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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ - TIN HỌC - TỰ ĐỘNG HOÁ THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2012 - BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ CÔNG THƯƠNG VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ - TIN HỌC - TỰ ĐỘNG HOÁ THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN Chuyên ngành : Kỹ thuật Viễn thông Mã số : 62 52 70 05 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2012 - i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án: "Thuật toán ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến" là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực, một phần đã được công bố trên các tạp chí khoa học chuyên ngành, kỷ yếu hội nghị khoa học trong nước và quốc tế. Phần còn lại chưa được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào. Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2012 NGHIÊN CỨU SINH Phạm Duy Phong ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Vũ Văn Yêm người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án. Đặc biệt, sự chỉ bảo tận tình và tạo điều kiện thuận lợi trong các hoạt động nghiên cứu khoa học của PGS.TS. Vũ Văn Yêm có ý nghĩa vô cùng to lớn để tôi có thể hoàn thành Luận án này. Xin trân trọng cảm ơn GS.TSKH. Nguyễn Xuân Quỳnh đã định hướng và có những chỉ dẫn quan trọng khi xây dựng đề cương nghiên cứu, cũng như trong quá trình thực hiện Luận án. Xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của Viện Nghiên cứu Điện tử- Tin học- Tự động hóa trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Viện. Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Điện lực đã hỗ trợ, giúp đỡ để tôi có điều kiện và thời gian học tập, nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và người thân đã giúp đỡ, chia sẻ, khích lệ, động viên để tôi có thể hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày 05 tháng 12 năm 2012 NGHIÊN CỨU SINH Phạm Duy Phong iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................... i MỤC LỤC ................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ...................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................... xi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU............................................................ xiii MỞ ĐẦU ....................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ƯỚC LƯỢNG CÁC THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN .....................9 1.1. Tổng quan về ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến .................................................................................................9 1.2. Kỹ thuật ước lượng DOA ...................................................................11 1.2.1. Điều kiện và những thông số ảnh hưởng đến việc ước lượng DOA ................................................................................................... 11 1.2.2. Công thức tổng quát của bài toán DOA..................................... 12 1.2.3. Phương trình ma trận cho dàn ăng ten ....................................... 15 1.2.4. Ma trận hiệp phương sai của tín hiệu thu từ dàn ăng ten: .......... 15 1.2.5. Thuật toán ước lượng DOA....................................................... 17 1.2.6. Ước lượng DOA của các tín hiệu tương quan............................ 17 1.3. Kỹ thuật ước lượng tần số CFO và FDOA..........................................21 1.3.1. Kỹ thuật ước lượng CFO........................................................... 21 1.3.2. Kỹ thuật ước lượng FDOA........................................................ 22 1.4. Kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng.....................24 1.4.1. Kỹ thuật phân tập ở phía thu ..................................................... 24 1.4.2. Kỹ thuật cảm nhận phổ kết hợp................................................. 26 1.5. Đặt vấn đề nghiên cứu:.......................................................................27 Kết luận chương 1 .....................................................................................28 iv CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG MỘT THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN...........................29 2.1. Đề xuất thuật toán ước lượng FDOA với độ phân giải cao cho hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến........................................................................29 2.1.1. Tổng quan chung về thuật toán ................................................. 29 2.1.2. Mô hình toán học ...................................................................... 30 2.1.3. Kết quả mô phỏng..................................................................... 32 2.1.4. Phân tích độ phân giải của thuật toán ........................................ 34 2.1.5. Nhận xét.................................................................................... 37 2.2. Đề xuất giải pháp ước lượng dịch tần sóng mang CFO trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO .........................................................................38 2.2.1. Giới thiệu .................................................................................. 38 2.2.2. Mô hình hệ thống ...................................................................... 40 2.2.3. Đề xuất phương pháp ước lượng dịch tần số ............................. 41 2.2.4. Kết quả mô phỏng..................................................................... 43 2.3. Đề xuất kiến trúc hệ thống thu cho bài toán ước lượng DOA .............46 2.3.1. Giới thiệu .................................................................................. 46 2.3.2. Hệ thống tìm hướng đơn kênh và xử lý tín hiệu ........................ 48 2.3.3. Kết quả mô phỏng..................................................................... 51 2.3.4. Nhận xét.................................................................................... 52 Kết luận chương 2 .....................................................................................53 CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG ĐỒNG THỜI NHIỀU THAM SỐ CỦA TÍN HIỆU TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN.....................................................................................................54 3.1. Thuật toán ước lượng đồng thời hướng sóng tới trong mặt phẳng phương vị, tần số Doppler và trễ truyền sóng ............................................54 3.1.1. Giới thiệu .................................................................................. 54 3.1.2. Xử lý tín hiệu không gian - thời gian và tần số.......................... 55 v 3.1.3. Kết quả mô phỏng..................................................................... 59 3.2. Thuật toán ước lượng đồng thời hướng sóng tới theo góc phương vị và góc ngẩng..................................................................................................63 3.2.1. Giới thiệu .................................................................................. 63 3.2.2. Quy trình ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu trong mặt phẳng phương vị và mặt phẳng đứng............................................................. 64 3.2.3. Kết quả mô phỏng..................................................................... 66 Kết luận chương 3 .....................................................................................69 CHƯƠNG 4: GIẢI PHÁP CẢM NHẬN PHỔ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ĐA ĂNG TEN ...............................................72 4.1. Đề xuất kỹ thuật cảm nhận phổ dựa trên các tham số ước lượng ........73 4.1.1. Giới thiệu .................................................................................. 73 4.1.2. Mô hình hệ thống và bộ tách sóng năng lượng .......................... 74 4.1.3. Máy thu vô tuyến nhận thức...................................................... 76 4.1.4. Ước lượng tín hiệu, nhiễu và các tham số không tập trung........ 79 4.1.5. Kết quả mô phỏng..................................................................... 81 4.2. Đề xuất giải pháp cảm nhận phổ dùng kỹ thuật xử lý song song và luật OR ............................................................................................................84 4.2.1. Giới thiệu .................................................................................. 84 4.2.2. Các máy thu vô tuyến nhận thức đa ăng ten và đơn ăng ten ...... 85 4.2.3. Hệ thống sử dụng kỹ thuật xử lý song song và luật OR ............. 89 4.2.4. Hệ thống đề xuất sử dụng hai ăng ten........................................ 90 4.2.5. Kết quả mô phỏng..................................................................... 93 Kết luận chương 4 .....................................................................................96 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .................................................97 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ .................................99 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................100 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT STT Viết tắt Tiếng Anh to Tiếng Việt 1 ADC Analog Converter Digital Bộ biến đổi tương tự - số 2 ABF Adaptive Beam-Forming Định dạng búp sóng thích nghi 3 AOA Angle of Arrival Góc sóng tới 4 AR Autoreg Ressive Tự hồi quy 5 ARMA Autoregressive Average 6 AWGN Additive White Gaussian Nhiễu Gauss trắng cộng Noise 7 BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít 8 BLER Block Error Rate Tỷ lệ lỗi khối 9 CDF Cumulative Function 10 CFO Carrier Frequency Offset 11 CFR Channel Response 12 CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung của kênh 13 CNR Carrier to Noise Ratio Tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm 14 CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức 15 CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh 16 CSM Coherent Signal Subspace Phương pháp không gian con tín Method hiệu tương quan 17 DF Direction Finding 18 DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc 19 DIV Diversity Moving Tự hồi quy trung bình động Distribution Hàm phân bố tích luỹ Dịch tần số sóng mang Frequency Đáp ứng tần số của kênh Tìm hướng Phân tập vii STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 20 DOA Direction Of Arrival Hướng sóng tới 21 DOD Direction Of Departure Hướng sóng đi 22 DS Discrete Source Nguồn rời rạc 23 DSP Digital Signal Processing Xử lý tín hiệu số 24 EGC Equal Gain Combining Kết hợp tăng ích đều 25 ES Extended Source Nguồn mở rộng 26 ESPRIT Estimation of Signal Ước lượng tham số tín hiệu dựa Parameters via Rotational vào kỹ thuật bất biến quay Invariance Techniques 27 FBSS Forward-Backward Spatial Làm mượt miền không gian Smoothing thuận nghịch 28 FDD Frequency Duplex 29 FDOA Frequency Difference Of Dịch tần sóng tới Arrival 30 FFT Fast Fourier Transform 31 HLST Horizontal Layered Space Không gian Thời gian phân tầng Time ngang 32 HLSTC Horizontal Layered Space Mã không gian thời gian phân Time Code tầng ngang 33 I.I.D Independently Identically Phân bố độc lập giống nhau Distributed 34 ICI Inter Carrier Interference 35 IDFT Inverse Discrete Fourier Biến đổi Fourier ngược rời rạc Transform 36 IFFT Inverse Fast Transform 37 ISI Inter Symbol Interference Division Song công phân chia theo tần số Biến đổi Fourier nhanh Nhiễu liên sóng mang Fourier Biến đổi Fourier ngược nhanh Nhiễu liên ký hiệu viii STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 38 ISM Industrial, Scientific and Y tế, khoa học và công nghiệp Medical 39 LMMSE Linear Minimum Square Error 40 LMS Least Mean Square Trung bình bình phương nhỏ nhất 41 LOS Line Of Sight Tầm nhìn thằng 42 LS Least Squares Bình phương cực tiểu 43 LST Layered Space Time Không gian thời gian theo tầng 44 LSTC Layered Space Time Code Mã không gian thời gian theo tầng 45 MAI Multiple Interference 46 MAP Maximum Probability 47 MIMO Multiple Output Input Multiple Nhiều đầu vào nhiều đầu ra 48 MISO Multiple Output Input Single Nhiều đầu vào một đầu ra 49 ML Maximum Likelihood 50 MLSE Maximum Likelihood Phương pháp ước lượng chuỗi Sequence Estimation khả năng lớn nhất 51 MMSE Minimum Mean Square Lỗi bình phương trung bình tối Error thiểu 52 MPC Multi- Path Components 53 MRC Maximum Ratio Combing Kết hợp tỷ số tối đa 54 MSE Mean Square Error 55 MSS Modified Smoothing Mean Lỗi bình phương tối thiểu tuyến tính Antenna Nhiễu đa ăng ten Tối đa hậu nghiệm Khả năng lớn nhất Các thành phần đa đường Lỗi bình phương trung bình Spatial Phương pháp làm mượt miền không gian cải tiến ix STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 56 MUSIC MUltiple Classification 57 MVDR Minimum Variance Đáp ứng không méo phương sai Distortionless Response cực tiểu 58 OFDM Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo tần số Division Multiplexing trực giao 59 PDF Probability Function 60 PPM Parts Per Million Phần triệu 61 PSD Power Spectrum Density Mật độ phổ công suất 62 QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ 63 RF Radio Frequency Tần số vô tuyến 64 RMS Root Mean Square Căn quân phương 65 RMSE Root Mean Square Error Lỗi căn quân phương 66 RT Ray Tracing Thuật toán tìm tia 67 SC Selection Combining Kỹ thuật kết hợp lựa chọn 68 SDR Software Defined Radio Vô tuyến xác định bằng phần mềm 69 SIR Signal Ratio 70 SISO Single Input Single Output Một đầu vào một đầu ra 71 SM Spatial Multiplexing Ghép kênh không gian 72 SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm 73 SDMA Space Access Division Multi Đa truy nhập phân chia theo không gian 74 SS Spatial Smoothing Kỹ thuật làm mịn miền không gian 75 STBC Space Time Block Code Mã hóa khối không gian thời to SIgnal Phân loại tín hiệu đa đường Density Hàm mật độ xác suất Interference Tỷ số tín hiệu trên nhiễu x STT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt gian 76 STC Space Time Coding Mã hóa không gian thời gian 77 STS Space Time Spreading Trải phổ không gian thời gian 78 STTC Space Time Trellis Code Mã hóa xoắn không gian thời gian thời gian 79 SVD Singular Decomposition 80 TDD Time Division Duplex 81 TDMA Time Division Access 82 TLS Total Least Squares Tổng bình phương cực tiểu 83 TOA Time Of Arrival Thời gian tới 84 TOPS Test of orthogonality of Kiểm tra tính trực giao của projected subspaces không gian con hình chiếu 85 UE User Equipment Thiết bị đầu cuối 86 ULA Uniform Linear Array Dàn ăng ten đồng dạng tuyến tính 87 VLST Vertical Time Layered Space Không gian thời gian phân tầng ngang 88 VLSTC Vertical Layered Time Code Space Lập mã không gian thời gian phân tầng ngang 89 ZF Zero Forcing 90 WLAN Wire Local Area Network Mạng cục bộ không dây Value Phân tích giá trị riêng Song công phân chia theo thời gian Multiple Đa truy nhập phân chia theo thời gian Ép về giá trị không xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mô hình sóng truyền lan nhận được bởi các phần tử ăng ten tuyến tính đồng nhất bố trí trên một đường thẳng ...............................................13 Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống thu ước lượng hướng sóng tới .................. 13 Hình 1.3. Giản đồ sắp xếp các giá trị riêng tín hiệu.................................. 17 Hình 2.1: Mô hình hệ thống MIMO ......................................................... 30 Hình 2.2: Kết quả mô phỏng sử dụng thuật toán 1 ................................... 33 Hình 2.3: Kết quả mô phỏng sử dụng thuật toán 2 ................................... 33 Hình 2.4: Kết quả mô phỏng sử dụng FFT ............................................... 34 Hình 2.5: Ảnh hưởng của SNR lên độ phân giải tần số ............................ 35 Hình 2.6: Độ phân giải của FFT............................................................... 37 Hình 2.7: Độ phân giải của thuật toán 1 đề xuất....................................... 37 Hình 2.8: Mô hình hệ thống MIMO để ước lượng CFO ........................... 40 Hình 2.9: RMS của f0 đã ước lượng theo số lượng ăng ten phát khác nhau ................................................................................................................. 44 Hình 2.10: Các kết quả mô phỏng cho thuật toán MUSIC........................ 45 Hình 2.11: Độ phân giải tần số của thuật toán MUSIC............................. 46 Hình 2.12: Hệ thống tìm hướng đơn kênh ................................................ 48 Hình 2.13: Xử lý tín hiệu số..................................................................... 49 Hình 2.14: Kết quả ước lượng với 2 tín hiệu không tương quan............... 51 Hình 3.1. Mô hình sóng phẳng trong dàn ăng ten đồng dạng tuyến tín bố trí theo một đường thẳng .......................................................................... 55 Hình 3.2 Sơ đồ tính ma trận hiệp phương sai của R̂ XX-SS cho N = 6, M = 7, subL = 2 và subM = 4 .............................................................................. 59 Hình 3.4. Hiển thị 3D kết quả ước lượng với 6 tín hiệu tương quan khi chưa áp dụng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến.................................. 61 Hình 3.5: Hiển thị 3D kết quả ước lượng với 6 tín hiệu tương quan khi áp dụng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến............................................... 62 xii Hình 3.6: Ước lượng tần số Doppler bằng MUSIC và 3D-SS cải tiến ...... 63 Hình 3.7: Dàn ăng ten phẳng cho việc ước lượng hướng sóng tới DOA... 64 Hình 3.8. Sơ đồ các phẩn tử của Rxx được tính toán và lựa chọn các mảng con My= 6, Mz = 7, subMy = 2 và subMz = 4. ............................................ 66 Hình 3.9. Kết quả mô phỏng 3D cho một tín hiệu ở ( , )  (45 o ,35) ........ 68 Hình 3.10. Kết quả mô phỏng 3D cho ba tín hiệu không tương quan tới các góc (-40°, 20°), (0°, 40°), (40°, 60°)......................................................... 68 Hình 3.11. Kết quả ước lượng góc phương vị và góc ngẩng của các nguồn tín hiệu tương quan khi không dùng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến69 Hình 3.12. Kết quả mô phỏng 3D cho ba tín hiệu không tương quan tới các góc (-30°, 20°), (0°, 40°), (40°, 70°) khi áp dụng kỹ thuật làm mịn không gian cải tiến.............................................................................................. 69 Hình 4.1: Bộ tách sóng năng lượng trong cảm nhận phổ .......................... 74 Hình 4.2: Sơ đồ hệ thống sử dụng trọng số lượng tử ................................ 78 Hình 4.3: Trọng số lượng tử được chọn ngẫu nhiên ................................. 81 Hình 4.4: PDF của giá trị kiểm tra trong 3 mô hình.................................. 82 Hình 4.5:Hoạt động của ba hệ thống khi cố định PFA ............................... 82 Hình 4.6: Hoạt động của 3 hệ thống khi cố định PMD và thay đổi SNR..... 83 Hình 4.7: Hoạt động của 3 hệ thống khi cố định SNR và thay đổi PFA ..... 83 Hình 4.8: Kỹ thuật xử lý song song trong cảm nhận phổ.......................... 89 Hình 4.9: Hệ thống đề xuất ...................................................................... 91 Hình 4.10: Tín hiệu thu được trong hệ thống kết hợp............................... 92 Hình 4.11: PFA = 0.01 và 2T = 10 mẫu ..................................................... 94 xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Các thông số ảnh hưởng tới độ phân giải .................................. 36 Bảng 4.1: PFA = 0,001 và 2T = 30 mẫu...................................................... 94 Bảng 4.2: PFA = 0,005 và SNR = -5 dB ..................................................... 95 Bảng 4.3: PD = 0,95 và SNR = -3 dB ........................................................ 95 1 MỞ ĐẦU Trong thời đại phát triển bùng nổ của các hệ thống thông tin vô tuyến, nhu cầu về chất lượng, dung lượng, các dịch vụ đa phương tiện và tính đa dạng trong các hệ thống thông tin không dây như thông tin di động, internet đang tăng lên một cách nhanh chóng trên phạm vi toàn thế giới. Tuy nhiên, phổ tần số vô tuyến là hữu hạn, muốn tăng dung lượng bắt buộc phải tăng hiệu quả sử dụng phổ tần số. Vì vậy, việc nghiên cứu, ứng dụng các công nghệ và kỹ thuật tiên tiến để đáp ứng nhu cầu này luôn là một đòi hỏi cấp thiết. Một trong những kỹ thuật có thể giúp cải thiện đáng kể chỉ tiêu, dung lượng, tốc độ dữ liệu đỉnh và phạm vi liên lạc của hệ thống được tập trung nghiên cứu trên thế giới trong thời gian gần đây chính là kỹ thuật đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multiple Input Multiple Output) hay kỹ thuật sử dụng nhiều ăng ten phát và nhiều ăng ten thu. Hệ thống MIMO có thể xem như một hệ thống ghép nhiều kênh con một đầu vào một đầu ra SISO (Single Input Single Output) hay hệ thống đơn ăng ten. Dung lượng kênh của hệ thống MIMO là tổng hợp dung lượng của các kênh con thành phần. Dung lượng kênh MIMO bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi phân bố tăng ích đặc trưng của các kênh con SISO. Giải pháp sử dụng nhiều phần tử ăng ten tại cả máy thu và máy phát cho phép khôi phục dữ liệu phát tốt hơn, cải thiện quá trình tách dữ liệu của người sử dụng. Hai mô hình MIMO cơ bản đó là mã hóa không gian thời gian STC (Space Time Coding) và ghép kênh phân chia không gian SM (Spatial Multiplexing). Mã hóa không gian thời gian được dùng để làm tối đa phân tập không gian trong các kênh MIMO. MIMO sử dụng nhiều ăng ten phát và nhiều ăng ten thu để mở thêm các kênh truyền trong miền không gian. Do các kênh song song được mở ra cùng thời gian, cùng tần số, nên đạt được tốc độ dữ liệu cao mà không cần băng thông lớn. Nói một cách khác là nhờ sử dụng nhiều phần tử ăng ten ở cả phía phát và phía thu, mà kỹ thuật này cho phép sử dụng hiệu quả phổ 2 tần số cho hệ thống thông tin vô tuyến, cải thiện tốc độ dữ liệu, dung lượng kênh truyền cũng như độ tin cậy so với các hệ thống truyền thông đơn ăng ten bằng cách xử lý theo cả hai miền không gian và thời gian. Trong thời gian gần đây, các nghiên cứu trên thế giới ngày càng quan tâm nhiều đến các hệ thống thông tin vô tuyến MIMO [7]-[17]. Trong đó có nhiều hướng nghiên cứu giải quyết các vấn đề khác nhau như bài toán dung lượng kênh MIMO, bài toán ước lượng kênh truyền, bài toán mã hóa không gian thời gian, xử lý tín hiệu không gian thời gian,... Trong hệ thống thông tin vô tuyến đa ăng ten này, ngoài các tham số của tín hiệu trong miền thời gian, miền tần số như trong các hệ thống thông tin vô tuyến truyền thống thì các tham số về không gian như hướng sóng tới, hướng sóng đi,… là các tham số đóng vai trò rất quan trọng cần được ước lượng. Bên cạnh đó, việc ước lượng đồng thời hai tham số của tín hiệu tới sẽ mang lại nhiều lợi thế như hạn chế được số phần tử ăng ten sử dụng trong dàn, sẽ tiết kiệm chi phí, giảm giá thành hệ thống. Do đó, nghiên cứu các thuật toán ước lượng các tham số của tín hiệu trong miền không gian, thời gian và tần số trong hệ thống thông tin vô tuyến đa ăng ten cũng như ước lượng đồng thời hai hay nhiều tham số đang là bài toán luôn được đặt ra và đóng vai trò quan trọng trong hệ thống. Nghiên cứu tập trung nhiều vào xử lý tín hiệu không gian thời gian, tần số trong hệ thống dùng nhiều ăng ten ở cả phía phát và phía thu, để nâng cao chất lượng, dung lượng của hệ thống và giảm nhiễu trên cơ sở đa truy nhập phân chia theo không gian SDMA (Space Division Multiplexing Access) [18]- [21]. Nghiên cứu các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến, nghiên cứu tìm ra các thuật toán với độ phân giải cao để ước lượng chính xác các tham số của tín hiệu không tương quan và tín hiệu tương quan trong cả miền không gian, thời gian và tần số đang là chủ đề nghiên cứu được các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Ở trong nước, tại một số trường đại học, viện nghiên cứu đang thực hiện các nghiên cứu khoa học về xử lý tín hiệu, 3 việc ước lượng kênh truyền cũng như các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến, di động tiên tiến. Một số nghiên cứu gần đây tập trung vào bài toán cấp phát kênh động cho hệ thống thông tin di động sử dụng công nghệ MIMO- OFDMA [1], tuy nhiên tác giả chưa đề cập đến bài toán ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống mà hầu như chỉ tập trung vào vấn đề đa truy nhập, cấp phát kênh trong hệ thống. Còn trong nghiên cứu [4] tác giả lại chỉ tập trung vào vấn đề mã hóa, san bằng kênh trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO. Các nghiên cứu gần đây liên quan trực tiếp đến bài toán ước lượng tham số không gian hướng sóng tới phải kể đến là [2, 3, 5, 6]. Tuy nhiên, việc ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống chủ yếu mới dừng lại ở một tham số hướng sóng tới trong mặt phẳng phương vị của các tín hiệu không tương quan mà chưa xử lý đối với tín hiệu tương quan và chưa đề cập đến mô hình máy thu cụ thể. Trong các hệ thống thông tin di động tiên tiến ở đó tín hiệu cần ước lượng bao gồm cả miền không gian, miền thời gian và miền tần số, việc ước lượng một tham số của tín hiệu bị hạn chế bởi độ phân giải của hệ thống. Do đó, nghiên cứu đề xuất phương pháp ước lượng đồng thời nhiều tham số của tín hiệu không tương quan và tương quan cũng như phát triển các kiến trúc máy thu mới hướng đến mô hình máy thu thông minh tự cấu hình trong hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ tiếp theo là rất cần thiết. Ngoài ra, do sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vô tuyến, vấn đề khan hiếm phổ đang giành được sự chú ý. Hiện tại nhiều hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng việc cấp phát phổ cố định như hệ thống WiMAX, WLAN, ISM hay trong hệ thống thông tin di động tế bào. Việc cấp phát phổ cố định nảy sinh hai vấn đề: Một là sự khan hiếm tài nguyên phổ tần số, thứ hai là người sử dụng phổ thường có tính chất thay đổi theo không gian và thời gian, vì vậy cấp phát phổ cố định chưa đạt được hiệu suất sử dụng phổ mong muốn. Vô tuyến nhận thức là một công nghệ vô tuyến có khả năng cảm nhận về môi trường và tự động điều chỉnh các thông số cho 4 phù hợp với môi trường. Đó chính là giải pháp cho vấn đề khan hiếm phổ hiện nay. Trong mạng vô tuyến nhận thức, hệ thống tận dụng nguồn tài nguyên phổ bằng mô hình sử dụng phổ động thay vì kỹ thuật cấp phát phổ cố định như trước đây. Để thực hiện được kỹ thuật này, vô tuyến nhận thức phải xác định được tín hiệu người dùng sơ cấp có tồn tại hay không bằng cách cảm nhận môi trường phổ. Kỹ thuật cảm nhận phổ có thể được chia thành 4 hướng chính [22]- [24]: Xác định "lỗ trống phổ" dựa trên sự kết hợp; xác định lỗ trống phổ dựa trên nhiễu; xác định ở phía phát và xác định ở phía thu. Trong số các kỹ thuật xác định "lỗ trống phổ" ở phía phát, người ta thường sử dụng mô hình có bộ tách sóng năng lượng (energy detector) do chúng cấu trúc khá đơn giản và phù hợp với những đòi hỏi chung về thời gian cảm nhận phổ không quá dài song cũng đạt được độ chính xác nhất định. Bộ xác định dựa trên năng lượng của tín hiệu để đưa ra quyết định về sự tồn tại của tín hiệu người dùng sơ cấp mà không đòi hỏi thông tin trước đó về pha của tín hiệu hay phương thức điều chế. Để có thể cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống xác định lỗ trống phổ dựa trên năng lượng, thường sử dụng hệ thống nhiều ăng ten (multiple antennas) với các kỹ thuật tổng hợp tín hiệu khác nhau, như kỹ thuật kết hợp tỷ số tối đa (MRC- Maximum Ratio Combining), kỹ thuật kết hợp tăng ích đều (EGC- Equal Gain Combining),..., đem lại hiệu quả hoạt động khác nhau cho toàn hệ thống. Hạn chế đối với hệ thống xác định dựa trên năng lượng là nó vẫn đòi hỏi thông tin trạng thái kênh truyền (Channel State Information) như phương sai của nhiễu,… Một vài nghiên cứu gần đây [24] cũng đưa ra được những phương án giải quyết, tuy nhiên kết quả còn chưa được như mong muốn. Luận án này được tiến hành nhằm đề xuất các giải pháp, thuật toán để ước lượng các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin, định vị vô tuyến một cách tách biệt và đồng thời hai hay nhiều tham số của tín hiệu không tương quan và tương quan với độ phân giải và tính chính xác cao. 5 Luận án nghiên cứu về kỹ thuật cảm nhận phổ sử dụng nhiều ăng ten và bộ tách sóng năng lượng trong hệ thống vô tuyến nhận thức, đi vào kỹ thuật xử lý, tính toán mới để tổng hợp nên tín hiệu từ nhiều ăng ten. Hoạt động của các hệ thống đề xuất được xây dựng trên cơ sở toán học và kết quả mô phỏng so sánh giữa những mô hình đề xuất với mô hình truyền thống thực hiện bằng MATLAB. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu tìm ra các giải pháp, thuật toán, mô hình mới ước lượng các tham số của tín hiệu không tương quan và tương quan trong miền thời gian, miền tần số, cảm nhận phổ và miền không gian trong hệ thống thông tin vô tuyến, định vị vô tuyến tiên tiến. Luận án tập trung nghiên cứu bài toán ước lượng một tham số riêng lẻ và ước lượng đồng thời nhiều tham số dùng giải thuật có độ phân giải cao. Ngoài ra, luận án cũng nghiên cứu đề xuất các kỹ thuật cảm nhận phổ trong hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến sử dụng nhiều ăng ten. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu chính của luận án là: - Hệ thống thông tin, định vị vô tuyến sử dụng một và nhiều ăng ten. - Ăng ten mảng và ứng dụng trong hệ thống thông tin, định vị vô tuyến. - Xử lý tín hiệu miền không gian, thời gian và tần số trong hệ thống thông tin, định vị vô tuyến tiên tiến. - Các kỹ thuật ước lượng một tham số, nhiều tham số của tín hiệu không tương quan và tương quan. - Hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức và kỹ thuật cảm nhận phổ. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu của luận án bao gồm việc nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mô hình, đề xuất, cải tiến các thuật toán kết hợp với mô phỏng trên máy tính.