Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Giảm can nhiễu trong hệ thống MIMO - OFDM

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:155

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm đề xuất được giải pháp giảm ICI sử dụng tối thiểu tín hiệu thử để hạn chế tiêu tốn dung lượng đường truyền. Đề xuất được giải pháp giảm ICI phi tuyến.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Giảm can nhiễu trong hệ thống MIMO - OFDM

HỌC VHỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Ệ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUNGUYỄN KIM QUANG IM QUANG GIẢM CAN NHIỄU TRONG HỆ THỐNG MIMO - OFDM Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9.52.02.08 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS TRẦN HỒNG QUÂN .TS TRẦN HỒNG QUÂN HÀ NỘI – 2018
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình thực hiện luận án, Nghiên cứu sinh đã được Thầy hướng dẫn khoa học là PGS.TS Trần Hồng Quân định hướng nghiên cứu và tận tình chỉ bảo. Nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Thầy về những chỉ bảo và định hướng đó. Nghiên cứu sinh cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới Lãnh đạo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Khoa Quốc tế và Đào tạo Sau Đại học của Học viện, các đồng nghiệp tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã hỗ trợ, động viên tôi trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, nơi luôn là nguồn động lực và là chỗ dựa tinh thần vững chắc để tôi hoàn thành được luận án này. Nghiên cứu sinh Nguyễn Kim Quang viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, được sự giúp đỡ định hướng khoa học của PGS. TS Trần Hồng Quân, Nghiên cứu sinh đã hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc về những chỉ bảo và định hướng đó. Nhân dịp này, nghiên cứu sinh cũng cảm ơn chân thành đối với lãnh đạo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Khoa Quốc tế và Đào tạo Sau Đại học của Học viện. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn các đồng nghiệp tại Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông đã giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình nghiên cứu. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn gia đình đã động viên, khích lệ tôi trong quá trình nghiên cứu. Nghiên cứu sinh
Nguyễn Kim Quang LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu do chính Nghiên cứu sinh thực hiện. Các số liệu, kết quả trong luận án là hoàn toàn trung thực chưa từng được công bố trong bất cứ công trình nào của bất cứ tác giả nào khác. Người cam đoan Nguyễn Kim Quang Nguyễn Kim Quang
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................................................ iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..................................................................................viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... x MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... xi CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG MIMO – OFDM VÀ ICI TRONG MIMO-OFDM 1 1. 1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG........................................................................................... 1 1. 2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO – OFDM ............................................................. 1 1.2.1 Mô hình nguyên lý hoạt động của hệ thống MIMO-OFDM ................. 1 1.2.2 Mô hình dữ liệu của hệ thống MIMO-OFDM ...................................... 2 1. 3 ICI TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM ........................................................... 10 1.3.1 ICI do dịch tần số sóng mang giữa bên phát và bên thu ..................... 10 1.3.2 ICI do trải Doppler. ............................................................................. 15 1.3.3 ICI do tính phi tuyến của hệ thống MIMO-OFDM. ............................ 18 1. 4 NHỮNG PHƯƠNG PHÁP GIẢM ICI CHỦ YẾU HIỆN NAY ....................... 23 1.4.1 Tự giảm ICI ......................................................................................... 24 1.4.2 Phát lặp các ký tự kết hợp ước lượng hợp lý cực đại .......................... 27 1.4.3 Giảm ICI bằng nắn dạng xung ............................................................ 29 1.4.4 Giảm ICI bằng phương pháp PIC-DSC............................................... 31 1.4.5 Giảm ICI bằng bộ cân bằng kênh ........................................................ 32 1.4.6 Nhận xét tổng quan về các giải pháp giảm ICI hiện nay..................... 34 1. 5 KẾT LUẬN CHƯƠNG .......................................................................................... 35 CHƯƠNG 2 GIẢM ICI BẰNG CÂN BẰNG MÙ MIỀN TẦN SỐ DỰA TRÊN PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN ĐỘC LẬP ................................................... 36 2. 1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG......................................................................................... 36 2. 2 MỐI QUAN HỆ GIỮA BÀI TOÁN GIẢM ICI VÀ BÀI TOÁN PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN ĐỘC LẬP .................................................................................... 36 2.2.1 Xem xét mô hình ICI tuyến tính như một bộ trộn tuyến tính.............. 36 i
2.2.2 Các kỹ thuật tách trộn mù.................................................................... 40 2. 3 NGUYÊN LÝ GIẢI PHÁP GIẢM ICI DỰA TRÊN ICA ................................. 47 2.3.1 Giảm ICI bằng phương pháp lặp ......................................................... 47 2.3.2 Giảm ICI bằng phương pháp lặp dựa trên ICA ................................... 50 2. 4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY THU MIMO-OFDM DỰA TRÊN ICA ........ 51 2.4.1 Máy thu MIMO dựa trên ICA ............................................................. 52 2.4.2 Mô hình máy thu MIMO-OFDM có cân bằng ICA ............................ 57 2.4.3 Mô hình máy thu MIMO-OFDM có cân bằng ICA-MMSE ............... 61 2. 5 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN CHO BỘ CÂN BẰNG ICA .............................. 66 2.5.1 Xây dựng hàm mục tiêu ...................................................................... 67 2.5.2 Xây dựng hàm kích hoạt...................................................................... 72 2.5.3 Xây dựng thuật toán học ..................................................................... 74 2. 6 GIẢM ICI BẰNG MÁY THU DỰA TRÊN CÂN BẰNG ICA-MMSE ......... 76 2. 7 MÔ PHỎNG GIẢI PHÁP GIẢM ICI BẰNG CÂN BẰNG MIỀN TẦN SỐ DỰA TRÊN ICA ..................................................................................................... 79 2. 8 KẾT LUẬN CHƯƠNG .......................................................................................... 86 CHƯƠNG 3 GIẢM ICI BẰNG CÂN BẰNG MIỀN THỜI GIAN KẾT HỢP VỚI NỘI SUY KÊNH VÀ BÁM KÊNH ................................................................. 88 3. 1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG......................................................................................... 88 3. 2 GIẢM ICI BẰNG LỌC TUYẾN TÍNH TỐI ƯU ............................................... 88 3.2.1 Giảm ICI bằng lọc tuyến tính tối ưu trong hệ thống SISO – OFDM .. 88 3.2.2 Giảm ICI bằng lọc tuyến tính tối ưu trong hệ thống MIMO – OFDM91 3.2.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của giải pháp lọc tối ưu và đề xuất phương án cải tiến .................................................................................... 93 3. 3 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢI TIẾN LỌC TỐI ƯU VỚI NỘI SUY KÊNH BẰNG MẠNG NƠRON RBF. .............................................................................. 95 3.3.1 Bài toán nội suy với cách tiếp cận hàm cơ sở bán kính ...................... 95 3.3.2 Mạng nơron RBF ................................................................................. 97 3.3.3 Bổ sung tham số đảm bảo hoạt động của mạng nơron RBF nội suy .. 99 ii
3.3.4 Giảm ICI bằng lọc tối ưu kết hợp với ước lượng và nội suy kênh bằng mạng RBF. ..................................................................................................... 102 3. 4 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢI TIẾN LỌC TỐI ƯU VỚI BÁM KÊNH BẰNG LỌC THÍCH NGHI NHÂN ................................................................................. 107 3.4.1 Cải thiện lọc tối ưu bằng bám kênh ................................................... 107 3.4.2 Phương pháp kernel và mô hình không gian trạng thái phi tuyến ... 110 3.4.3 Thuật toán bình phương nhỏ nhất đệ quy kernel ............................... 113 3.4.4 Đề xuất thuật toán bình phương nhỏ nhất đệ quy kernel mở rộng cho mô hình bám kênh .......................................................................................... 117 3.4.5 Giảm ICI bằng lọc tối ưu kết hợp với ước lượng và bám kênh bằng KRLS mở rộng ..............................................................................................126 3. 5 KẾT LUẬN CHƯƠNG ........................................................................................ 128 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ......................... 129 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ......................................... 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 132 iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt ADC Analog -Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự sang số ARMA Autoregressive Moving Average Trung bình trượt tự hồi quy AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân BSS Blind Source Seperation Tách nguồn mù CFO Carrier Frequency Offset Dịch tần số sóng mang CIR Channel Impulse Response Đáp ứng xung kênh CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CP Cyclic Prefix Tiền tố chu kỳ DAC Digital-Analog Converter Bộ chuyển đổi số sang tương tự DFE Decision Feedback Equalizer Cân bằng phản hồi quyết định DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc Digital Video Broadcasting — Chuẩn công nghệ truyền hình kỹ DVB-T Terrestrial thuật số mặt đất EVD Eigenvalue Decomposition Phân rã trị riêng Extended Kernel Recursive Bình phương nhỏ nhất đệ quy kernel EX-KRLS Least Squares mở rộng FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh FIR Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn HPA High Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất cao Independent Component Phân tích thành phần độc lập ICA Analysis ICI Inter Carrier Interference Can nhiễu giữa các sóng mang IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi ngược Fourier nhanh iv
ISI Inter Symbol Interference Can nhiễu giữa các kí hiệu KRLS Kernel Recursive Least Squares Bình phương nhỏ nhất đệ quy kernel LMS Least Mean Square Trung bình bình phương nhỏ nhất Maximum A posteriori Xác suất hậu nghiệm cực đại MAP Probability MIMO Multiple input – Multiple output Nhiều đầu vào – nhiều đầu ra MLE Maximum Likehood Estimation Ước lượng hợp lý cực đại Sai số bình phương trung bình nhỏ MMSE Minimum Mean Square Error nhất MSE Mean Squared Error Sai số bình phương trung bình Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực OFDM Multiplexing giao PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất Tỷ số công suất đỉnh trên công suất PAPR Peak to Average Power Ratio trung bình PCA Principle Component Analysis Phân tích thành phần chính Parallel Interference Giảm can nhiễu song song PIC Cancellation Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu phương QAM Modulation QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha cầu phương RBF Radial Basis Function Hàm bán kính cơ sở Radial Basis Function Neural Mạng nơron hàm bán kính cơ sở RBFNN Network RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RLS Recursive Least Square Bình phương nhỏ nhất đệ quy SIC Serial Interference Cancellation Giảm can nhiễu tuần tự Signal to Iinterference plus Tỷ lệ tín hiệu trên can nhiễu cộng SINR Noise Ratio nhiễu SISO Simple Input – Simple Output Một đầu vào – Một đầu ra v
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu STBC Space Time Block Code Mã hóa khối không gian – thời gian Worldwide Interoperability for Khả năng tương tác mạng diện rộng WiMAX Microwave Access bằng sóng siêu cao tần WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây Wide-Sense Stationary Các tán xạ không tương quan dừng WSSUS Uncorrelated Scattering theo nghĩa rộng ZF Zero Forcing Cưỡng bức không vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU IM Ma trận đơn vị có kích thước là M  M A 1 Ma trận nghịch đảo của ma trận A AT Ma trận chuyển vị của ma trận A A* Ma trận liên hợp phức của ma trận A AH Ma trận Hermitian của ma trận A 0 Ma trận không. A Nghịch đảo Moore-Penrose của ma trận A † AB Tích Kronecker của hai ma trận A và B FK Ma trận biến đổi Fourier rời rạc K điểm det  A  Định thức của ma trận A R Trường số thực Rn Không gian vectơ n chiều trên trường số thực C Trường số phức Cn Không gian vectơ n chiều trên trường số phức Mt Số anten phát Mr Số anten thu  x E{ Kỳ vọng của biến ngẫu nhiên x x Độ dài Euclid của vectơ x J 0  . Hàm Bessel bậc 0 loại 1. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình hệ thống MIMO – OFDM M t anten phát và M r anten thu .......... 2 Hình 1.2: Ảnh hưởng của CFO đến tính trực giao của các sóng mang con. ............ 11 Hình 1.3: Tỉ lệ lỗi bit hệ thống MIMO-OFDM khi có dịch tần số sóng mang [64] .. 15 Hình 1.4: Tỉ lệ lỗi bit hệ thống MIMO-OFDM do trải Doppler[61] ........................ 17 Hình 1.5: Sơ đồ hệ thống SISO – OFDM chịu ảnh hưởng HPA phi tuyến................. 18 Hình 1.6: Sơ đồ hệ thống OFDM tự giảm ICI ............................................................ 24 Hình 1.7: So sánh giữa các hệ số ICI   q  k  ,    q  k  và    q  k  ................. 26 Hình 1.8: So sánh CIR giữa không giảm ICI và giảm ICI bằng tự giảm nhiễu ........ 27 Hình 1.9: Nguyên lý truyền lại kí hiệu kết hợp ước lượng hợp lý cực đại ................ 28 Hình 1.10: So sánh BER giữa Ước lượng hợp lý cực đại và Tự giảm ICI[44]. ......... 29 Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý hệ thống giảm ICI bằng nắn dạng xung ......................... 30 Hình 1.12: CIR với các loại nắn dạng xung khác nhau[75] ....................................... 31 Hình 1.13: Mô hình PIC-DSC [34] .......................................................................... 32 Hình 1.14: Sơ đồ hệ thống cân bằng Per-Tone .......................................................... 34 Hình 2.1: Mô hình trộn tuyến tính ............................................................................. 39 Hình 2.2: Mô hình trộn và tách nguồn....................................................................... 40 Hình 2.3: Mô tả ý tưởng giải pháp giảm ICI bằng BSS ............................................. 46 Hình 2.4: Mô hình hệ thống MIMO với máy thu dựa trên ICA ................................. 52 Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống MIMO-OFDM với máy thu ICA ........................................ 58 Hình 2.6: Bộ cân bằng ICA cho sóng mang con tham chiếu k r .................................. 59 Hình 2.7: Bộ cân bằng ICA cho sóng mang con k  k  kr  ..................................... 59 Hình 2.8: Mô hình máy thu MIMO-OFDM với cân bằng ICA-MMSE....................... 61 Hình 2.9: Sơ đồ khối máy thu ICA-MMSE .................................................................. 62 Hình 2.10: Sơ đồ MMSE cho sóng mang con k ......................................................... 62 Hình 2.11: Mô hình tách nguồn mù ............................................................................ 67 Hình 2.12: Mô tả chi tiết ma trận tách ....................................................................... 67 Hình 2.13: Đồ thị hàm kích hoạt φ(y) ......................................................................... 74 viii
Hình 2.14: Sơ đồ luồng tín hiệu của thuật toán học .................................................. 75 Hình 2.15: Giảm ICI bằng máy thu ICA-MMSE kết hợp lặp tuần tự ......................... 76 Hình 2.16: Mô hình tổng thể của giải pháp giảm ICI đề xuất .................................... 78 Hình 2.17: BER theo SNR của giải pháp đề xuất và giải pháp “Tự giảm can nhiễu” khi độ dịch tần số chuẩn hóa   0.15 và điều chế BPSK .......................................... 80 Hình 2.18: BER theo SNR của giải pháp đề xuất và giải pháp “Tự giảm can nhiễu” khi độ dịch tần số chuẩn hóa   0.3 và điều chế BPSK ............................................. 81 Hình 2.19: BER theo SNR của giải pháp đề xuất và giải pháp “Tự giảm can nhiễu” khi độ dịch tần số chuẩn hóa   0.15 và điều chế QPSK .......................................... 81 Hình 2.20: BER theo SNR của giải pháp đề xuất và giải pháp “Tự giảm can nhiễu” khi độ dịch tần số chuẩn hóa   0.30 và điều chế QPSK .......................................... 82 Hình 2.21: BER theo SNR của giải pháp đề xuất và ZF-PDR, MMSE-PDR [19] .... 84 Hình 2.22: BER theo SNR khi có sử dụng và không sử dụng giải pháp đề xuất giảm ICI................................................................................................................................ 86 Hình 3.1: Mô hình mạng RBF .................................................................................... 98 Hình 3.2: Mô hình giải pháp lọc tối ưu miền thời gian kết hợp với ước lượng và nội suy kênh bằng mạng RBF .......................................................................................... 105 Hình 3.3: So sánh SINR Gain của giải pháp có nội suy kênh và không có nội suy kênh ........................................................................................................................... 106 Hình 3.4: Mô hình giải pháp lọc tối ưu miền thời gian kết hợp với ước lượng và bám kênh bằng lọc kernel ................................................................................................. 126 Hình 3.5: So sánh SINR Gain của giải pháp có bám kênh và không có bám kênh128 ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Bộ tham số mô phỏng giải pháp giảm ICI bằng cân bằng miền tần số dựa trên ICA (Kịch bản 1) ................................................................................................. 80 Bảng 2.2: Bộ tham số mô phỏng giải pháp giảm ICI bằng cân bằng miền tần số dựa trên ICA (Kịch bản 2) ................................................................................................. 83 Bảng 2.3: Bộ tham số mô phỏng giải pháp giảm ICI bằng cân bằng miền tần số dựa trên ICA (Kịch bản 3) ................................................................................................. 85 Bảng 3.1: Thuật toán RLS ........................................................................................ 114 Bảng 3.2: Thuật toán KRLS ..................................................................................... 117 Bảng 3.3: Thuật toán RLS mở rộng ......................................................................... 118 Bảng 3.4: Thuật toán KRLS mở rộng cho mô hình bám ......................................... 124 Bảng 3.5: So sánh các thuật toán bám kênh Rayleigh ............................................. 125 x
MỞ ĐẦU Nhằm đáp ứng được các yêu cầu về tốc độ dữ liệu ngày càng cao, băng thông lớn trong khi tài nguyên vô tuyến ngày càng hạn chế, các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại phải đối diện với việc giải quyết hai bài toán cơ bản: một là nâng cao tốc độ truyền tin và hai là sử dụng một cách hiệu quả phổ tần. Sự kết hợp công nghệ MIMO và OFDM là một lời giải cho cả hai vấn đề đó. Công nghệ MIMO với việc sử dụng nhiều anten ở cả đầu phát và đầu thu đã cho phép tăng dung lượng đường truyền [47] mà không cần tăng công suất phát hoặc tăng băng thông. Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) cho phép truyền dữ liệu đồng thời trên những sóng mang con băng hẹp, qua đó giảm thiểu hiệu ứng pha đing lựa chọn tần số, và pha đing đa đường [37]. Hệ quả, là vấn đề can nhiễu giữa các ký tự (InterSymbol Interference - ISI) vốn là một vấn đề nan giải về cơ bản được giải quyết[58]. Hơn nữa, khác với kiểu điều chế đa song mang trước đây, OFDM điều chế tín hiệu trên các sóng mang trực giao nhau nhưng cho phép phổ của chúng chờm lên nhau là một giải pháp hiệu quả để tận dụng phổ tần. Hệ thống sử dụng hai công nghệ kết hợp MIMO và OFDM được gọi là hệ thống MIMO-OFDM, một hệ thống hứa hẹn nhiều tiềm năng trong thông tin vô tuyến hiện đại. Trên thực tế, hệ thống này được lựa chọn cho nhiều loại hình mạng, dịch vụ truyền thông vô tuyến hiện nay như mạng di động 4G LTE, WiMax, truyền hình số mặt đất DVB-T…[62] Bên cạnh những ưu điểm nổi bật như đã nêu trên, hệ thống MIMO-OFDM cũng đặt ra những thách thức không nhỏ. Để đảm bảo truyền và nhận dữ liệu một cách chính xác, hệ thống MIMO-OFDM đòi hỏi tất cả các sóng mang con phải duy trì tính trực giao nghiêm ngặt. Tuy nhiên trong thực tế, khi truyền qua kênh vô tuyến, mỗi sóng mang con chịu ảnh hưởng của kênh truyền sẽ bị dịch tần số, phá vỡ tính trực giao với các sóng mang khác, từ đó gây ra can nhiễu. Can nhiễu giữa các sóng mang con như vậy người ta gọi là ICI (InterCarrier Interference) [15, 75]. Việc tìm ra những giải pháp nhằm giảm ICI hiện đang là một trong những hướng nghiên cứu chính về hệ thống MIMO-OFDM [4] và luận án này cũng nằm trong hướng nghiên cứu đó. xi
Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là: - Đề xuất được giải pháp giảm ICI sử dụng tối thiểu tín hiệu thử để hạn chế tiêu tốn dung lượng đường truyền. - Đề xuất được giải pháp giảm ICI phi tuyến. Đối tượng nghiên cứu của luận án là: - ICI và các giải pháp giảm ICI trong MIMO-OFDM - Các kỹ thuật cân bằng mù. - Các kỹ thuật nội suy kênh và bám kênh. Phạm vi nghiên cứu của luận án là: - Hệ thống MIMO-OFDM và can nhiễu giữa các sóng mang con trong MIMO- OFDM. Nhiệm vụ nghiên cứu Để đạt được mục tiêu nghiên cứu đã nêu ở trên, nghiên cứu sinh tập trung vào các nhiệm vụ nghiên cứu như sau: - Nghiên cứu tổng quát về hệ thống MIMO-OFDM và xây dựng mô hình toán của MIMO-OFDM. - Xây dựng mô hình của ICI trong các hệ thống MIMO-OFDM. - Nghiên cứu các giải pháp giảm ICI trong hệ thống MIMO-OFDM đang được áp dụng hiện nay. - Đề xuất những giải pháp cân bằng kênh mới để nâng cao hiệu quả giảm ICI trong hệ thống MIMO-OFDM. - Tính toán và sử dụng các công cụ mô phỏng để chứng minh sự phù hợp của các giải pháp được đề xuất. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là sử dụng các mô hình toán cũng như các công cụ toán học để mô tả, phân tích, và đưa ra các đề xuất mới. Sử dụng các công cụ mô phỏng sự kiện rời rạc để kiểm chứng tính hợp lý của các giải pháp được đề xuất. Việc nghiên cứu lý thuyết được kế thừa từ các công trình nghiên cứu liên quan mới nhất tính đến thời điểm hiện tại. xii
Cấu trúc luận án Các kết quả nghiên cứu và đóng góp mới của luận án được trình bày trong các chương theo cấu trúc như sau: Chương 1: Hệ thống MIMO – OFDM và ICI trong MIMO-OFDM. Chương này trình bày nguyên lý hoạt động của hệ thống, mô hình dữ liệu của hệ thống MIMO- OFDM, mô tả và phân tích toán học về ICI trong hệ thống MIMO-OFDM . Chương 1 cũng tổng hợp các giải pháp giảm ICI đang được sử dụng hiện nay và đề xuất những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, cải thiện để nâng cao hơn nữa hiệu quả giảm ICI. Chương 1 cũng làm tiền đề cho các chương tiếp theo. Chương 2: Giảm ICI bằng cân bằng mù miền tần số dựa trên phân tích thành phần độc lập. Xuất phát từ cách nhìn nhận bài toán giảm ICI trong hệ thống MIMO- OFDM như một bài toán tách trộn các thành phần độc lập, chương này trình bày đề xuất sử dụng lý thuyết tách nguồn mù để giải quyết bài toán giảm ICI trong MIMO- OFDM. Để thực hiện được điều đó, luận án đã kế thừa kết quả nghiên cứu về máy thu MIMO mù dựa trên kỹ thuật phân tích thành phần độc lập (Independent Component Analysis-ICA), trên cơ sở đó, xây dựng máy thu MIMO-OFDM mù và đề xuất ứng dụng máy thu này trong giải pháp giảm ICI bằng cân bằng miền tần số. Chương 3: Giảm ICI bằng cân bằng miền thời gian kết hợp với nội suy kênh và bám kênh. Chương này trình bày một giải pháp cân bằng miền thời gian để giảm ICI đã được chấp nhận và tham chiếu rộng rãi là lọc tối ưu và phân tích những yếu tố ảnh hưởng đến tính hiệu quả của giải pháp này. Từ đó, luận án đề xuất hai giải pháp mới để bổ sung hoàn thiện thêm giải pháp lọc tối ưu nói trên, đó là: ước lượng và nội suy kênh bằng mạng nơron hàm cơ sở bán kính (Radial Basis Function Neural Network-RBFNN) và ước lượng ,bám kênh bằng lọc thích nghi nhân (Kernel Adaptive Filtering). Các giải pháp này sẽ được kết hợp với lọc tối ưu để trở thành các giải pháp cân bằng miền thời gian mới, có khả năng làm việc trong môi trường phi tuyến, điều mà giải pháp lọc tối ưu ban đầu chưa có. Trong phần Kết luận và kiến nghị, nghiên cứu sinh tóm tắt các nội dung đề xuất chính của luận án và đưa những kiến nghị về các vấn đề mở cần tiếp tục nghiên cứu. Trong quá trình thực hiện nghiên cứu, nghiên cứu sinh luôn cố gắng bám sát các tài liệu khoa học, cập nhật công bố bởi các tác giả khác để đề xuất mới của nghiên cứu sinh có tính thời sự và tính mở. Nội dung chi tiết của luận án sẽ được trình bày dưới đây. xiii
CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG MIMO – OFDM VÀ ICI TRONG MIMO-OFDM 1. 1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Chương này trình bày tổng quan về hệ thống MIMO-OFDM và mô hình dữ liệu của MIMO-OFDM. Chương này sẽ phân tích, làm rõ những nguyên nhân gây ra ICI trong hệ thống MIMO-OFDM và ảnh hưởng của ICI tới hiệu năng của hệ thống. Trong chương này, luận án cũng trình bày tổng quan về các giải pháp giảm ICI chủ yếu hiện nay , tiến hành phân tích để tìm ra những điểm còn cần nghiên cứu để bổ sung, hoàn thiện nhằm nâng cao hiệu quả giảm ICI trong hệ thống MIMO-OFDM. 1. 2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG MIMO – OFDM 1.2.1 Mô hình nguyên lý hoạt động của hệ thống MIMO-OFDM Hệ thống MIMO – OFDM có M t anten phát và M r anten thu được biểu thị trên Hình 1.1. Tại đầu phát, dữ liệu nhị phân từ nguồn được đưa qua bộ điều chế số (BPSK, QAM...) sau đó được chia vào các nhánh theo không gian qua bộ phân theo không gian. Mỗi nhánh là một bộ phát OFDM, bao gồm biến đổi IFFT,chèn thêm CP rồi sau đó đưa qua bộ biến đổi DAC (Digital-Analog Converter) để chuyển sang tương tự trước khi đưa ra các anten phát. Tại phía máy thu, tín hiệu nhận được từ anten thu trước hết được đưa qua bộ ADC để chuyển đổi sang số, tiếp theo là gỡ bỏ CP đã được chèn thêm vào, rồi đưa qua bộ biến đổi FFT, sau đó tín hiệu được chuyển đổi song song sang nối tiếp để đưa tới bộ giải mã để cho ra tín hiệu cuối cùng nhận được. Các quá trình nói trên sẽ được trình bày bằng mô hình dữ liệu của hệ thống MIMO- OFDM trong phần tiếp theo của luận án. Trong mô hình dữ liệu này cũng như xuyên suốt toàn bộ luận án, kênh được giả thiết là kênh Rayleigh và có mô hình kênh là WSSUS (Wide-Sense Stationary Uncorrelated Scattering), có nghĩa rằng mômen bậc hai của kênh là dừng, kênh chỉ phụ thuộc vào thời gian, đồng thời trễ của các tán xạ là không tương quan nhau. WSSUS là mô hình thường được sử dụng trong các nghiên cứu về thông tin vô tuyến hiện nay[55]. 1
Chèn CP 1 1 1 P/S S/P IFFT DỮ LIỆU MÃ HÓA ĐIỀU CHẾ MÃ HÓA NGUỒN KÊNH SỐ MIMO Chèn CP Mt Mr Mt P/S S/P IFFT Gỡ bỏ CP   S/P 1 P/S FFT DỮ LIỆU GIẢI MÃ GIẢI ĐIỀU CHẾ GIẢI MÃ ĐÍCH KÊNH MIMO Gỡ bỏ CP   Mr S/P P/S FFT ƯỚC LƯỢNG KÊNH Hình 1.1: Mô hình hệ thống MIMO – OFDM M t anten phát và M r anten thu 1.2.2 Mô hình dữ liệu của hệ thống MIMO-OFDM Mô hình tín hiệu hệ thống MIMO-OFDM được trình bày tiếp theo đây trên cơ sở giả thiết rằng: hệ thống là tuyến tính, kênh biến đổi theo thời gian nhưng được coi như không thay đổi trong thời gian truyền một ký tự (kênh như vậy được gọi là quasi- static [55]), và không có sự chênh lệch tần số giữa bên bên thu và bên phát. Mô hình tín hiệu băng gốc tương đương của hệ thống MIMO-OFDM như trình bày trong Hình 1.1 có M t anten phát và M r anten thu, số sóng mang con là K như sau: Định nghĩa vectơ tín hiệu gốc tại miền tần số phát đi ứng với ký tự OFDM phát thứ p như sau: 2
S  p   S  pK  , S  pK  1 ,..., S  pK  K  1 T Trong đó, S  pK  k  biểu thị tín hiệu phát tại sóng mang con thứ k trong ký tự OFDM thứ p và được định nghĩa như sau: S  pK  k    S1  pK  k  , S2  pK  k  ,..., S Mt  pK  k  T với Si  pK  k  là tín hiệu tại sóng mang con thứ k của ký tự OFDM thứ p tại anten thứ i . Tín hiệu miền thời gian sau khi thực hiện biến đổi IFFT của S  p  được định nghĩa như sau: s  p   s  pK  , s  pK  1 ,..., s  pK  K  1 T Trong đó, s  pK  n  là vectơ tín hiệu thời điểm lấy mẫu thứ n và được định nghĩa như sau: s  pK  n    s1  pK  n  , s2  pK  n  ,..., sM t  pK  n  T với si  pK  n  là giá trị mẫu tại thời điểm thứ n tại anten phát thứ i. Với các định nghĩa trên, mối liên hệ giữa tín hiệu miền thời gian và tần số được xác định bởi phương trình:   s  p   FKH  I M t S  p  (1.1) Trong đó, FK là ma trận biến đổi Fourier rời rạc K điểm, . là ma trận đối phức H (Hermitian) của . , I M t là ma trận đơn vị có kích thước M t  M t , ký hiệu  biểu thị tích Kronecker. 1 1 1 1  1  2  K 1   j 2 1  FK  1 2 4   K 12   e K K      1  K 1  2 K 1   K 1 K 1  3
Để loại trừ hiện tượng ISI, CP sẽ được cộng thêm vào vectơ s  p  để thành vectơ tín hiệu phát đi. Ký hiệu vectơ này là u  p  .Ký hiệu độ dài của CP là KCP thì độ dài của vectơ u  p  sẽ là KTotal  K  KCP . Định nghĩa u  p  như sau: u  p   u  pKTotal  , u  pKTotal  1 ,..., u  pKTotal  KTotal  1 T Trong đó, u  pKTotal  n  là vectơ mẫu tín hiệu thứ n sau khi đã cộng thêm CP và được định nghĩa như sau: u  pKTotal  n   u1  pKTotal  n  , u2  pKTotal  n  ,..., uMt  pKTotal  n  T với ui  pKTotal  n  là giá trị mẫu phát đi tại thời điểm thứ n của ký tự OFDM miền thời gian thứ p tại anten phát thứ i. Tín hiệu miền thời gian u  p  sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự bằng bộ chuyển đổi DAC, sau đó được chuyển đổi sang tín hiệu RF (quá trình này được gọi là up-convert) và phát vào kênh vô tuyến. Mối liên hệ giữa tín hiệu phát đi, tức là tín hiệu sau khi đã được chèn thêm CP và tín hiệu ban đầu khi chưa chèn CP được xác định bởi: u  p   ACPs  p  (1.2) Trong đó, ACP được xác định bởi:  0K K K I KCP   CP  CP   ACP   I K  KCP 0 KCP  K  KCP    I M t    0K  K K  I KCP   CP CP  Vì giả thiết về kênh truyền là quasi-static như đã nêu trên, nên kênh là không đổi trong quá trình truyền một ký tự OFDM. Giả sử kênh được đặc trưng bởi L cụm tán xạ, khi đó kênh pha đing đa đường giữa anten phát thứ i và anten thu thứ j có thể được mô hình hóa bởi bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn (FIR) phức rời rạc băng gốc tương đương có bậc là L-1 với các hệ số hp , ji  l  với l là chỉ số biểu thị mắt lọc (tap), l =0, 1,...,L-1 và chỉ số p là một số nguyên lớn hơn 0, biểu thị rằng đây là các hệ số tương ứng với tín hiệu phát thứ p và các hệ số này sẽ thay đổi khi p thay đổi. Ký hiệu ma trận đáp ứng xung của kênh là h p , khi đó h p được biểu diễn bởi: 4