Luận án tiến sĩ nghiên cứu phát triển mô hình thuật toán ước lượng suy hao truyền sóng và hướng sóng tới trong hệ thống vô tuyến đa anten ở tần số 28ghz và 38ghz

Nghiên cứu phát triển mô hình thuật toán ước lượng suy hao truyền sóng và hướng sóng tới trong hệ thống vô tuyến đa anten tại tần số 28GHz và 38GHz.

• Tác giả: Vũ Thanh Quang
• Người hướng dẫn: GS. Vũ Văn Yêm
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Phát Triển Mô Hình, Thuật Toán Ước Lượng Suy Hao Truyền Sóng Và Hướng Sóng Tới Trong Hệ Thống Vô Tuyến Đa Anten Ở Tần Số 28GHz Và 38GHz
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG VÀ KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN ĐA ANTEN Ở DẢI SÓNG MILIMET
• 1.1. Truyền sóng ở dải sóng milimet
• 1.2. Các mô hình suy hao truyền sóng ở dải sóng milimet
• 1.2.1. Mô hình suy hao truyền sóng trong không gian tự do
• 1.2.2. Mô hình 3GPP TR 38
• 1.2.3. Mô hình Stanford University Interim Model (SUI model)
• 1.2.4. Mô hình suy hao NYU
• 1.3. Kênh vô tuyến ở dải sóng mm
• 1.3.1. Bộ dò kênh vô tuyến
• 1.3.2. Mô phỏng kênh vô tuyến
• 1.4. Các vấn đề tồn tại cần nghiên cứu giải quyết
• 1.5. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN XỬ LÝ DỮ LIỆU TRONG ƯỚC LƯỢNG MÔ HÌNH SUY HAO TRUYỀN SÓNG Ở DẢI SÓNG MILIMET
• 2.1. Thuật toán học máy trong ước lượng mô hình suy hao truyền sóng dải sóng milimet
• 2.1.1. Thuật toán Hồi quy tuyến tính
• 2.1.2. Thuật toán K-Nearest Neighbor
• 2.2. Mô phỏng môi trường truyền sóng
• 2.2.1. Mô phỏng môi trường truyền sóng
• 2.2.2. Kết quả dự đoán mô hình suy hao truyền sóng bằng hai thuật toán đề xuất
• 2.2.3. So sánh với kết quả của 3GPP và NYU Wireless
• 2.3. Thuật toán xử lý dữ liệu trong mô hình suy hao truyền sóng ở dải sóng milimet
• 2.3.1. Thuật toán CoIEE
• 2.3.2. Phương pháp 1: Sử dụng các số mũ suy hao truyền sóng tham chiếu
• 2.3.3. Phương pháp 2: Nội suy từ bộ dữ liệu các số mũ suy hao truyền sóng của các điểm thu
• 2.3.4. Phương pháp 3: Nội suy từ bộ dữ liệu suy hao truyền sóng và khoảng cách Tx-Rx của các điểm thu
• 2.3.5. Phương pháp 4: Minimum Mean Square Error (MMSE)
• 2.3.6. So sánh kết quả của 4 phương pháp
• 2.4. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI PHÁP XÁC ĐỊNH HƯỚNG SÓNG TỚI CỦA NGUỒN TÍN HIỆU VÔ TUYẾN Ở DẢI SÓNG MM
• 3.1. Hệ thống thu đa anten dựa trên kiến trúc máy thu định nghĩa chức năng bằng phần mềm để xác định hướng sóng tới của tín hiệu vô tuyến ở dải sóng mm
• 3.1.1. Kiến trúc hệ thống
• 3.1.2. Xử lý tín hiệu và ước lượng hướng sóng tới
• 3.1.3. Kết quả mô phỏng
• 3.2. Đề xuất hệ thống thu đa anten dựa trên kiến trúc máy thu trung tần số kết hợp bộ di pha 90 độ để xác định hướng sóng tới của tín hiệu vô tuyến ở dải sóng mm
• 3.2.1. Kiến trúc hệ thống
• 3.2.2. Xử lý tín hiệu và ước lượng hướng sóng tới
• 3.2.3. Kết quả mô phỏng
• 3.3. Đề xuất giải pháp xác định hướng sóng tới của tín hiệu vô tuyến tương quan ở dải sóng mm sử dụng giải pháp phân đoạn không gian và làm mịn không gian
• 3.3.1. Phân đoạn và làm mịn không gian
• 3.3.2. Kết quả mô phỏng
• 3.4. Kết luận chương 3
• MỞ ĐẦU
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về hệ thống vô tuyến đa anten và tần số 28GHz 38GHz

Luận án tập trung vào nghiên cứu phát triển mô hình thuật toán ước lượng suy hao truyền sóng và hướng sóng tới trong hệ thống vô tuyến đa anten ở tần số 28GHz và 38GHz. Các tần số này thuộc dải sóng milimet, được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ 5G. Hệ thống vô tuyến đa anten đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa tín hiệu và giảm thiểu nhiễu. Luận án đề cập đến các mô hình suy hao truyền sóng như mô hình 3GPP, mô hình SUI, và mô hình NYU, cùng với các kỹ thuật mô phỏng kênh vô tuyến.

1.1. Tổng quan về suy hao truyền sóng

Suy hao truyền sóng là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu trong hệ thống vô tuyến đa anten. Các mô hình như mô hình không gian tự do và mô hình log-distance được sử dụng để ước lượng suy hao. Luận án phân tích các yếu tố như khoảng cách, tần số, và môi trường truyền sóng để đánh giá suy hao. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa các mô hình ở tần số 28GHz và 38GHz.

1.2. Kỹ thuật truyền sóng trong hệ thống đa anten

Kỹ thuật truyền sóng trong hệ thống vô tuyến đa anten bao gồm các phương pháp như MIMO và beamforming. Các kỹ thuật này giúp tăng cường chất lượng tín hiệu và giảm nhiễu. Luận án đề xuất các giải pháp xác định hướng sóng tới dựa trên kiến trúc máy thu định nghĩa bằng phần mềm. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của các phương pháp này trong việc cải thiện độ chính xác ước lượng hướng sóng.

II. Thuật toán ước lượng suy hao truyền sóng

Luận án giới thiệu các thuật toán ước lượng suy hao truyền sóng như Hồi quy tuyến tính và K-Nearest Neighbor (KNN). Các thuật toán này được áp dụng để dự đoán suy hao trong các môi trường truyền sóng khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy độ chính xác cao của các thuật toán này so với các mô hình truyền thống như 3GPP và NYU Wireless.

2.1. Thuật toán Hồi quy tuyến tính

Thuật toán Hồi quy tuyến tính được sử dụng để dự đoán suy hao truyền sóng dựa trên các tham số như khoảng cách và tần số. Luận án trình bày các bước thực hiện và kết quả mô phỏng cho thấy độ lệch chuẩn thấp và độ chính xác cao của thuật toán này. Các kết quả được so sánh với các mô hình truyền thống để đánh giá hiệu quả.

2.2. Thuật toán K Nearest Neighbor KNN

Thuật toán KNN được áp dụng để ước lượng suy hao truyền sóng dựa trên dữ liệu lân cận. Luận án phân tích các tham số như số lượng lân cận (k) và khoảng cách Euclidean để tối ưu hóa thuật toán. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán KNN đạt độ chính xác cao, đặc biệt trong môi trường NLOS (Non-Line of Sight).

III. Giải pháp xác định hướng sóng tới

Luận án đề xuất các giải pháp xác định hướng sóng tới dựa trên kiến trúc máy thu đa anten. Các giải pháp bao gồm phân đoạn không gian và làm mịn không gian, giúp cải thiện độ chính xác ước lượng hướng sóng. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của các giải pháp này trong việc giảm thiểu sai số và tăng cường chất lượng tín hiệu.

3.1. Phân đoạn không gian

Phân đoạn không gian là kỹ thuật chia nhỏ không gian để xác định hướng sóng tới một cách chính xác hơn. Luận án trình bày các bước thực hiện và kết quả mô phỏng cho thấy độ chính xác cao của kỹ thuật này. Các kết quả được so sánh với các phương pháp truyền thống để đánh giá hiệu quả.

3.2. Làm mịn không gian

Làm mịn không gian là kỹ thuật giảm thiểu nhiễu và cải thiện độ chính xác ước lượng hướng sóng tới. Luận án phân tích các tham số và kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của kỹ thuật này trong việc tăng cường chất lượng tín hiệu. Các kết quả được so sánh với các phương pháp truyền thống để đánh giá hiệu quả.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Luận án đã đề xuất và phát triển các mô hình thuật toán ước lượng suy hao truyền sóng và hướng sóng tới trong hệ thống vô tuyến đa anten ở tần số 28GHz và 38GHz. Các kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của các thuật toán và giải pháp được đề xuất. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm ứng dụng các thuật toán này trong các hệ thống thực tế và nghiên cứu thêm về các kỹ thuật tối ưu hóa tín hiệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Trong thời đại số, nhu cầu trao đổi thông tin không chỉ giữa người với người và giữa máy với máy ngày càng cao, song song là yêu cầu, đòi hỏi về chất lượng dịch vụ, di động để đáp ứng sự đa dạng các đối tượng người sử dụng khác nhau. Để đáp ứng các yêu cầu này, truyền thông vô tuyến như thông tin di động, internet kết nối vạn vật ngày càng phát triển trên phạm vi toàn thế giới. Trong các hệ thống vô tuyến này muốn tăng dung lượng bắt buộc phải tăng băng thông hoặc tăng hiệu quả sử dụng phổ tần. Tuy nhiên, phổ tần vô tuyến là hữu hạn và là tài nguyên của thế giới cũng như của mỗi quốc gia.

Vì vậy, việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các công nghệ, kỹ thuật tiên tiến trong truyền thông không dây để đáp ứng nhu cầu cả nâng cao chất lượng và dung lượng của người dùng luôn là một đòi hỏi cấp thiết. Các nghiên cứu trong thời gian gần đây hướng đến phát triển, ứng dụng truyền thông vô tuyến ở dải sóng milimet. Tuy công nghệ truyền thông trên băng tần milimet mới được đầu tư nghiên cứu trong thời gian gần đây và hướng đến các ứng dụng thông tin vô tuyến di động, radar và định vị vô tuyến. Các nghiên cứu hướng đến và muốn chỉ ra rằng với băng thông rất rộng chưa được sử dụng trong dải tần milimet có thể là miền đất lý tưởng cho các mạng băng thông rộng cục bộ, mạng di động thê hệ mới 5G và 6G để cung cấp kết nối Internet kết nối vạn vật tốc độ cao.

Trong vài năm trở lại đây, nhiều nhà sản xuất thiết bị cho mạng di động cũng đang bắt đầu đẩy mạnh nghiên cứu, thử nghiệm, khai thác các dải tần cực rộng trên băng tần milimet. Thông tin di động thế hệ mới sau 5G, 6G dù chưa được chính thức triển khai, nhưng với các nghiên cứu về đặc tính công nghệ, kỹ thuật truyền sóng, phủ sóng được công bố trên các hội nghị, tạp chí viễn thông toàn cầu trong nhiều năm qua, cho chúng ta thấy được tiềm năng của băng tần milimet hoàn toàn có thể bước chân ra khỏi rào cản về tính chất truyền sóng và trở thành kênh truyền chủ chốt trong môi trường thông tin di động. Tuy nhiên dải tần số cao này vẫn đang còn nhiều vấn đề thách thức cần nghiên cứu giải quyết như vấn đề anten, mạng anten, các mạch, thiết bị thu phát ở dải tần sóng milimet, đặc biệt là mô hình suy hao truyền sóng, mô hình kênh truyền sóng [1]-[4]. Trong hệ thống thông tin, định vị vô tuyến, nhất là ở dải sóng milimet, môi trường truyền sóng đóng vài trò rất quan trọng đến chất lượng hệ thống và chịu nhiều tác động của các yếu tố địa hình.

Xác định, mô phỏng, đo đạc hoặc ước lượng các tham số, các mô hình, các hàm toán học của kênh vô tuyến ở dải sóng milimet như số mũ suy hao truyền sóng, mô hình suy hao truyền sóng, hàm công suất trễ của kênh, dịch tần doppler, thời gian truyền sóng, hướng sóng đến, hướng sóng đi vẫn là các vấn đề nghiên cứu cần phải giải quyết. Xác định các đặc tính, tham số của một kênh vô tuyến trong một môi trường truyền sóng được thực hiện bằng cách lý thuyết mô phỏng, thực nghiệm hoặc bán thực nghiệm (kết hợp cả mô phỏng và thực nghiệm). Đặc biệt trong môi trường đô thị phức 1 tạp, đo lường truyền sóng kết hợp với mô phỏng để giảm chi phí và thực hiện nhiều mẫu trên được diện rộng cần được triển khai, từ đó các tham số của kênh như mô hình hao kênh, số mũ suy hao truyền sóng, độ rộng ổn định về tần số, thời gian của kênh… được xác định dựa trên số liệu đo hoặc giả lập mô phỏng. Việc lựa chọn phương pháp đo hay dò kênh trong miền thời gian hay trong miền tần số phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể của từng hệ thống, tuỳ thuộc vào môi trường truyền sóng (vùng ngoại ô, trong thành phố hoặc trong các toà nhà…), tuỳ thuộc vào các yếu tố khác như khả năng tài chính….Việc dò kênh và xác định các đặc tính của kênh có thể thực hiện trong miền thời gian bằng việc đo đáp ứng xung của kênh hoặc được thực hiên trong miền tần số bằng cách đo hàm truyền đạt của kênh trong một băng tần lựa chọn.

Đáp ứng xung của kênh khi đó được xác định từ hàm truyền đạt này thông qua phép biến đổi Fourier ngược. Về lý thuyết hai phương pháp này là tương đương nhau. Ở lớp vật lý trong các hê thống vô tuyến ở dải sóng milimet nhiều công nghệ, kỹ thuật đang được nghiên cứu triển khai như sử dụng số phần tử anten phát và thu lớn (massive MIMO), định dạng búp sóng (beamforming) số, kỹ thuật đa truy nhập theo không gian SDMA (Space Division Multiple Access), công nghệ vô tuyến thông minh nhận thức tái cấu hình, vô tuyến định nghĩa chức năng bằng phần mềm [5]-[9]. Do tính chất phức tạp, công nghệ cao nên việc thực hiện mô phỏng để giảm chi phí trước khi chế tạo thử nghiệm rất quan trọng.

Trong hệ thống này bên cạnh các tham số kênh truyền theo miền thời gian, miền tần số còn phải chú ý đến miền không gian. Tương tự như vậy ở bên phát và bên thu cũng cần phải nghiên cứu vấn đề xử lý tín hiệu trên miền số, vấn đề tối ưu hóa nguồn tài nguyên, cải tiến kiến trúc hệ thống thu phát để đảm bảo hệ thống linh hoạt, khả năng thông minh tái cấu hình trong môi trường vô tuyến đầy biến động. Nghiên cứu các mô hình suy hao kênh nhất là trong môi trường đô thị, kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến đa chiều, nghiên cứu tìm ra các thuật toán với độ phân giải cao để ước lượng chính xác các tham số của tín hiệu như hướng sóng tới, hướng sóng đi, đề xuất các kiến trúc hệ thống thu phát mới vẫn 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 thiết kế anten ở dải sóng milimet, xử lý tín hiệu, việc ước lượng kênh truyền cũng như các tham số của tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến, di động ở dải sóng milimet.

Một số nghiên cứu gần đây tập trung vào bài toán định dạng búp sóng, về ứng dụng mạng nơ ron, học máy, trí tuệ nhân tạo trong xử lý tín hiệu băng cơ sở, về tối ưu xuyên lớp trong hệ thống này [10][11]. Tuy nhiên vẫn dựa trên cách tiếp cập, phương pháp sai số bình phương tối thiểu kết hợp với một số mô hình mạng nơ ron và chưa đề cập đến giải pháp định dạng búp sóng số, định nghĩa chức năng bằng phần mềm. Còn đối với bài toán ước lượng tham số kênh vô tuyến vẫn chưa giải quyết vấn đề tín hiệu tương quan và chưa đề cập đến mô hình máy thu cụ thể. 2 Luận án tập trung nghiên cứu đề xuất các mô hình suy hao truyền sóng ở dải sóng milimet, trước mắt tập trung ở dải tần số 28 GHz và hoặc 38 GHz dựa trên mô hình thuật toán khai phá dữ liệu.

Luận án cũng tập trung vào phát triển giải pháp, hệ thống, thuật toán ước lượng các tham số hướng sóng tới của tín hiệu vô tuyến ở dải sóng này sử dụng các kiến trúc máy thu trung tần số với tốc độ lấy mẫu thấp. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Luận án nghiên cứu phát triển, xây dựng, ước lượng mô hình suy hao truyền sóng ở dải sóng milimet và đề xuất, cải tiến hệ thống, thuật toán xác định hướng sóng tới của tín hiệu trong hệ thống vô tuyến ở dải sóng milimet. Luận án tập trung nghiên cứu xây dựng mô hình cho bài toán ước lượng suy hao truyền sóng dựa trên xử lý dữ liệu, khai phá dữ liệu. Luận án đề xuất kiến trúc hệ thống thu vô tuyến và thuật toán ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu tương quan và không tương quan dùng giải thuật độ phân giải cao trong hệ thống vô tuyến ở dải sóng milimet sử dụng nhiều anten.

Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu chính của luận án là: - Hệ thống vô tuyến đa anten ở dải sóng milimet. - Kênh truyền sóng trong hệ thống vô tuyến đa anten ở dải sóng milimet. - Xử lý tín hiệu miền không gian và thời gian trong hệ thống vô tuyến ở dải sóng milimet. - Kỹ thuật, thuật toán ước lượng tham số tín hiệu kênh vô tuyến ở dải sóng milimet.

Phạm vi nghiên cứu của luận án: - Mô hình suy hao truyền sóng ở dải sóng milimet trong môi trường đô thị. - Hướng sóng tới của tín hiệu vô tuyến trong mặt phẳng phương vị. - Hệ thống vô tuyến ở dải sóng milimet hoạt động ở dải tần 28 GHz và 38 GHz 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 xử lý dữ liệu, xử lý tín hiệu kết hợp với mô phỏng trên máy tính. Về lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết về kênh vô tuyến, các phương pháp dò kênh, hệ thống dò kênh để xác định các tham số của kênh truyền sóng ở dải tần sóng milimet.

Nghiên cứu phát triển thuật toán kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến cho bài toán xác định, ước lượng các tham số kênh truyền sóng, ước lượng mô hình suy hao kênh vô tuyến, hướng sóng tới của tín hiệu ở dải tần sóng milimet dựa theo hướng tiếp cận học máy và không gian con. Về mô phỏng: Mô phỏng trên máy tính sử dụng các phần mềm chuyên dụng Matlab, phần mềm mã nguồn mở NYUSIM cho các mô hình hệ thống, kênh vô tuyến ở dải sóng mm cũng như các phương thức xử lý tín hiệu, giải thuật dựa trên các mô hình đề xuất để khảng định tính năng, hiệu năng cũng như kết quả đã đề xuất về mặt lý thuyết. 3 Cấu trúc của Luận án: Luận án gồm 3 chương với nội dung tóm tắt như sau: Chương 1: Hệ thống và kênh truyền vô tuyến đa anten ở dải sóng milimet. Chương này trình bày về hệ thống vô tuyến ở dải sóng milimet và ứng dụng.

Trong đó tập trung trình bày về kênh truyền sóng trong hệ thống vô tuyến đa anten ở dải sóng mm , các mô hình suy hao truyền sóng ở dải sóng mm.