Nghiên cứu kỹ thuật ước lượng trong hệ thống truyền dẫn song công

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CAO HOÀNG THĂNG

TRẦN
HỮU LỘC ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
TRƯỜNG

CAO HOÀNG THĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

C
C

R
L
T.

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG

DU

TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NĂM 2019
Đà Nẵng – Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CAO HOÀNG THĂNG

C
C

R
L
T.

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG

DU

TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG

Chuyển nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 8520203
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Người hướng dẫn khoa hoc:
TS. NGUYỄN DUY NHẬT VIỄN

Đà Nẵng – Năm 2019


1
LỜ I C A M ĐO AN

C
C

DU

R
L
T.


2

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................. 1
MỤC LỤC ......................................................................................................... 2
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN
SONG CÔNG ..................................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................... 8
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................... 11
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................... 12
MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 14

C
C

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ KỸ

R
L

T.

THUẬT OFDM ............................................................................................... 18
1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG ................................................................................... 18

DU

1.2 TÌNH HÌNH HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG HIỆN NAY. .............. 18
1.3 KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN ........................................................................ 19
1.3.1 Tổng quan về kênh truyền vô tuyến ....................................................... 19
1.3.2 Mô hình kênh truyền vơ tuyến ................................................................ 20
1.3.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền..................... 22
a) Suy hao đường truyền .......................................................................... 22
b) Nhiễu AWGN ....................................................................................... 22
c) Hiệu ứng Doppler ................................................................................ 22
d) Hiệu ứng đa đường (Multipath) .......................................................... 23
1.3.4 Kênh truyền biến đổi nhanh và kênh truyền biến đổi chậm .............. 24
1.4 KỸ THUẬT OFDM ......................................................................................... 25
1.4.1 Khái niệm .................................................................................................. 25
1.4.2 Sự phát triển của OFDM ......................................................................... 27


3
1.4.2.1 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số FDM ........................................... 27
1.4.2.2 Truyền dẫn đa sóng mang ............................................................ 27
1.4.2.3 Kỹ thuật ghép kênh theo tần số trực giao OFDM ......................... 28
1.4.3 Mơ hình hệ thống OFDM ........................................................................ 29
1.4.4 Hệ thống MIMO – OFDM ....................................................................... 30
1.4.5 Ưu điểm và nhược điểm của OFDM ...................................................... 32
1.4.5.1 Ưu điểm ........................................................................................ 32

1.4.5.2 Nhược điểm .................................................................................. 33
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG ..................................................................................... 33

C
C

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN SONG CÔNG............................. 35

R
L
T.

2.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG .................................................................................. 35
2.2. ĐƠN CƠNG VÀ BÁN SONG CƠNG ........................................................... 35

DU

2.2.1. Đơn cơng (simplex) .................................................................................. 35
2.2.2 Bán song công (Half-duplex) .................................................................... 35
2.3. TRUYỀN DẪN SONG CƠNG ....................................................................... 36
2.4 CÁC MƠ HÌNH TRUYỀN DẪN SONG CƠNG.............................................. 36
2.4.1 Mơ hình hệ thống song cơng thu phát hai chiều................................... 36
a) Hệ thống song công thu phát hai chiều sử dụng chung anten ............ 37
b) Hệ thống song công thu phát hai chiều sử dụng riêng anten .............. 37
c) Hệ thống song công thu phát hai chiều trong mạng Ad-hoc ............... 38
2.4.2 Mơ hình hệ thống song cơng dùng node chuyển tiếp ........................... 38
a) Hệ thống song công dùng một node chuyển tiếp ................................. 39
b) Hệ thống song cơng dùng nhiều node chuyển tiếp .............................. 39
2.4.3 Mơ hình hệ thống song công trạm gốc tế bào ....................................... 40
a) Mơ hình tế bào với 2 node ................................................................... 41

4
b) Mơ hình tế bào với nhiều node ............................................................ 41
c) Mơ hình tế bào với nhiều node kết hợp mơ hình node chuyển tiếp...... 42
2.5. ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG SONG CÔNG ................ 42
2.5.1 Ưu điểm ....................................................................................................... 42
2.5.2 Nhược điểm ................................................................................................. 43
2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG ..................................................................................... 43
CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN
DẪN SONG CÔNG ......................................................................................... 45
3.1. GIỚI THIỆU CHƯƠNG .................................................................................. 45

C
C

3.2 KÊNH TRUYỀN BIẾN ĐỔI THEO THỜI GIAN ....................................... 45

R
L
T.

3.3 NHIỄU PHA VÀ CÁC ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG SONG CÔNG 45
3.3.1. Giới thiệu về nhiễu pha .............................................................................. 45

DU

3.3.2. Các mơ hình nhiễu pha .............................................................................. 46
3.3.3. Ảnh hưởng của nhiễu pha đến hệ thống song công .................................. 48
3.4 ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN .................................................................... 51

3.4.1 Giới thiệu ................................................................................................... 51
3.4.2 Ước lượng bằng pilot .................................................................................. 51
3.4.3 Cách sắp xếp các pilot ................................................................................. 52
3.4.3.1. Sắp xếp Pilot dạng khối ............................................................... 53
3.4.3.2 Sắp xếp Pilot dạng lược ................................................................ 54
3.4.3.3. Nguyên tắc truyền Pilot ở miền tần số và miền thời gian ............ 55
3.5 CÁC KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG ..................................................................... 56
3.5.1 Ước lượng theo kiểu sắp xếp pilot dạng khối ............................................ 56
3.5.2 Ước lượng theo kiểu sắp xếp pilot dạng lược............................................. 57
3.5.3 Phương pháp ước lượng kênh dùng bộ lọc LS (Least Square) ................ 57


5
3.5.4 Ước lượng bằng tiêu chuẩn MMSE ........................................................... 60
3.5.5 Ước lượng hệ số BEM bằng kỹ thuật MAP (Maximun a Posteriori) ....... 60
3.6 KẾT HỢP ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN VÀ ƯỚC LƯỢNG NHIỄU PHA
.................................................................................................................................. 61
3.6.1 Sự cần thiết của kết hợp ước lượng............................................................ 61
3.6.2. Mơ hình hệ thống ....................................................................................... 62
3.6.3 Đề xuất giải thuật ước lượng kết hợp .................................................... 68
3.7. KẾT LUẬN CHƯƠNG ................................................................................... 69
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN ............................................... 71

C
C

4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG ................................................................................. 71

R
L

T.

4.2 LƯU ĐỒ THUẬT TỐN MƠ PHỎNG ........................................................ 71
4.2.1. Lưu đồ thuật tốn ước lượng kết hợp ....................................................... 73

DU

4.2.2. Lưu đồ thuật toán tính MSE ..................................................................... 74
4.2.3. Lưu đồ thuật tốn tính BER ...................................................................... 75
4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT ..................................................... 76
4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG .................................................................................... 78
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 81
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ........................................................................ 84


6
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ƯỚC LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN
SONG CƠNG
Học viên: Cao Hồng Thăng

Chun ngành: Kỹ thuật Điện Tử

Mã số: CH687

Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Khóa: 36

Tóm tắt - Tần số là tài nguyên có hạn nên vấn đề sử dụng phổ tần một cách hiệu quả và

tiết kiệm đang trở thành một mục tiêu quan trọng trong việc thiết kế và xây dựng các hệ thống
thông tin di động. Điều này thúc đẩy việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên
tiến để phát triển thế hệ mạng không dây tiếp theo với tốc độ truyền dữ liệu cao, nâng cao hiệu
quả sử dụng phổ, hiệu quả năng lượng cũng như độ trễ truyền dẫn thấp. Bên cạnh những giải pháp
hiệu quả để tái sử dụng lại phổ tần hoặc chia sẻ băng tần giữa các mạng vô tuyến, trong những
năm gần đây truyền dẫn vô tuyến song công (Full-Duplex) nổi lên như một giải pháp mới cho
phép truyền và nhận dữ liệu đồng thời trong cùng một băng tần. Mục đích chính của đồ án là

C
C

nghiên cứu các kỹ thuật ước lượng trong hệ thống truyền dẫn song công như: ước lượng nhiễu
pha, ước lượng kênh truyền, ước lượng độ lệch tần số sóng mang, kết hợp ước lượng nhiễu pha và

R
L
T.

ước lượng kênh truyền v.v. từ đó đề xuất phương pháp ước lượng tốt nhất cho hệ thống thông tin
di dộng.

DU

Từ khóa – Truyền dẫn song cơng; Full-Duplex; ước lượng kênh truyền; các kỹ thuật ước
lượng; kênh truyền vô tuyến.

RESEARCH THE ESTIMATION TECHNIQUES IN FULL-DUPPLEX
SYSTEM
Abstract - Frequency is a limited resource, so the effective and economical use of
spectrum is becoming an important goal in the design and construction of mobile

communication systems. This promotes the research and application of advanced
technologies and techniques to develop the next generation of wireless networks with high
data transfer rates, improved spectrum efficiency, energy efficiency and Low transmission
delay. In addition to effective solutions for reusing spectrum or sharing bandwidth between
wireless networks, in recent years duplex radio transmission (Full-Duplex) emerged as a
new solution that allows transmit and receive data simultaneously in the same band. The
main purpose of the project is to reseachs the estimation techniques in a Full-Duplex
transmission system as: estimate phase noise, estimate transmission channel, estimate
carrier frequency deviation, combining phase noise estimation and transmission channel
estimation v.v. Since then propose the best estimation method for mobile communication
system.


7
Key words – Duplex; full-duplex; estimate transmission channel; the estimation technique;
radio transmission channel.

C
C

DU

R
L
T.


8

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt
AF

Dịch nghĩa Tiếng Việt

Tiếng Anh

Khuếch đại và chuyển tiếp

Amplify and Forward

ACK/NACK Acknowledge/Negative
Acknowledge

Tin báo nhận/ Tin báo chưa nhận

A/D

Analog Digital Converter

Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự
sang số

AGC

Automatic Gain Control

Tự động điều khiển độ lợi

AMD

Adaptive Modulation
Technique

Bộ điều chế tín hiệu thích nghi

AWGN

Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

BCA

Block Coordinate Descent

Tọa độ khối bậc thang

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bít

BS

Base Station

CFO

Carrier Frequency Offset

Lệch tần số sóng mang

COFDM

Code Orthogonal Frequency
Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao mã hóa

CP

Cyclic Prefix

Tiền tố lặp

CPE

Common Phase Error

Lỗi sai pha

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

D/A

Digital Audio Broadcast

Công nghệ phát thanh số

DF

Decoded and Forward

Giải mã và chuyển tiếp

DFT

Discrete Fourier Transform

Biến đổi Fourier rời rạc

DoF

Degree of Freedom

Bậc tự do

DVB

Digital Video Broadcasting

Phát sóng truyền hình kỹ thuật số

FDM

Frequency Division Multiple

Phân chia theo tần số

FFT

Fast Fourier Tranform

Biến đổi fourier nhanh

C
C

R
L
T.

DU

Trạm gốc


9
FD

Full-Duplex

Truyền dẫn vô tuyến song công

FDD

Frequency Division Duplexing

Ghép kênh song công phân chia
theo thời tần số

HPA

High-power Amplifier

Bộ khuếch đại công suất lớn

ICI

Inter Carrier interface

Nhiễu liên sóng mang

IEEE

Institute of Electrical and
Electronics Engineers

Viện kỹ sư điện và điện tử

IFFT

Inverse FFT

FFT đảo

IoT

Internet of Things

Mạng lưới kết nối các vật

ISI

Inter Self- interference

Nhiễu tự giao thoa

LAN

Local Area Network

Mạng máy tính nội bộ

LS

Least Square

LTE

Long Term Evolution

MAP

Maximum a posteriori

MC

Multicarrier Communication

Truyền dẫn đa sóng mang

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Đa ngõ vào đa ngõ ra

ML

Maximum Likelihood

Khả giống cực đại

MMSE

Minimum Mean Squared Error

Sai số trung bình bình phương
nhỏ nhất

MSE

Mean square error

Sai số trung bình bình phương

OFDM

Orthogonal Frequency Division Đa truy cập phân chia theo tần số
Multiplexing
trực giao

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Đa truy cập phân chia theo tần số
Multiplexing Access
trực giao

PDP

Power Delay Profile

Công suất trễ nhóm

PHN

Phase Lock Loop

Vịng khóa pha

P/S

Parallel to Serial Converter

Bộ chuyển đổi song song sang nối

C
C

R
L
T.

DU

Kỹ thuật bình phương nhỏ nhất
Sự phát triển dài hạn
Kỹ thuật tối đa hậu nghiệm


10
tiếp
QAM

Quadrature Amplitude
Modulation

Điều chế biên độ vng góc

RF

Radio Frequency

Tần số vơ tuyến

S/P

Serial to Parallel Converter

Bộ chuyển đổi nối tiếp sang song
song

SDMA

Space Division Access

Ghép kênh phân chia theo không
gian

SIS

Intersymbol interference

Nhiễu liên ký tự

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

STBC

Space Time Block Coding

Mã hóa khơng gian thời gian Mã

STTC

Space Time Trellis Code

Hóa Trellis khơng gian thời gian

SVD

Singular value decomposition

Phương pháp phân tích ma trận

TDD

Time Division Duplexing

Ghép kênh song cơng phân chia
theo thời gian

TDMA

Time Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo thời
gian

VCO

Voltage Controlled Oscillator

Bộ dao động điều khiển bằng điện
áp

WiFi

Wireless Fidelity

Mạng khơng dây

WiMAX

Worldwide Interoperability for
Microwave Access

Khả năng khai thác liên mạng
tồn cầu đối với truy cập sóng
ngắn

C
C

R
L
T.

DU

11

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng

Tên Bảng

Trang

Bảng 3.1

Ngưỡng CPE đối với các kiểu điều chế khác nhau

35

Bảng 4.1

Các thông số mô phỏng chung

55

C
C

DU

R
L
T.

12

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin .................................................. 21
Hình 1. 2. Mơ hình hệ thống thơng tin vơ tuyến ......................................................... 21
Hình 1. 3. Hiệu ứng Doppler ...................................................................................... 23
Hình 1. 4. Hiện tượng truyền sóng đa đường.............................................................. 23
Hình 1. 5. Kênh truyền thay đổi theo thời gian ........................................................... 25
Hình 1. 6. Phổ của OFDM và FDM ........................................................................... 26
Hình 1. 7. FDM truyền thống ..................................................................................... 27
Hình 1. 8. Hệ thống thơng tin đa sóng mang .............................................................. 28

C
C

Hình 1. 9. So sánh hai kỹ thuật sóng mang................................................................. 29

R
L
T.

Hình 1. 10. Sơ đồ hệ thống OFDM ............................................................................ 30
Hình 1. 11. Sơ đồ khối hệ thống MIMO-OFDM ........................................................ 31

DU

Hình 2. 1. Truyền dẫn đơn cơng ................................................................................. 35
Hình 2. 2. Truyền dẫn bán song cơng ......................................................................... 35

Hình 2. 3. Mơ hình truyền dẫn song cơng .................................................................. 36
Hình 2. 4. Mơ hình hệ thống song cơng thu phát hai chiều ......................................... 37
Hình 2. 5. Mơ hình hệ thống song cơng dùng node chuyển tiếp ................................. 39
Hình 2. 6. Mơ hình hệ thống song cơng trạm gốc -tế bào ........................................... 40
Hình 3. 1. Nhiễu pha với các giá trị β𝑻𝒔 khác nhau.................................................... 47
Hình 3. 2. Mơ hình bộ dao động PLL ......................................................................... 48
Hình 3. 3. Mơ hình hệ thống bị ảnh hưởng bởi nhiễu pha........................................... 49
Hình 3. 4. Ảnh hưởng của nhiễu pha đến tín hiệu điều chế 16-QAM ......................... 50
Hình 3. 5. Ví dụ về việc truyền pilot liên tục và phân tán ........................................... 52
Hình 3. 6. Kiểu chèn pilot dạng khối .......................................................................... 53
Hình 3. 7. Kiểu chèn pilot dạng lược.......................................................................... 54


13
Hình 3. 8. Sự sắp xếp pilot và mẫu tin có ích ở miền tần số và thời gian .................... 55
Hình 3. 9. Mối liên hệ giữa hiệu ứng Doppler và trễ kênh truyền ............................... 55
Hình 3. 10. Mơ hình hệ thống truyền thông vô tuyến song công đa anten đơn giản .... 63
Hình 4. 1. Sơ đồ khối hệ thống mơ phỏng .................................................................. 72
Hình 4. 2. Lưu đồ thuật tốn mơ phỏng ước lượng kết hợp ........................................ 73
Hình 4. 3. Lưu đồ thuật tốn mơ phỏng MSE ............................................................. 74
Hình 4. 4. Lưu đồ thuật tốn mơ phỏng BER ............................................................. 75
Hình 4. 5. MSE các giá trị ước lượng của kênh truyền biến đổi theo thời gian theo SNR
với các giá trị nhiễu pha khác nhau. ........................................................................... 76

C
C

Hình 4. 6. MSE của các giá trị ước lượng kênh truyền biến đổi theo thời gian và nhiễu
pha theo tốc độ di chuyển tương đối giữa hai node. ................................................... 77

R
L
T.

Hình 4. 7. BER của thuật toán ước lượng kế hợp nhiễu pha và kênh truyền biến đổi

DU

theo thời gian theo SNR. ............................................................................................ 78


14

MỞ ĐẦU
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của kinh tế, xã hội cùng sự tiến bộ của kỹ
thuật thông tin và truyền thông, nhu cầu trao đổi và sử dụng các dịch vụ dữ liệu thông
qua các thiết bị di động ngày càng phát triển nhanh chóng. Điều này thúc đẩy việc
nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến để phát triển thế hệ mạng
không dây tiếp theo với tốc độ truyền dữ liệu cao, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ, hiệu
quả năng lượng cũng như độ trễ truyền dẫn thấp.
Tần số là tài nguyên có hạn nên vấn đề sử dụng phổ tần một cách hiệu quả và
tiết kiệm đang trở thành một mục tiêu quan trọng trong việc thiết kế và xây dựng các
hệ thống thông tin di động. Bên cạnh những giải pháp hiệu quả để tái sử dụng lại phổ

C
C

tần hoặc chia sẻ băng tần giữa các mạng vô tuyến, trong những năm gần đây truyền

R
L
T.

dẫn vô tuyến song công (Full-duplex) nổi lên như một giải pháp mới cho phép truyền
và nhận dữ liệu đồng thời trong cùng một băng tần.

DU

Đây là một công nghệ đầy hứa hẹn cho hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ tiếp
theo; hệ thống truyền dẫn song công khơng chỉ có khả năng tăng gấp đơi hiệu suất phổ,
mà còn giải quyết hiệu quả một số vấn đề quan trọng trong các hệ thống vơ tuyến hiện
có, chẳng hạn như mất lưu lượng do nghẽn, độ trễ các thiết bị đầu cuối lớn. Trở ngại
lớn nhất đối với việc triển khai hệ thống truyền dẫn vô tuyến song công là ảnh hưởng
của nhiễu tự giao thoa (SI) và các yếu tố gây mất đồng bộ như: nhiễu pha PHN (Phase
Noise), độ lệch tần số sóng mang CFO (Carrier Frequency Offset) …
Một số nghiên cứu gần đây trong hệ thống truyền dẫn song công về kỹ thuật ước
lượng kênh truyền kết hợp với giảm nhiễu tự giao thoa sử dụng ước lượng ML
(Maximum-Likelihood) đã đạt được những kết quả khả quan, giúp cải thiện chất lượng
hệ thống. Tuy nhiên, các kết quả trên được xét trong điều kiện lý tưởng về đồng bộ
giữa các sóng mang con, khơng chịu ảnh hưởng bởi nhiễu pha và một số yếu tố gây
mất đồng bộ khác. Do đó, các nghiên cứu trên không thể áp dụng trong hệ thống
truyền dẫn song công khi xét trong điều kiện thực tế.


15

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu kênh truyền biến đổi theo thời gian và ảnh hưởng của nhiễu pha
trong hệ thống truyền dẫn vô tuyến song công.

- Nghiên cứu các thuật tốn ước lượng nhiễu pha.
- Phân tích, đánh giá các kỹ thuật ước lượng trong hệ thống truyền dẫn song
công.
- Kết hợp ước lượng nhiễu pha và ước lượng kênh truyền.
- Đánh giá kết quả các thuật toán xây dựng; từ đó đề nghị phương pháp ước
lượng hoạt động hiệu quả trong hệ thống truyền dẫn song công.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
a. Đối tượng nghiên cứu

C
C

R
L
T.

- Kỹ thuật OFDM

- Hệ thống truyền dẫn vô tuyến, song công.

DU

- Kênh truyền biến đổi theo thời gian.
- Nhiễu pha.

- Kỹ thuật ước lượng.
b. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các thuật toán, giải pháp để thực hiện hiệu quả các kỹ thuật ước
lượng trong hệ thống truyền dẫn vô tuyến thế hệ mới.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu xuyên suốt là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô
phỏng để làm rõ nội dung đề tài. Cụ thể gồm các bước sau:
- Thu thập, phân tích các tài liệu và thơng tin liên quan đến đề tài.
- Tìm hiểu và phân tích hệ thống ghép kênh phân chia theo tần số trực giao
OFDM.
- Phân tích ảnh hưởng của nhiễu pha đến hệ thống truyền dẫn.
- Xem xét các cơng trình liên quan, so sánh và đánh giá các ưu điểm và khuyết
điểm của các phương pháp, kỹ thuật ước lượng trong hệ thống truyền dẫn


16
song cơng, từ đó đề xuất ý tưởng thay đổi và cải thiện các hệ thống đang tồn
tại
- Kiểm tra tính hiệu quả của các phương pháp đề xuất dựa trên việc phân tích
và đánh giá các dữ liệu kết quả so với các phương pháp trước.
- Đánh giá kết quả thực hiện dựa trên mô phỏng.
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, song song với sự phát triển của xã hội, kinh tế và
khoa học kỹ thuật, nhu cầu sử dụng phương tiện di động – vơ tuyến ở nhiều hình thức
khác nhau gia tăng một cách “bùng nổ”. Tài nguyên tần số trở nên cực kỳ khan hiếm.
Các giải pháp kỹ thuật được đề xuất liên tục như phân chia theo thời gian, theo không
gian, theo mã hay nâng tần số truyền cao hẳn lên … nhưng đều không thể đáp ứng

C
C

được so với nhu cầu sử dụng tài nguyên này. Trong bối cảnh này, truyền dẫn song

R
L

T.

công FD (Full-duplex) được xem là một trong các giải pháp hữu hiệu, đem lại hiệu quả
cao về mặt sử dụng phổ. Do vậy, truyền dẫn song công được xem là một trong các kỹ

DU

thuật then chốt trong mạng thông tin di động tiên tiến, đặc biệt là hệ thống thông tin di
động thế hệ thứ 5 (5G). Tuy nhiên, kỹ thuật này còn rất nhiều thách thức ở phía trước.
Cụ thể là việc ước lượng kênh truyền và các kỹ thuật xử lý tín hiệu trước đây gặp khó
khăn khi xuất hiện tín hiệu tự giao thoa SI (self-interference) trong tín hiệu thu từ
chính tín hiệu phát của cùng thiết bị.
Ý nghĩa thực tiển của đề tài là thể hiện được các giải pháp ước lượng kênh trong
hệ thống truyền dẫn song công, là một trong những hướng nghiên cứu mới trong thông
tin vô tuyến hiện nay.
BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI
Nội dung đề tài được chia làm 4 chương
Chương 1 : Tổng quan về kênh truyền vô tuyến và kỹ thuật OFDM
Chương này sẽ trình bày tổng quan về kênh truyền vơ tuyến, các mơ hình và các
yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền vơ tuyến. Ngồi ra chương cịn trình bày
một số khái niệm cơ bản về kỹ thuật OFDM; các đặc tính và ưu nhược điểm của hệ
thống OFDM.


17
Chương 2 : Hệ thống truyền dẫn song công
Chương này sẽ giới thiệu tổng quát về hệ thống truyền dẫn song cơng, cấu tạo
anten và các mơ hình truyền dẫn song cơng điển hình, giới thiệu về nhiễu tự giao thoa
và các kỹ thuật giảm nhiễu này trong hệ thống truyền dẫn song công.
Chương 3 : Kỹ thuật ước lượng trong hệ thống truyền dẫn song công

Chương này sẽ giới thiệu về ước lượng kênh truyền, các thuật toán ước lượng
trong hệ thống truyền dẫn song công bao gồm cả ước lượng nhiễu pha, kết hợp ước
lượng kênh truyền và nhiễu pha để nâng cao chất lượng hệ thống.
Chương 4 : Mô phỏng và thảo luận
Chương sẽ giới thiệu về các lưu đồ thuật tốn mơ phỏng dùng kỹ thuật

C
C

MAP, dùng phương pháp MSE và BER. Phần trọng tâm của chương trình bày các

R
L
T.

kết quả mơ phỏng thuật tốn ước lượng nhiễu pha kết hợp với ước lượng kênh truyền
trong hệ thống truyền dẫn vô tuyến song công.

DU


18

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN VÀ KỸ
THUẬT OFDM
1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà
tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu, với kênh truyền vơ tuyến thì bị ảnh
hưởng rất nhiều yếu tố và khó dự đốn được kết quả.
Gần đây, với sự hội tụ của các công nghệ trên thế giới, kỹ thuật ghép kênh phân

chia theo tần số trực giao OFDM được hướng đến như một công nghệ mới cho truyền
thông tốc độ cao. Đặc biệt, OFDM là một kỹ thuật khá khác biệt so với kỹ thuật điều
chế sử dụng các phương pháp truyền dẫn truyền thống và có nhiều chuẩn mạng khơng
dây hiện nay như Wifi, DVB, Wi-Max, LTE… đã ứng dụng kỹ thuật này.

C
C

Chương này sẽ trình bày tổng quan về kênh truyền vơ tuyến, các mơ hình và các

R
L
T.

yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền vơ tuyến. Ngồi ra chương cịn trình bày
một số khái niệm cơ bản về kỹ thuật OFDM; các đặc tính và ưu nhược điểm của hệ
thống OFDM.

DU

1.2 TÌNH HÌNH HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG HIỆN NAY.
Hiện nay với sự phát triển nhanh chóng của xã hội thì nhu cầu trao đổi
thông tin và yêu cầu về chất lượng thông tin ngày càng cao. Để nâng cao chất
lượng (tốc độ dữ liệu, độ tin cậy của thông tin …) trong viễn thơng có nhiều giải
pháp như : nâng cấp chất lượng đường truyền, nghiên cứu các phương thức mới
để điều chế, tăng công suất thu phát của hệ thống…
Hệ thống thông tin di động thế hệ 3G (Third-Generation) được bắt đầu phát
triển tại Nhật Bản vào tháng 10 năm 2001. Từ đó đến nay 3G đã phát triển nhanh
chóng và đóng một vai trị quan trọng trong việc phát triển các loại hình dịch vụ
đa phương tiện. Những dịch vụ đang được phát triển phổ biến hiện nay như: truy

cập Internet, thương mại điện tử, Email, Video call… Đối tượng sử dụng thông
tin di động rất đa dạng và nhu cầu ngày càng tăng dẫn đến sự ra đời của hệ thống
thông tin thế hệ thứ tư 4G (Fourth-Genneration). 4G có yêu cầu kỹ thuật dung
lượng lớn và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng thông lại không được mở rộng.
Như ta đã biết môi trường truyền dẫn vô tuyến rất phức tạp do suy hao, xen


19
nhiễu, hiệu ứng doppler gây ra nhiều khó khăn cho việc nhận dạng tín hiệu tại
đầu thu. Hiện trạng này thúc đẩy những nghiên cứu về hệ thống đa đầu vào – đa
đầu ra MIMO (Multi Input –Multi Output) và đạt được nhiều thành công đáng kể.
Trong những năm gần đây, song song với sự phát triển của xã hội, kinh tế và
khoa học kỹ thuật, nhu cầu sử dụng phương tiện di động – vơ tuyến ở nhiều hình thức
khác nhau gia tăng một cách “bùng nổ”. Tài nguyên tần số trở nên cực kỳ khan hiếm.
Các giải pháp kỹ thuật được đề xuất liên tục như phân chia theo thời gian, theo không
gian, theo mã hay nâng tần số truyền cao hẳn lên … nhưng đều không thể đáp ứng
được so với nhu cầu sử dụng tài nguyên này. Trong bối cảnh này, truyền dẫn song
công FD (Full-duplex) được xem là một trong các giải pháp hữu hiệu, đem lại hiệu quả
cao về mặt sử dụng phổ. Do vậy, truyền dẫn song công được xem là một trong các kỹ

C
C

thuật then chốt trong mạng thông tin di động tiên tiến, đặc biệt là hệ thống thông tin di

R
L
T.

động thế hệ thứ 5 (5G). Tuy nhiên, kỹ thuật này cịn rất nhiều thách thức ở phía trước.

Cụ thể là việc ước lượng kênh truyền và các kỹ thuật xử lý tín hiệu trước đây gặp khó

DU

khăn khi xuất hiện tín hiệu tự giao thoa SI (Self-Interference) trong tín hiệu thu từ
chính tín hiệu phát của cùng thiết bị.

1.3 KÊNH TRUYỀN VƠ TUYẾN
1.3.1 Tổng quan về kênh truyền vơ tuyến
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà
tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền hữu
tuyến là ổn định và có thể dự đốn được, kênh truyền vơ tuyến là hồn tồn ngẫu nhiên
và khơng hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi qua kênh truyền vô
tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ…,
các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu, ta thu được rất
nhiều kết quả khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của hệ
thống thơng tin vơ tuyến. Do đó việc nắ m vững những đă ̣c tính của kênh truyề n vô
tuyế n là yêu cầ u cơ bản để có thể cho ̣n lựa mô ̣t cách thích hơp̣ các cấ u trúc của hê ̣
thố ng, kích thước của các thành phầ n và các thông số tố i ưu của hê ̣ thố ng.
Hiện tượng fading trong một hệ thống thơng tin có thể được phân thành hai loại:
fading tầm rộng (large-scale fading) và fading tầm hẹp (small-scale fading).


20
Fading tầm rộng diễn tả sự suy yếu của trung bình cơng suất tín hiệu hoặc độ
suy hao kênh truyền là do sự di chuyển trong một vùng rộng. Hiện tượng này chịu ảnh
hưởng bởi sự cao lên của địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát
và máy thu. Người ta nói phía thu được bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê
về hiện tượng fading tầm rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo hàm
của khoảng cách.

Fading tầm hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể ở biên độ và pha tín hiệu. Điều này
xảy ra là do sự thay đổi nhỏ trong vị trí khơng gian (nhỏ khoảng nửa bước sóng) giữa
phía phát và phía thu. Fading tầm hẹp có hai nguyên lý - sự trải trễ thời gian (timespreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh
truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền là biến đổi theo thời gian vì sự di

C
C

chuyển của phía phát và phía thu dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng.

R
L
T.

Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di
động:

DU

- Phản xạ xảy ra khí sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích
thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF.
- Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi
một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng. Nhiễu xạ là hiện
tượng giải thích cho nguyên nhân năng lượng RF được truyền từ phía phát đến phía
thu mà khơng cần đường truyền thẳng. Nó thường được gọi là hiệu ứng chắn
(shadowing) vì trường tán xạ có thể đến được bộ thu ngay cả khi bị chắn bởi vật cản
không thể truyền xuyên qua.
- Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm
cho năng lượng bị trải ra (tán xạ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng. Trong môi
trường thành phố, các vật thể thường gây ra tán xạ như : cột đèn, cột báo hiệu, tán lá…

1.3.2 Mơ hình kênh truyền vơ tuyến
Các phương tiện thơng tin nói chung được chia thành hai phương pháp thơng tin
cơ bản, đó là thơng tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Mạng thông tin vô tuyến ngày
nay đã trở thành một phương tiện thông tin chủ yếu, thuận tiện cho cuộc sống hiện đại.


21

Nguồn tin

Kênh tin

Nhận tin

Hình 1. 1. Sơ đồ khối chức năng hệ thống truyền tin
Trong mạng thông tin vô tuyến ngồi nguồn tin và nhận tin thì kênh truyền là
một trong ba khâu quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp. Nó là mơi
trường để truyền thơng tin từ máy phát đến máy thu.
Mơ hình kênh

Nguồn tin

Mã hoá nguồn

Mã hoá kênh

(Source coding)

(Channel coding)

C
C

ak 

R
L
T.  

DU

ak,

(Discrete
channel)
Điều chế
(Modulation)
Kênh vơ tuyến
(Channel)

Tín hiệu đích

Giải mã hố nguồn

Giải mã hố kênh

Giải điều chế

(Destination)

(Source
decoding)

(Channel
decoding)

(Demodulation)

Hình 1. 2. Mơ hình hệ thống thơng tin vơ tuyến
Hình 1.2 thể hiện một mơ hình đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến.
Nguồn tin trước hết qua mã hố nguồn để giảm các thơng tin dư thừa, sau đó được mã
hố kênh để chống các lỗi do kênh truyền gây ra. Tín hiệu sau khi qua mã kênh được
điều chế để có thể truyền tải đi xa. Các mức điều chế phải phù hợp với điều kiện của
kênh truyền. Sau khi tín hiệu được phát đi ở máy phát, tín hiệu thu được ở máy thu sẽ
trải qua các bước ngược lại so với máy phát. Kết quả tín hiệu được giải mã và thu lại
được ở máy thu. Chất lượng tín hiệu thu phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền và các
phương pháp điều chế và mã hố khác nhau. Do đó ngày nay các kỹ thuật mới ra đời
nhằm cải thiện chất lượng kênh truyền nói riêng và mạng vơ tuyến nói chung.


22
1.3.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền
a) Suy hao đường truyền
Mô tả sự suy giảm công suấ t trung bình của tín hiê ̣u khi truyề n từ máy phát đế n
máy thu. Sự giảm công suấ t do hiê ̣n tươṇ g che chắ n và suy hao có thể khác phục bằng
các phương pháp điề u khiể n công suấ t.
b) Nhiễu AWGN
Tạp âm trắng Gauss là loại nhiễu phổ biến nhất trong hệ thống truyền dẫn. Loại
nhiễu này có mật độ phổ cơng suất là đồng đều trong cả băng thông và tuân theo phân
bố Gauss. Theo phương thức tác động thì nhiễu Gauss là nhiễu cộng. Vậy dạng kênh

truyền phổ biến là kênh truyền chịu tác động của nhiễu Gauss trắng cộng. Nhiễu nhiệt

C
C

(sinh ra do sự chuyển động nhiệt của các hạt mang điện gây ra) là loại nhiễu tiêu biểu

R
L
T.

cho nhiễu Gauss trắng cộng tác động đến kênh truyền dẫn. Đặc biệt, trong hệ thống
OFDM, khi số sóng mang phụ là rất lớn thì hầu hết các thành phần nhiễu khác cũng có

DU

thể được coi là nhiễu Gauss trắng cộng tác động trên từng kênh con vì xét trên từng
kênh con riêng lẻ thì đặc điểm của các loại nhiễu này thỏa mãn các điều kiện của nhiễu
Gauss trắng cộng.

c) Hiệu ứng Doppler
Do sự di chuyển giữa máy phát và máy thu, mỗi sóng mang bị dịch đi một
lượng tần số. Tần số sẽ tăng lên khi máy phát tiến về phía máy thu và sẽ giảm đi khi
máy phát đi ra xa máy thu. Sự dịch tần của tín hiệu thu do sự di chuyển tương ứng đó
gọi là hiệu ứng Doppler. Hiệu ứng này tỉ lệ với tốc độ của thiết bị di dộng. Tại một
trạm với một tín hiệu đơn âm tần số fc được phát đi và một tín hiệu thu được với duy
nhất một sóng tới có góc tới θ so với hướng di chuyển của xe như trong Hình 1.3. Khi
đó ta có sự thay đổi về pha giữa 2 điểm X và Y là:

∆ф =

2𝜋
𝜆

∆𝑙 =

2𝜋
𝜆

∆𝑙.cosϴ

(1.1)

Lượng dịch tần Doppler của tín hiệu thu được cho bởi công thức:

fd =

1 Δф
2𝜋 Δ𝑡

𝑣

= cosϴ = fm cosϴ
𝜆

(1.2)


23
Trong đó fc, λ, c lần lượt là tần số sóng mang, bước sóng sóng mang và vận tốc

ánh sáng và dịch Doppler cực đại được tính như sau:
𝑣

fm =

𝜆

=v

𝑓𝑐

(1.3)

𝑐

C
C

Hình 1. 3. Hiệu ứng Doppler

R
L
T.

d) Hiệu ứng đa đường (Multipath)

DU
Trạm gốc

Tán xạ

Phản xạ

Truyền thẳng
Che khuất
Khúc xạ

Trạm di động

Tán xạ

Hình 1. 4. Hiện tượng truyền sóng đa đường
Trong một hệ thống thơng tin vơ tuyến, các sóng bức xạ điện từ thường không
bao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu. Điều này xảy ra là do giữa nơi phát và nơi