ra của dãy anten. Kỹ thuật này dựa trên ý tưởng là
mặc dù các tín hiệu xuất phát từ các bộ phát khác nhau có cùng tần số nhưng chúng
đến từ các hướng khác nhau. Sự tách bạch trong không gian như thế được tận dụng để
tách tín hiệu mong muốn khỏi tín hiệu can nhiễu. Trong tạo búp sóng thích nghi, trọng
số tối ưu được tính lặp đi lặp lại nhiều lần sử dụng các giải thuật phức tạp dựa trên các

-2-

Chương 1: Giới thiệu

tiêu chí khác nhau. Có nhiều giải thuật tạo búp sóng thích nghi như LMS, SMI, RLS,
CMA.
Tạo búp sóng thích nghi được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như rađa, tàu
ngầm, địa chấn, thiên văn và thông tin vô tuyến [1], [2]. Khi dãy anten được ứng dụng
vào các vấn đề thực tế, chất lượng của các phương pháp tạo búp sóng thích nghi có thể
xấu hơn rõ rệt so với trường hợp lý tưởng bởi các điều kiện giả sử như mơi trường,
nguồn tín hiệu hoặc dãy anten khơng cịn đúng nữa và điều này dẫn đến hiện tượng sai
lệch (mismatch) giữa đáp ứng thực và đáp ứng mong muốn. Trải qua 2 thập kỷ, nhiều
cách tiếp cận vấn đề đã được phát triển để cải thiện tính bền vững khi có sự sai lệch
(mismatch). Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự sai lệch gồm có:
–

Hướng đến của tín hiệu

–

Ảnh hưởng của tán xạ và đa đường

–

Hình dạng anten và lỗi do sản xuất

–

Phân bố của nguồn tín hiệu

Bộ tạo búp sóng phổ biến nhất là MVDR (Minimum Variance Distortionless
Response) [3] có khả năng phân tích và triệt nhiễu khi biết chính xác vectơ lái. Tuy

nhiên chất lượng bộ tạo búp sóng kiểu này bị giảm trầm trọng khi có sự sai lệch vectơ
lái bởi khi đó tín hiệu mong muốn được “đối xử” như can nhiễu. Phương pháp tải
đường chéo (diagonal loading) [4] được sử dụng rộng rãi và phổ biến để cải thiện tính
bền vững của giải thuật tạo búp sóng thích nghi. Tuy nhiên, hạn chế của nó là làm cách
nào để chọn hệ số tải dựa vào các thông tin khơng chắc chắn của tín hiệu mong muốn
và nhiễu. Từ những phương pháp trên cho thấy đó khơng phải là những phương pháp
lựa chọn tốt để cải thiện tính bền vững của giải thuật tạo búp sóng thích nghi.
Mạng nơron có nhiều ứng dụng trong lĩnh vực xử lý tín hiệu [5] bởi tính tổng quan
của nó, đặc tính phi tuyến, khả năng học thích nghi, khả năng tổng quát hóa vấn đề, tốc
độ hội tụ nhanh và được thực hiện bằng công nghệ VLSI mới. Lĩnh vực xử lý tín hiệu
-3-


Chương 1: Giới thiệu

dãy anten tập trung vào tạo búp sóng thích nghi. Tạo búp sóng thích nghi được sử dụng
để tăng cường tín hiệu mong muốn và triệt nhiễu và can nhiễu tại ngõ ra của dãy anten.
Phương pháp mạng nơron thông thường được sử dụng qua 2 bước: (1) giai đoạn
huấn luyện, (2) giai đoạn đặc tính. Theo đó, mạng nơron trước tiên được huấn luyện
với các cặp ngõ vào/ngõ ra được biết trước. Việc này có thể được thực hiện off-line
mặc dù việc huấn luyện cần nhiều tập mẫu dữ liệu. Sau giai đoạn huấn luyện, mạng
nơron được sử dụng để thay thế cho cả hệ thống phức tạp.

1.2. Mục đích – Đối tƣợng – Phạm vi nghiên cứu
Anten thông minh được mong đợi là kỹ thuật đem lại dung lượng cao hơn trong hệ
thống thông tin vô tuyến. Lõi của dãy anten thông minh là các giải thuật tạo búp sóng
thích nghi. Kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi cực đại tín hiệu nhận bằng cách đánh giá
tín hiệu đến từ hướng mong muốn (có sự hiện diện của nhiễu) trong khi các tín hiệu
cùng tần số từ các hướng khác được triệt tiêu. Có nhiều giải thuật tạo búp sóng thích
nghi như LMS, RLS, CMA, SMI dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau để cập nhật và tính

tốn trọng số tối ưu.
Tạo búp sóng thích nghi có khả năng phân tích và triệt can nhiễu khi vectơ lái được
biết chính xác. Tuy nhiên chất lượng của các kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi có thể
giảm trầm trọng khi có sự sai lệch giữa đáp ứng giả sử và đáp ứng thực. Lúc đó giải
thuật được gọi là khơng bền vững.
Để cải thiện tính bền vững của kỹ thuật tạo búp sóng thích nghi chúng ta có thể sử
dụng mạng nơron. Trong Luận Văn này, một giải thuật tạo búp sóng thích nghi bền
vững dựa trên mạng nơron sẽ được nghiên cứu và thực hiện. Phương pháp dựa trên
mạng nơron xem vấn đề tính tốn trọng số tối ưu của dãy anten như là bài tốn ánh xạ
ngõ vào/ngõ ra. Do thời gian có hạn, đề tài chỉ tập trung nghiên cứu và thực hiện giải
thuật, còn vấn đề cách thực hiện theo thời gian thực được đưa vào phần hướng phát

-4-


Chương 1: Giới thiệu

triển đề tài. Sử dụng MATLAB , Luận Văn thực hiện mô phỏng giải thuật tạo búp sóng
thích nghi bền vững sử dụng mạng RBFNN cùng các giải thuật truyền thống khác như
SMI, LSMI để chỉ ra chất lượng vượt trội của phương pháp sử dụng mạng nơron. Kết
quả cho thấy giải thuật sử dụng mạng RBFNN cho ta tính bền vững rất tốt khi có sự sai
lệch của vectơ lái, tăng cường chất lượng hệ thống anten dưới các điều kiện không lý
tưởng và làm cho tỷ số SINR ở ngõ ra dãy anten luôn gần sát với giá trị tối ưu.

-5-


Chương 2: Cơ sở lý thuyết về hệ thống anten thông minh

CHƢƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG ANTEN THÔNG MINH

Chương này giới thiệu sơ lược hệ thống anten thơng minh cùng các ứng dụng cũng
như lợi ích mà hệ thống anten thông minh mang lại trong các ứng dụng truyền thông vô
tuyến. Đồng thời cũng so sánh ưu và nhược điểm giữa các loại anten thông minh khác
nhau và giữa anten thông minh cùng các loại anten truyền thống. Chương này cũng
trình bày 2 kỹ thuật tạo búp sóng trọng số cố định và trọng số thích nghi cùng với các
giải thuật sử dụng trong mỗi kỹ thuật.

2.1.

Anten và hệ thống anten

2.1.1. Anten
Anten là một thiết bị có khả năng thu/phát năng lượng điện từ. Anten đóng vai trị
rất quan trọng trong hệ thống thơng tin vơ tuyến. Anten kết nối năng lượng điện từ giữa
môi trường không gian và các môi trường khác như cáp xoắn, ống dẫn sóng, …. Anten
tạo ra các trường điện từ phức ở gần và xa anten. Không phải tất cả các trường điện từ
tạo ra đều được bức xạ vào không gian. Có một số trường vẫn cịn tồn tại gần anten và
được xem là trường gần phản kháng.
2.1.1.1. Anten đẳng hƣớng
Vào thời sơ khai của thông tin vô tuyến, xuất hiện anten lưỡng cực đơn giản bức xạ
và nhận tín hiệu như nhau ở tất cả các hướng. Để tìm kiếm thuê bao, anten bức xạ năng
lượng đều nhau ở tất các hướng. Điều này làm phân tán năng lượng và chỉ có một phần
nhỏ năng lượng trên tổng năng lượng được bức xạ đến thuê bao. Để khắc phục điều
này, người ta dùng chiến lược tăng cường mức công suất phát tín hiệu của anten. Tuy
-6-