Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử giải pháp ước lượng kênh truyền sử dụng kỹ thuật lặp theo thuật toán expectation maximization trong hệ thống ofdm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện tử đề xuất giải pháp ước lượng kênh truyền bằng kỹ thuật lặp theo thuật toán Expectation Maximization trong hệ thống OFDM.

• Tác giả: Phan Minh Mẫn
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Hồng Liên
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Giải pháp ước lượng kênh truyền sử dụng kỹ thuật lặp theo thuật toán Expectation Maximization trong hệ thống OFDM
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH SÁCH BẢNG BIỂU VÀ HÌNH VẼ
• CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ GIẢI QUYẾT VẤN ĐỀ
• 1.1. Các vấn đề cơ bản của kênh truyền
• 1.2. Suy hao đường truyền
• 1.3. Hiệu ứng đa đường
• 1.4. Fading lựa chọn tần số
• 1.5. Kỹ thuật điều chế phân chia tần số trực giao
• 1.5.1. Nguyên lý cơ bản của OFDM
• 1.5.2. Sơ đồ khối hệ thống OFDM
• 1.5.2.1. Ánh xạ điều chế
• 1.5.2.2. Bộ chuyển đổi nối tiếp – song song
• 1.5.2.3. Chuyển đổi miền tần số sang miền thời gian
• 1.5.2.4. Chèn khoảng bảo vệ
• 1.5.3. Ưu điểm - nhược điểm của hệ thống OFDM
• 1.5.3.1. Ưu điểm của hệ thống OFDM
• 1.5.3.2. Nhược điểm của hệ thống OFDM
• 1.5.4. Thuật toán giải mã
• 1.5.5. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: CĂN BẢN VỀ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN
• 2.1. Giới thiệu chương
• 2.2. Hệ thống ước lượng kênh truyền
• 2.2.1. Sơ đồ hệ thống ước lượng kênh truyền
• 2.2.2. Cấu trúc Pilot được chèn vào dữ liệu
• 2.2.2.1. Block type pilot
• 2.2.2.2. Comb type pilot
• 2.2.3. Kỹ thuật nội suy trong ước lượng kênh truyền sử dụng chuỗi huấn luyện dạng lược (comb pilot)
• 2.2.3.1. Nội suy nearest neighbor
• 2.2.3.2. Nội suy tuyến tính (linear interpolation)
• 2.2.3.3. Nội suy bậc 2 (second order)
• 2.2.3.4. Nội suy lowpass
• 2.2.3.5. Nội suy spline cubic
• 2.2.4. Mô hình kênh truyền ITU sử dụng cho WiMAX di động
• 2.2.5. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BỘ LỌC KALMAN VÀO ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG HỆ THỐNG OFDM
• 3.1. Giới thiệu chương
• 3.2. Giới thiệu về Kalman Filter
• 3.3. Thuật toán cho bộ lọc Kalman
• 3.3.1. Sai số dự báo (innovation process)
• 3.3.2. Ước lượng trạng thái sử dụng innovation process
• 3.3.3. Phương trình Riccati
• 3.3.4. Điều kiện ban đầu
• 3.4. Tóm tắt bài toán lọc Kalman dựa vào dự báo một bước
• 3.5. Ứng dụng bộ lọc Kalman vào hệ thống ước lượng kênh truyền
• 3.6. Kết luận chương
• 4. CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN EM (EXPECTATION MAXIMIZATION) CHO ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN BÁN MÙ
• 4.1. Giới thiệu thuật toán EM
• 4.2. Áp dụng thuật toán EM cho vào ước lượng kênh truyền
• 4.3. Kết hợp thuật toán EM với thuật toán LS, Kalman để tính đáp ứng tần số kênh truyền
• 4.3.1. Ước lượng theo tiêu chuẩn LS
• 4.3.2. Kết hợp thuật toán EM với LS cho cấu trúc Block pilot
• 4.3.2.1. Thuật toán EM cho cấu trúc block pilot một kí tự
• 4.3.2.2. Thuật toán EM cho cấu trúc block pilot một nhóm kí tự
• 4.3.3. Thuật toán EM cho cấu trúc comb pilot
• 4.3.3.1. Thuật toán EM kết hợp LS với cấu trúc comb pilot cho 1 kí tự OFDM
• 4.3.3.2. Thuật toán EM kết hợp LS với cấu trúc comb pilot cho 1 nhóm kí tự OFDM
• 4.3.3.3. Thuật toán EM kết hợp LS và Kalman với cấu trúc comb pilot cho 1 kí tự OFDM
• 4.3.3.4. Thuật toán EM kết hợp LS và Kalman với cấu trúc comb pilot cho 1 nhóm kí tự OFDM
• 4.4. Kết luận chương
• 5. CHƯƠNG 5: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5.1. Đánh giá kết quả mô phỏng BER theo số lần lặp cho thuật toán EM
• 5.2. So sánh BER các phương pháp kết hợp với thuật toán EM
• 5.3. Đánh giá thuật toán EM khi hiệu ứng doppler shift thay đổi
• 5.4. Kết luận chương
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giải pháp ước lượng kênh truyền

Giải pháp ước lượng kênh truyền là một phương pháp quan trọng trong hệ thống OFDM để cải thiện chất lượng tín hiệu. Phương pháp này sử dụng kỹ thuật lặp EM để ước lượng kênh truyền, giúp giảm thiểu sai lệch giữa tín hiệu phát và thu. Ước lượng kênh truyền được chia thành ba loại: mù, bán mù và rõ. Trong đó, ước lượng bán mù kết hợp ưu điểm của cả hai phương pháp mù và rõ, sử dụng thông tin huấn luyện tại các vị trí pilot và ước lượng mù tại các vị trí dữ liệu.

1.1. Kỹ thuật lặp EM trong OFDM

Kỹ thuật lặp EM là một phương pháp hiệu quả để ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM. Phương pháp này kết hợp với các thuật toán như LS và Kalman để tối ưu hóa quá trình ước lượng. Lặp EM trong OFDM được áp dụng cho cả cấu trúc pilot dạng khối và lược, giúp cải thiện tỷ lệ lỗi bit (BER) trong môi trường nhiễu Gauss và hiệu ứng đa đường.

1.2. Ước lượng kênh truyền trong OFDM

Ước lượng kênh truyền trong OFDM là quá trình xác định đáp ứng tần số của kênh truyền để khôi phục tín hiệu thu. Phương pháp này sử dụng các kỹ thuật như LS và Kalman kết hợp với EM để đạt được kết quả chính xác. OFDM sử dụng EM cho thấy hiệu quả cao trong việc giảm thiểu sai lệch tín hiệu, đặc biệt trong môi trường có nhiễu và fading.

II. Hệ thống OFDM và kỹ thuật EM

Hệ thống OFDM là một công nghệ truyền thông không dây hiện đại, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống 4G. Kỹ thuật EM được áp dụng trong hệ thống OFDM để ước lượng kênh truyền, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và giảm tỷ lệ lỗi bit. Hệ thống truyền thông OFDM kết hợp với kỹ thuật lặp EM cho phép tối ưu hóa kênh truyền trong các môi trường phức tạp.

2.1. Tối ưu hóa kênh truyền

Tối ưu hóa kênh truyền là mục tiêu chính của việc áp dụng kỹ thuật EM trong hệ thống OFDM. Phương pháp này giúp giảm thiểu ảnh hưởng của fading và nhiễu, đảm bảo chất lượng tín hiệu thu. Phương pháp ước lượng kênh sử dụng EM cho thấy hiệu quả cao trong việc cải thiện tỷ lệ lỗi bit, đặc biệt trong môi trường có hiệu ứng đa đường.

2.2. Kỹ thuật lặp trong OFDM

Kỹ thuật lặp trong OFDM là một phương pháp hiệu quả để ước lượng kênh truyền. Phương pháp này sử dụng EM algorithm in OFDM để tối ưu hóa quá trình ước lượng, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu thu. Channel estimation in OFDM kết hợp với iterative EM technique cho thấy hiệu quả cao trong việc giảm thiểu sai lệch tín hiệu.

III. Ứng dụng thực tế và kết quả mô phỏng

Ứng dụng thực tế của giải pháp ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM được thể hiện qua các kết quả mô phỏng. Kỹ thuật EM kết hợp với LS và Kalman cho thấy hiệu quả cao trong việc giảm tỷ lệ lỗi bit. Ước lượng kênh trong OFDM sử dụng EM đạt được kết quả tốt trong môi trường có nhiễu và hiệu ứng đa đường.

3.1. Kết quả mô phỏng BER

Kết quả mô phỏng BER cho thấy hiệu quả của kỹ thuật EM trong việc giảm tỷ lệ lỗi bit. Phương pháp kết hợp LS với EM cho cấu trúc comb pilot đạt được tỷ lệ lỗi bit thấp nhất. EM algorithm in OFDM cho thấy hiệu quả cao trong việc cải thiện chất lượng tín hiệu thu.

3.2. Đánh giá hiệu quả của EM

Đánh giá hiệu quả của EM trong hệ thống OFDM được thực hiện qua các kết quả mô phỏng. Phương pháp này cho thấy hiệu quả cao trong việc giảm thiểu sai lệch tín hiệu, đặc biệt trong môi trường có hiệu ứng Doppler. Channel estimation in OFDM sử dụng iterative EM technique đạt được kết quả tốt trong các môi trường phức tạp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và truyền thông, nhu cầu về các hệ thống truyền dẫn tín hiệu không dây với tốc độ cao và độ chính xác lớn ngày càng tăng. Theo ước tính, các dịch vụ đa phương tiện như truy cập Internet tốc độ cao, truyền hình di động và thiết bị di động tích hợp đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật tiên tiến để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) trong khi băng thông không thể mở rộng vô hạn. Hệ thống điều chế phân chia tần số trực giao (OFDM) đã trở thành một trong những công nghệ chủ đạo cho mạng di động thế hệ thứ tư (4G) nhờ khả năng giảm thiểu hiệu ứng fading đa đường và đơn giản hóa bộ thu.

Tuy nhiên, trong môi trường truyền thông không dây, tín hiệu thu thường bị sai lệch so với tín hiệu phát do các hiện tượng như fading, nhiễu đa đường, và nhiễu Gaussian trắng (AWGN). Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến tỉ lệ lỗi bit (BER) và chất lượng truyền dẫn. Ước lượng kênh truyền là một bước quan trọng nhằm cải thiện hiệu suất hệ thống bằng cách giảm thiểu sai lệch này. Có ba phương pháp ước lượng phổ biến: ước lượng mù, ước lượng rõ (dựa trên pilot), và ước lượng bán mù (kết hợp cả hai).

Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp ước lượng kênh truyền bán mù sử dụng thuật toán Expectation Maximization (EM) kết hợp với các thuật toán Least Square (LS) và Kalman Filter trong hệ thống OFDM. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình kênh truyền fading với nhiễu Gaussian trắng, áp dụng cho cấu trúc pilot dạng khối (block) và dạng lược (comb). Mục tiêu chính là giảm tỉ lệ lỗi bit và nâng cao độ chính xác ước lượng kênh trong các môi trường truyền dẫn phức tạp. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống OFDM mô phỏng bằng phần mềm Matlab phiên bản 2009a, với các kịch bản mô phỏng đa dạng về số lần lặp thuật toán và vận tốc thiết bị di động.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình kênh truyền không dây: Bao gồm các hiện tượng suy hao đường truyền, hiệu ứng đa đường (multipath fading), fading lựa chọn tần số, và dịch Doppler. Mô hình Rayleigh fading được sử dụng để mô phỏng sự biến đổi ngẫu nhiên của tín hiệu trong môi trường không có đường truyền trực tiếp (LOS).

• Kỹ thuật điều chế OFDM: Nguyên lý chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng tốc độ thấp truyền song song trên các sóng mang con trực giao. OFDM giúp giảm thiểu nhiễu liên ký tự (ISI) và nhiễu giữa các sóng mang (ICI) nhờ chèn khoảng bảo vệ (cyclic prefix).

• Ước lượng kênh truyền: Phân loại thành ước lượng rõ (dựa trên pilot), ước lượng mù (dựa trên thống kê tín hiệu), và ước lượng bán mù (kết hợp hai phương pháp trên). Cấu trúc pilot gồm dạng block (khối) và comb (lược), mỗi dạng phù hợp với các điều kiện kênh khác nhau.

• Thuật toán Expectation Maximization (EM): Thuật toán lặp nhằm tối đa hóa hàm khả năng (likelihood) trong các mô hình có biến ẩn, được áp dụng để ước lượng kênh truyền bán mù. EM được kết hợp với các thuật toán LS và Kalman để cải thiện độ chính xác ước lượng.

• Bộ lọc Kalman: Bộ lọc tối ưu tuyến tính dùng để ước lượng trạng thái hệ thống trong môi trường có nhiễu, được ứng dụng để theo dõi biến đổi kênh truyền theo thời gian trong hệ thống OFDM.

Các khái niệm chính bao gồm: fading đa đường, pilot dạng block và comb, thuật toán EM, bộ lọc Kalman, ước lượng LS, và tỉ lệ lỗi bit (BER).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu chủ yếu là các mô hình mô phỏng hệ thống OFDM trên phần mềm Matlab 2009a, dựa trên các mô hình kênh truyền fading Rayleigh và AWGN. Cỡ mẫu mô phỏng được thiết kế phù hợp với các kịch bản vận tốc thiết bị di động khác nhau, từ môi trường trong nhà (indoor) đến môi trường di động ngoài trời (pedestrian).

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Áp dụng thuật toán EM lặp cho từng ký tự OFDM và nhóm ký tự OFDM (4 ký tự) với cấu trúc pilot dạng block và comb.

• Kết hợp thuật toán EM với LS và Kalman để ước lượng đáp ứng tần số kênh truyền.

• Đánh giá hiệu suất bằng tỉ lệ lỗi bit (BER) dưới các điều kiện nhiễu Gaussian và hiệu ứng đa đường.

• So sánh kết quả giữa các phương pháp kết hợp khác nhau về số lần lặp, cấu trúc pilot, và vận tốc thiết bị di động.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong quá trình thực hiện luận văn thạc sĩ, với các bước: tổng hợp lý thuyết, xây dựng mô hình mô phỏng, thực hiện các kịch bản mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của thuật toán EM lặp: Số lần lặp thuật toán EM ảnh hưởng rõ rệt đến tỉ lệ lỗi bit. Khi số lần lặp tăng từ 300 lên 1000, BER giảm đáng kể, minh chứng cho khả năng hội tụ và cải thiện độ chính xác của thuật toán EM trong ước lượng kênh.

2. So sánh các phương pháp kết hợp: Phương pháp kết hợp LS với Kalman và EM lặp cho một nhóm 4 ký tự OFDM trong cấu trúc pilot dạng comb đạt tỉ lệ lỗi bit thấp nhất, giảm khoảng 15-20% so với các phương pháp khác như LS kết hợp EM cho một ký tự hoặc LS kết hợp Kalman cho một ký tự.

3. Ảnh hưởng của vận tốc thiết bị di động: Khi vận tốc tăng từ môi trường trong nhà (indoor) đến môi trường di động ngoài trời (pedestrian), BER tăng do hiệu ứng Doppler mạnh hơn. Tuy nhiên, phương pháp kết hợp LS-Kalman-EM vẫn duy trì hiệu suất tốt hơn khoảng 10% so với các phương pháp khác.

4. Tác động của cấu trúc pilot: Cấu trúc pilot dạng comb cho phép ước lượng kênh chính xác hơn trong môi trường kênh biến đổi nhanh, trong khi pilot dạng block phù hợp với kênh biến đổi chậm. Kết hợp thuật toán EM với LS và Kalman trên pilot dạng comb cho kết quả vượt trội trong các kịch bản mô phỏng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do thuật toán EM tận dụng được thông tin từ cả pilot và dữ liệu, giúp ước lượng kênh chính xác hơn so với phương pháp chỉ dựa trên pilot. Việc kết hợp với bộ lọc Kalman giúp theo dõi biến đổi kênh theo thời gian, đặc biệt hiệu quả trong môi trường có hiệu ứng Doppler.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng cho thấy sự ưu việt của giải pháp kết hợp EM-LS-Kalman trong việc giảm BER, phù hợp với các ứng dụng mạng 4G và các hệ thống OFDM hiện đại. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh BER theo số lần lặp, vận tốc thiết bị và các phương pháp kết hợp, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng giải pháp.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp một giải pháp ước lượng kênh truyền bán mù hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng truyền dẫn trong các hệ thống OFDM, từ đó cải thiện trải nghiệm người dùng và hiệu suất mạng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thuật toán EM kết hợp Kalman trong thiết bị thu: Đề xuất các nhà sản xuất thiết bị thu tích hợp thuật toán EM kết hợp Kalman để nâng cao độ chính xác ước lượng kênh, giảm tỉ lệ lỗi bit, đặc biệt trong các môi trường có hiệu ứng Doppler mạnh. Thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng.

2. Tối ưu cấu trúc pilot dạng comb cho hệ thống OFDM: Khuyến nghị các nhà thiết kế hệ thống sử dụng cấu trúc pilot dạng comb kết hợp với thuật toán EM-LS-Kalman để đảm bảo hiệu suất ước lượng kênh trong các kịch bản kênh biến đổi nhanh. Thời gian áp dụng trong các dự án phát triển mạng 4G và 5G.

3. Phát triển phần mềm mô phỏng và kiểm thử trên Matlab: Đề xuất xây dựng bộ công cụ mô phỏng mở rộng dựa trên Matlab để đánh giá hiệu quả các thuật toán ước lượng kênh trong các điều kiện thực tế đa dạng, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển tiếp theo. Thời gian phát triển khoảng 6 tháng.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ kỹ thuật: Khuyến nghị tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật ước lượng kênh và thuật toán EM cho đội ngũ kỹ sư mạng và phát triển sản phẩm nhằm nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ mới. Thời gian triển khai liên tục theo năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về ước lượng kênh truyền trong hệ thống OFDM, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển các nghiên cứu liên quan.

2. Kỹ sư phát triển thiết bị thu phát sóng và thiết bị mạng không dây: Các giải pháp thuật toán EM kết hợp Kalman và LS trong luận văn là cơ sở để cải tiến thiết bị, nâng cao hiệu suất truyền dẫn và giảm lỗi.

3. Các nhà thiết kế mạng di động 4G và 5G: Thông tin về cấu trúc pilot và kỹ thuật ước lượng kênh bán mù giúp tối ưu hóa thiết kế mạng, đảm bảo chất lượng dịch vụ trong môi trường kênh biến đổi nhanh.

4. Các tổ chức đào tạo và giảng dạy kỹ thuật viễn thông: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các khóa học về truyền thông không dây, kỹ thuật điều chế OFDM và thuật toán ước lượng kênh.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán Expectation Maximization (EM) là gì và tại sao được sử dụng trong ước lượng kênh?
   EM là thuật toán lặp nhằm tối đa hóa hàm khả năng trong các mô hình có biến ẩn. Trong ước lượng kênh, EM giúp kết hợp thông tin từ pilot và dữ liệu để cải thiện độ chính xác ước lượng, đặc biệt trong môi trường kênh biến đổi phức tạp.

2. Ước lượng kênh bán mù khác gì so với ước lượng rõ và ước lượng mù?
   Ước lượng bán mù kết hợp ưu điểm của ước lượng rõ (dựa trên pilot) và ước lượng mù (dựa trên thống kê tín hiệu), giúp tận dụng thông tin huấn luyện và dữ liệu thực tế để nâng cao hiệu quả ước lượng.

3. Tại sao cần kết hợp thuật toán EM với bộ lọc Kalman?
   Bộ lọc Kalman giúp theo dõi biến đổi trạng thái kênh theo thời gian trong môi trường có nhiễu và hiệu ứng Doppler. Kết hợp với EM giúp cải thiện độ chính xác và ổn định của ước lượng kênh trong các điều kiện thực tế.

4. Cấu trúc pilot dạng block và comb có điểm khác biệt gì?
   Pilot dạng block chèn toàn bộ pilot vào một khối ký tự, phù hợp với kênh biến đổi chậm. Pilot dạng comb phân bố pilot rải rác trong khối dữ liệu, thích hợp với kênh biến đổi nhanh, giúp ước lượng kênh chính xác hơn trong môi trường động.

5. Làm thế nào để đánh giá hiệu quả của các phương pháp ước lượng kênh?
   Hiệu quả thường được đánh giá qua tỉ lệ lỗi bit (BER) trong các kịch bản mô phỏng với các điều kiện kênh khác nhau, số lần lặp thuật toán, và vận tốc thiết bị di động. Biểu đồ so sánh BER là công cụ trực quan phổ biến.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển và đánh giá thành công giải pháp ước lượng kênh truyền bán mù sử dụng thuật toán Expectation Maximization kết hợp với LS và Kalman trong hệ thống OFDM.
• Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp kết hợp LS-Kalman-EM trên cấu trúc pilot dạng comb đạt tỉ lệ lỗi bit thấp nhất, đặc biệt hiệu quả trong môi trường có hiệu ứng Doppler và nhiễu Gaussian.
• Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho việc ứng dụng các thuật toán ước lượng kênh tiên tiến trong mạng di động thế hệ 4G và các hệ thống truyền thông không dây hiện đại.
• Đề xuất các giải pháp triển khai thuật toán trong thiết bị thu, tối ưu cấu trúc pilot và phát triển công cụ mô phỏng hỗ trợ nghiên cứu tiếp theo.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng mô hình cho các kênh truyền phức tạp hơn, thử nghiệm thực tế và đào tạo kỹ thuật viên ứng dụng công nghệ mới.

Hành động ngay: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực truyền thông không dây nên áp dụng và phát triển thêm các thuật toán ước lượng kênh bán mù để nâng cao hiệu suất hệ thống trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 : Cơ sở lý thuyết để giải quyết vấn đề 1.1 Các vấn đề cơ bản của kênh truyền Một trong những nét đặt trưng của kênh truyền không dây là giữa đầu phát và thu có rất nhiều đường tín hiệu khác nhau. Những đường này làm cho tín hiệu ở đầu thu sai lệch với tín hiệu phát ra ở đầu phát và được phân thành hai loại là sai lệch do đường đi và sai lệch pha. Các tín hiệu khi truyền qua kênh vô tuyến di động sẽ bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, tán xạ, … và do đó gây ra hiện tượng đa đường (multipath). Tín hiệu nhận được tại bộ thu yếu hơn nhiều so với tín hiệu tại bộ phát do các ảnh hưởng như: suy hao truyền dẫn trung bình (mean propagation loss), suy hao đường truyền (path loss and attenuation ), fading đa đường (multipath fading).

Phản xạ Tán xạ LOS Khúc xạ Thiết bị thu Thiết bị phát Hình 1.1: Tín hiệu đa đường HVTH: Phan Minh Mẫn CBHD: PGS. Phạm Hồng Liên NCS. Nguyễn Đức Quang 6 Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử 1.1 Suy hao đường truyền Sự suy giảm tín hiệu là sự suy hao mức công suất tín hiệu trong quá trình truyền từ điểm này đến điểm khác. Suy hao truyền dẫn trung bình xảy ra do các hiện tượng như: sự mở rộng về mọi hướng của tín hiệu, sự hấp thu tín hiệu bởi nước, lá cây… và do phản xạ từ mặt đất.

Suy hao truyền dẫn trung bình phụ thuộc vào khoảng cách và biến đổi rất chậm ngay cả đối với các thuê bao di chuyển với tốc độ cao. Tại anten phát, các sóng vô tuyến sẽ được truyền đi theo mọi hướng (nghĩa là sóng được mở rộng theo hình cầu). Ngay cả khi chúng ta dùng anten định hướng để truyền tín hiệu, sóng cũng được mở rộng dưới dạng hình cầu nhưng mật độ năng lượng khi đó sẽ được tập trung vào một vùng nào đó do ta thiết kế. Vì thế, mật độ công suất của sóng giảm tỉ lệ với diện tích mặt cầu.

Hay nói cách khác là cường độ sóng giảm tỉ lệ với bình phương khoảng cách. Phương trình (1.1) tính công suất thu được sau khi truyền tín hiệu qua một khoảng cách R: 2 PR PT GT GR (1.1) 4 R Trong đó, PR : Công suất tín hiệu thu được (W) PT : Công suất phát (W) GR : Độ lợi anten thu (anten đẳng hướng) GT : Độ lợi anten phát : Bước sóng của sóng mang R: Khoảng cách truyền HVTH: Phan Minh Mẫn CBHD: PGS. Phạm Hồng Liên NCS. Nguyễn Đức Quang 7 Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử Hoặc ta có thể viết lại là: 2 2 PT 4 R 1 1 4 1 1 R2 f 2 PR GT GR c GT GR (1.2) Gọi Lpt là hệ số suy hao do việc truyền dẫn trong không gian tự do: Lpt(dB)=PT(dB) - PR(dB) =-10log10GT -10log10GR+20log10f+20log10R-47.3) Tổng quát, truyền dẫn trong không gian tự do rất đơn giản, chúng ta có thể xây dựng mô hình chính xác cho các tuyến thông tin vệ tinh và các tuyến liên lạc trực tiếp (không bị vật cản) như các tuyến liên lạc vi ba điểm nối điểm trong phạm vi ngắn.

Tuy nhiên, cho hầu hết các tuyến thông tin trên mặt đất như thông tin di động, mạng LAN không dây, môi trường truyền dẫn phức tạp hơn nhiều do đó việc tạo ra các mô hình cũng khó khăn hơn. Ví dụ, đối với những kênh truyền dẫn vô tuyến di động UHF, khi đó điều kiện về không gian tự do không được thỏa, chúng ta có công thức tính suy hao đường truyền như sau: L pt 10 log 10 GT 10 log 10 G R 20 log 10 hBS 20 log 10 hMS 40 log 10 R (1.4) với hBS, hMS << R là độ cao anten trạm gốc BS (Base Station) và anten của trạm di động MS (Mobile Station).2 Hiệu ứng đa đường Trong hệ thống thông tin vô tuyến, do các hiện tượng như phản xạ, tán xạ, khúc xạ, nhiễu xạ… tín hiệu truyền từ bộ phát tới bộ thu sẽ bị tách thành nhiều thành phần (giống với tín hiệu gốc) và mỗi thành phần sẽ có những đường đi khác nhau. Hiện tượng này được gọi là truyền dẫn đa đường (multipath propagation). Truyền dẫn đa đường dẫn đến sự trải rộng (spreading) của tín hiệu trong miền thời HVTH: Phan Minh Mẫn CBHD: PGS.

Phạm Hồng Liên NCS. Nguyễn Đức Quang 8 Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử gian, tần số… Các đại lượng đặc trưng cho hiện tượng này là: trải trễ (delay (time) spread), trải phổ Doppler (Doppler spread), … 1.1 Rayleigh fading Trong đường truyền vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ từ các vật cản như đồi núi, nhà cửa, xe cộ. sinh ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu (Hình 1.1) dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu đến máy thu làm cho biên độ tín hiệu thu bị suy giảm. Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể là nguyên nhân gây ra nhiễu có cấu trúc hay không có cấu trúc.

Điều này được tính trên các khoảng cách rất ngắn (thông thường là một nửa khoảng cách sóng mang), vì vậy ở đây gọi là fading nhanh. Mức thay đổi của tín hiệu có thể thay đổi được trong khoảng từ 10-30dB trên một khoảng cách ngắn.2 mô tả các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra do fading.2 : Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900MHz) HVTH: Phan Minh Mẫn CBHD: PGS. Phạm Hồng Liên NCS. Nguyễn Đức Quang 9 Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử Phân bố Rayleigh được sử dụng để mô tả thời gian thống kê của công suất tín hiệu thu.

Nó mô tả xác suất của mức tín hiệu thu được do fading.1: Sự phân bố tích lũy đối với phân bố Rayleigh Xác suất của mức tín Mức tín hiệu (dB) hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép (%) 10 99 0 50 -10 5 -20 0.2 Fading lựa chọn tần số Trong bất kỳ đường truyền vô tuyến nào, đáp ứng phổ không bằng phẳng do có sóng phản xạ đến đầu vào máy thu. Sự phản xạ có thể dẫn đến tín hiệu đa đường của công suất tín hiệu tương tự như tín hiệu trực tiếp gây suy giảm công suất tín hiệu thu do nhiễu. Toàn bộ tín hiệu có thể bị mất trên đường truyền băng h5p nếu không có đáp ứng tần số xảy ra trên kênh truyền. Có thể khắc phục bằng hai cách: Truyền tín hiệu băng rộng hoặc sử dụng phương pháp trải phổ như CDMA nhằm giảm bớt suy hao Phân toàn bộ băng tần thành nhiều kênh băng hẹp, mỗi kênh có một sóng mang, mỗi sóng mang này trực giao với các sóng mang khác (tín hiệu OFDM).

Tín hiệu ban đầu được trải trên băng thông rộng, không có phổ xảy ra tại tất cả tần số sóng mang. Kết quả là chỉ có một vài tần số sóng mang bị mất. Thông tin trong HVTH: Phan Minh Mẫn CBHD: PGS. Phạm Hồng Liên NCS.

Nguyễn Đức Quang 10 Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử các sóng mang bị mất có thể khôi phục bằng cách sử dụng các kỹ thuật sửa lỗi thuận FEC 1.3 Trải trễ Tín hiệu vô tuyến thu được từ máy phát bao gồm tín hiệu trực tiếp và tín hiệu phản xạ từ các vật cản như các tòa nhà, đồi núi… Tín hiệu phản xạ đến máy thu chậm hơn so với tín hiệu trực tiếp do chiều dài truyền lớn hơn. Trải trễ là thời gian trễ giữa tín hiệu đi thẳng và tín hiệu phản xạ cuối cùng đến đầu vào máy thu. Trong hệ thống số, trải trễ có thể dẫn đến nhiễu liên ký tự ISI [23]. Điều này do tín hiệu đa đường bị trễ chồng lấn với ký tự theo sau, và nó có thể gây ra lỗi nghiêm trọng ở các hệ thống tốc độ bit cao, đặc biệt là khi sử dụng ghép kênh phân chia theo thời gian TDMA.3: Trải trễ đa đường Hình 1.3 cho thấy ảnh hưởng của trải trễ gây ra nhiễu liên ký tự.

Khi tốc độ bit phát đi tăng lên thì một lượng nhiễu ISI cũng tăng lên một cách đáng kể. Ảnh hưởng thể hiện rõ ràng nhất khi trải trễ lớn hơn khoảng 50% chu kỳ bit (bit time). HVTH: Phan Minh Mẫn CBHD: PGS. Phạm Hồng Liên NCS.

Nguyễn Đức Quang 11 Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử Bảng 1.2: Các giá trị trải trễ thông dụng Chênh lệch quãng đường đi lớn Môi trường Trải trễ nhất của tín hiệu Trong nhà 40ns – 200ns 12m – 60m Bên ngoài 1 s –20 s 300m – 6km Bảng 1.2 đưa ra các giá trị trải trễ thông dụng đối với các môi trường khác nhau. Trải trễ lớn nhất ở môi trường bên ngoài xấp xỉ là 20 s; do đó, nhiễu liên ký tự có thể xảy ra đáng kể ở tốc độ thấp nhất là 25Kbps. Nhiễu ISI có thể được tối thiểu hóa bằng nhiều cách: - Giảm tốc độ ký tự bằng cách giảm tốc độ dữ liệu cho mỗi kênh (như chia băng thông ra nhiều băng con nhỏ hơn như sử dụng OFDM) - Sử dụng kỹ thuật mã hóa để giảm nhiễu ISI như trong CDMA 1.4 Dịch Doppler Khi nguồn tín hiệu và bên thu chuyển động tương đối với nhau, tần số tín hiệu thu không giống bên phía phát. Khi chúng di chuyển cùng chiều (hướng về nhau) thì tần số nhận được lớn hơn tần số tín hiệu phát, và ngược lại khi chúng di chuyển xa nhau thì tần số tín hiệu thu bị giảm xuống.

Đây gọi là hiệu ứng Doppler. Khoảng tần số thay đổi do hiệu ứng Doppler tùy thuộc vào mối quan hệ chuyển động giữa nguồn phát và nguồn thu và cả tốc độ truyền sóng. Độ dịch Doppler có thể được tính theo công thức: v f f0 (1.5) c HVTH: Phan Minh Mẫn CBHD: PGS. Phạm Hồng Liên NCS.

Nguyễn Đức Quang 12 Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện Tử Trong đó f là khoảng thay đổi tần số của tần số tín hiệu tại máy thu v là tốc độ thay đổi khác nhau giữa tần số tín hiệu và máy phát f0 là tần số tín hiệu, c là tốc độ ánh sáng. Dịch Doppler lại là một vấn đề nan giải nếu như kỹ thuật truyền sóng lại bị nhiễu với dịch tần số sóng mang 1.3 Nhiễu AWGN Bản chất biến đổi một cách ngẫu nhiên theo thời gian của kênh truyền gây ra những ảnh hưởng không thể lường trước làm cho cấu trúc bộ thu, kỹ thuật sửa lỗi ngày càng phức tạp. Tại đầu thu, các tín hiệu thu được cộng lại với nhau tạo nên mô hình nhiễu Gauss không cộng (AWGN – Non-additive White Gaussian Noise ) ở các kênh truyền không dây (Hình 1. n(t) Nhiễu Gauss x(t) h( ) y(t) Tín hiệu phát H( j ) Tín hiệu thu Mô hình kênh Hình 1.