Xử lý tín hiệu đa chiều trong thông tin di động băng rộng đa người dùng

Chính vì vậy, với nội dung luận án: "XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐA CHIỀU TRONGTHÔNG TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG ĐA NGƯỜI DÙNG", người thực hiện mongmuốn đề xuất các kỹ thuật xử lý tín hiệu trong thông tin

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

NGUYỄN DUY NHẬT VIỄN

XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐA CHIỀU TRONG THÔNG TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG ĐA NGƯỜI DÙNG

Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH

Mã số : 62.48.01.01

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, 2016

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Tăng Tấn Chiến,

2 PGS TS Nguyễn Lê HùngPhản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trườnghọp tại: Đại học Đà Nẵng

Vào hồi giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia

- Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng

Giới thiệu

Trong mạng thông tin di động: tốc độ dữ liệu và tốc độ di chuyển của người

sử dụng là hai thông số được mong muốn cải thiện một cách liên tục Tuy nhiên,tốc độ dữ liệu và tốc độ di chuyển là hai yếu tố có tính chất đánh đổi nhau trong

hệ thống, nghĩa là tốc độ dữ liệu tăng sẽ yêu cầu tốc độ di chuyển thấp và ngượclại Trong mạng thông tin di động thế hệ thứ 5, tốc độ dữ liệu mong muốn củangười dùng là hàng Gbps với tốc độ di chuyển hơn 300km/h Khi tốc độ di chuyểnlớn, kênh truyền biến đổi nhanh khiến ước lượng kênh gặp khó khăn hơn tốc độ dichuyển thấp Khi tốc độ dữ liệu lớn, băng thông yêu cầu lớn, tuy nhiên, băng thông

là nguồn tài nguyên hữu hạn; do vậy, việc sử dụng các kỹ thuật tái sử dụng tần số

là rất cần thiết

Chính vì vậy, với nội dung luận án: "XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐA CHIỀU TRONGTHÔNG TIN DI ĐỘNG BĂNG RỘNG ĐA NGƯỜI DÙNG", người thực hiện mongmuốn đề xuất các kỹ thuật xử lý tín hiệu trong thông tin di động đa người dùngvới mục đích khảo sát ảnh hưởng của kênh truyền khi tốc độ di chuyển của ngườidùng lớn và nghiên cứu đề xuất các giải thuật cải thiện hiệu năng hệ thống

Cơ sở nghiên cứu và mục đích của luận án

Mục đích nghiên cứu:

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của tín hiệu thu nhậnđược trong hệ thống thông tin di động, xây dựng biểu thức tính tỷ số tín hiệu trêngiao thoa Signal to Interference Ratio (SIR)

- Nghiên cứu các hệ thống truyền thông vô tuyến di động khác nhau như đangười dùng, đa anten, đa chặng và đa tế bào, từ đó đề xuất các giải pháp phù hợp

để cải thiện hiệu năng

Đối tượng nghiên cứu:

Luận án tập trung nghiên cứu: Ảnh hưởng kết hợp của độ lệch tần số sóngmang và nhiễu pha lên kênh truyền biến đổi theo thời gian, kỹ thuật ước lượngkênh trong hệ thống truyền dẫn song công, kỹ thuật tiền mã hoá để khử giao thoa

và kỹ thuật phân bổ công suất để cải thiện dung lượng cho các hệ thống thông tin

di động đa anten đa chặng đa tế bào và đa người dùng

Phạm vi nghiên cứu:

Các mô hình đáp ứng kênh truyền, các ảnh hưởng của nhiễu pha, độ lệchtần số sóng mang và kênh truyền biến đổi theo thời gian trong hệ thống truyền dẫnOrthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM), kỹ thuật ước lượng kênh,

kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian Space Division Multiple Access(SDMA), các kỹ thuật tiền - hậu mã hoá trong thông tin di động, kỹ thuật phân

bổ công suất, kỹ thuật truyền dẫn đa người dùng, đa chặng, đa tế bào

Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp giải tích và mô phỏng Monte-Carlo

trên máy tính Phương pháp giải tích được ứng dụng để xây dựng mô hình hệ thống,các chỉ tiêu chất lượng kênh truyền, các tiêu chí kết hợp tín hiệu, giải các bài toántối ưu lồi để tìm nghiệm dưới các ràng buộc của các thông số trong thực tế Môphỏng Monte-Carlo được sử dụng để đánh giá các tiêu chí chất lượng như dunglượng, Bit Error Rate (BER), SIR, Mean-Square-Error (MSE)

Kết quả đạt được và đóng góp chính của luận án:

- Đề xuất biểu thức tính SIR cho hệ thống truyền dẫn OFDM trên kênhtruyền biến đổi theo thời gian có mặt độ lệch lần số sóng mang và nhiễu pha

- Đề xuất giải thuật ước lượng kênh truyền cho hệ thống truyền dẫn OFDM song công

MIMO Đề xuất giải thuật thiết kế các ma trận tiền/hậu mã hóa cho các hệ thốngthông tin di động đa người dùng - đa chặng

- Đề xuất phương pháp quản lý giao thoa cho hệ thống đa tế bào - đa ngườidùng với thông tin trạng thái kênh truyền hoàn hảo và không hoàn hảo

Bố cục luận án

Chương 1: Hệ thống thông tin di đông, môi trường truyền sóng và cácyếu tố ảnh hưởng Trình bày khái niệm cơ bản về hệ thống thông tin diđộng, môi trường truyền sóng và các yếu tố ảnh hưởng đến môi trường truyềnsóng

Chương 2: Xử lý tín hiệu đa chiều trong thông tin di động Trình bày kỹthuật xử lý tín hiệu đa chiều trong thông tin di động như OFDM, MIMO, ướclượng kênh, truyền dẫn song công từ đó, đề xuất công thức tính SIR cho kênhtruyền biến đổi theo thời gian với sự hiện diện của nhiễu pha và độ lệch tần sốsóng mang và xây dựng giải thuật ước lượng kênh biến đổi theo thời gian cho

hệ thống truyền dẫn song công

Chương 3: Nâng cao dung lượng hệ thống thông tin di động đa ngườidùng đa chặng Chương này tập trung thiết kế các bộ tiền - hậu mã hoá cùngvới kỹ thuật phân bổ công suất trong hệ thống thông tin di động đa chặng đangười dùng Dung lượng hệ thống trong thông tin đa chặng - đa người dùngđược cải thiện so với các giải thuật trước đây

Chương 4: Quản lý giao thoa trong mạng thông tin di động đa tế bào.Giao thoa trong mạng đa tế bào được kiểm soát thông qua việc đề xuất các bộtiền - hậu mã hoá dựa trên các kỹ thuật lần lượt là Zero-forcing (ZF), MSE

và MSE tổng theo tín hiệu rò, đặc biệt có xét đến trường hợp thông tin trạngthái kênh không hoàn hảo

Kết luận và hướng phát triển

Chương 1: Hệ thống thông tin di động, môi trường

truyền sóng và các yếu tố ảnh hưởng

1.1 Giới thiệu

1.2 Sự phát triển của các hệ thống thông tin di động

1.3 Hệ thống thông tin di động

1.4 Kênh truyền vô tuyến

1.5 Tổng quan về tình hình nghiên cứu

1.5.1 Các nghiên cứu nâng cao khả năng di chuyển

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM đã được công nhận nhưmột giải pháp đầy hứa hẹn để tạo thuận lợi cho tăng trưởng mạnh mẽ về yêu cầulưu lượng dữ liệu băng thông rộng của các dịch vụ đa phương tiện vô tuyến [74] Tuynhiên, các lợi thế nổi trội của OFDM chỉ tồn tại trong điều kiện đồng bộ hoàn hảovới fading kênh truyền gần như bất biến [73], còn lúc đồng bộ kém, Inter-CarrierInterference (ICI) tăng thì có thể sẽ làm giảm đáng kể hiệu suất truyền dẫn OFDM[24], [87] Ngoài ra, khi thuê bao di chuyển với tốc độ cao (trong các mạng di độngthế hệ sau) gây ra hiệu ứng kênh chọn lọc thời gian cũng dẫn đến ICI trong hệ thốngOFDM [47] Phân tích ảnh hưởng của Carrier Frequency Offset (CFO) lên các hệthống OFDM được nghiên cứu trong [24] trong khi đó, ảnh hưởng của PHN đượcphân tích trong [87] và ảnh hưởng của kênh truyền biến đổi theo thời gian đượcphân tích trong [47], [63] Các ảnh hưởng kết hợp giữa kênh truyền biến đổi theothời gian và Phase Noise (PHN) được phân tích trong [100] Ngoài ra, ảnh hưởngkết hợp giữa CFO và kênh truyền biến đổi theo thời gian cũng đã được nghiên cứutrong [7], [103] trong khi đó ảnh hưởng kết hợp giữa CFO và PHN được xác địnhtrong [58] Các nghiên cứu trên phân tích ảnh hưởng riêng lẽ giữa nhiễu pha, độlệch tần số sóng mang trên kênh truyền biến đổi theo thời gian, chưa phân tíchđược ảnh hưởng kết hợp của các nhân tố này lên hệ thống truyền dẫn OFDM

Trên các lợi điểm của OFDM, các vấn đề trong hệ thống OFDM đã liên tụcđược nghiên cứu và đề xuất từ các hệ thống đơn anten đến đa anten, từ mạng đơn

tế bào đến đa tế bào, từ đơn chặng đến đa chặng [74], [20], [88] Tuy nhiên, cácnghiên cứu này tập trung trong các hệ thống truyền dẫn vô tuyến bán công (half-duplex) với tín hiệu phát và tín hiệu thu được ấn định trong hai khe thời gian hoặchai dải tần khác nhau [74], [88] Gần đây, truyền dẫn song công (full-duplex) đượcxem như một ứng viên đầy hứa hẹn cho truyền thông vô tuyến thế hệ sau [101].Trong nguyên lý song công, tín hiệu phát và thu có thể được truyền đồng thời cùngdải tần, điều này khiến hiệu quả phổ được tăng gấp đôi [35] Tuy nhiên, truyền dẫnsong công lại phát sinh tín hiệu tự giao thoa (self-interference) rất lớn tại anten thu[35] và thông tin trạng thái kênh CSI (channel state information) được yêu cầu để

triệt giao thoa và tách tín hiệu Vừa qua, [52] và [53] đã phát triển kỹ thuật ướclượng kênh trên cơ sở ML (maximum-likelihood) để triệt tín hiệu tự giao thoa trong

hệ thống MIMO-OFDM song công trên các kênh truyền block-fading Như vậy, đốivới các người dùng di chuyển, cần thực hiện ước lượng kênh biến đổi theo thời gian.1.5.2 Các nghiên cứu nâng cao dung lượng hệ thống

Kỹ thuật nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra Multi-Input Multi-Output (MIMO) làmột trong những kỹ thuật chính để đạt được dung lượng cao trong các kênh truyền

vô tuyến [18] Kỹ thuật phân bổ công suất để đạt được dung lượng tối ưu được đềxuất trong các nghiên cứu [31], [39], [72, 55], [50] Để mở rộng vùng phủ và tăng

độ lợi phân tập phổ, kỹ thuật truyền dẫn thông tin đa chặng (multihop) sử dụngrelay 1 hướng (one-way relay) đã được xem là kỹ thuật then chốt trong những nămgần đây [42], [61], [55] Để giảm số khe thời gian từ bốn thành hai trong chu trìnhtrao đổi thông tin, truyền thông chuyển tiếp hai chiều (two-way relay) được đề xuấtthay vì one-way relay [45], [99], [32], [98], [59], [84], [70], [2], [95] Việc tối ưu hóadung lượng trong hệ thống truyền thông chuyển tiếp hai chiều dưới ràng buộc côngsuất phát và số anten là phức tạp nhưng thật sự cần thiết

Trong các mạng thông tin di động thế hệ sau, do áp lực về dung lượng, đòihỏi phải chấp nhận việc sử dụng tần số chung ở các tế bào lân cận, điều này làmtăng hiệu quả sử dụng phổ nhưng đồng nghĩa với tăng giao thoa liên tế bào, giaothoa này đặc biệt lớn khi các thiết bị ở biên của tế bào Như vậy, mặc dù đạt đượchiệu quả sử dụng phổ cao nhưng tốc độ tổng sẽ giảm sút nếu giao thoa liên tế bàokhông được kiểm soát một cách thỏa đáng Để giải quyết điều này, các kỹ thuậttiền mã hóa được đề xuất trong [84], [70], [2], [95] Tuy nhiên, các giải pháp này có

độ phức tạp cao và chưa xét đến trường hợp thông tin trạng thái kênh không hoànhảo

1.6 Động cơ và đề xuất nghiên cứu

Chính vì vậy, nội dung của luận án sẽ tập trung giải quyết các vấn đề sau:

- Các nhân tố chính gây mất đồng bộ của hệ thống thông tin di động

- Ước lượng kênh truyền biến đổi theo thời gian ch hệ thống truyền dẫn songcông

- Cải thiện dung lượng cho hệ thống thông tin di động trong khi vẫn đảmbảo ràng buộc về công suất phát, số lượng anten thu - phát

- Quản lý được giao thoa trong các mạng thông tin di động đa tế bào có xétđến trường hơp thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo

1.7 Kết luận chương

Chương 2: Xử lý tín hiệu đa chiều trong thông tin di

động

2.1 Giới thiệu chương

Chương này tập trung xây dựng mô hình toán học của tín hiệu, thiết lậpbiểu thức tính SIR cho hệ thống truyền dẫn OFDM qua kênh truyền biến đổi theothời gian với sự hiện diện của PHN và CFO trong phần 2.3 Tính chính xác củabiểu thức SIR cũng được kiểm chứng qua mô phỏng Monte-Carlo Ngoài ra, giảithuật ước lượng kênh truyền biến đổi theo thời gian trong hệ thống truyền dẫnOFDM-MIMO song công cũng được đề xuất trong phần 2.4

2.2 Mô hình kênh truyền vô tuyến và các kỹ thuật xử lý tín hiệu đachiều

2.2.1 Mô hình kênh truyền

2.2.2 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM2.2.3 Kỹ thuật đa anten

2.2.4 Kỹ thuật ước lượng kênh truyền

2.2.5 Kỹ thuật truyền dẫn song công

2.3 Thiết lập biểu thức tính SIR cho hệ thống OFDM dưới ảnh hưởngkết hợp của CFO, PHN và dịch Doppler

trong hệ thống OFDM, ε biểu diễn CFO,φn là PHN và zn là AWGN Sau khi FFT,

2.3.2 Xây dựng công thức tính SIR

Sau một vài phép biến đổi, kết hợp Ehhl,nh∗l,n+mi= J0(2πmfdTs/N )σl2, trong

đó, fd là độ dịch Doppler (fd = vfc

c 0 , v là tốc độ di chuyển tương đổi giữa bên phát

và bên thu, fc là tần số sóng mang, c0 là tốc độ ánh sáng), Ts là chu kỳ ký hiệuOFDM,σl2; l = 0, 1, , L − 1 là Power-Delay Profile (PDP) của kênh được xét.Llà

số đường dẫn tương đương,E[ejφn e−jφ0n ] = e−πβTs |n−n 0 |/N và(N −|r|)vàJ0(2πfdrTs/N )

Từ đó, SIR được tính như sau:

Hình 2.1: Contour SIR theo PHN

PHN và tốc độ tối đa của thiết bị để đảm bảo tiêu chí QoS (Quality of Service) xácđịnh thông qua SIR.

2.3.3 Kết quả mô phỏng và thảo luận

Hình 2.3 biểu diễn SIR theo PHN với các giá trị xác định của CFO và NDF(thông qua tốc độ tương đối giữa hai thiết bị thu phát) Ta thấy rằng, SIR giảmkhi các nhân tố gây bất đồng bộ tăng lên, ngoài ra, ta còn thấy rằng phân tích lýthuyết (2.5) và đường mô phỏng rất trùng khớp

Hình 2.3: SIR theo PHN βTs khi

fdTs = 0.03

0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 15

20 25 30 35 40

Hình 2.4: SIR theo NDF fdTs khi ε =

Hình 2.4 so sánh biểu thức SIR khi có mặt các thành phần CFO, PHN vàNDF với các nghiên cứu khác Ta thấy rằng, công thức đề xuất cho kết quả chínhxác do phân tích đầy đủ các nhân tố hơn các nghiên cứu trước đây

2.4 Giải thuật ước lượng kênh truyền biến đổi theo thời gian cho hệthống truyền dẫn MIMO-OFDM song công

2.4.1 Mô hình hệ thống

Mẫu thu được thứn trong ký tự OFDM thứ m tại anten thu thứ r của node

A sau khi loại bỏ tiền tố vòng CP được biểu diễn như sau:

X

l=0

˙h (r,t) l,n,m ˙x(t)n−l,m

từ anten phát thứ t của node B sang anten thu thứ r của node A (kênh chủ đích).Tương tự như vậy, ˙h (r,t)

anten thu của chính nó).z(r)n,m là mẫu nhiễu trắng cộng Gaussian với variance No L

và L˙ là số đường dẫn phân tích của kênh chủ đích và kênh tự giao thoa

Đáp ứng xung kênh truyền của các kênh chủ đích và tự giao thoa áp dụng

các mô hình triển khai cơ sở BEM:

˙ Q

X

q=1

˙b n+N g +mN s ,q ˙c(r,t)q,l , l ∈ {0, , ˙ L − 1}, (2.8)

là số ký tự OFDM dữ liệu lẫn pilot trong một chùm Q và Q˙ là số hàm cơ sở được

sử dụng cho kênh chủ đích và tự giao thoa

Độ lợi kênh truyền thay đổi theo thời gian đường thứl của ký tự OFDM pilottại vị trí thứ mp trong một chùm có thể được biểu diễn ở dạng vector:

với hl,mp và h˙l,mp là các vector của các đáp ứng kênh chủ đích và tự giao thoa

Tổng hợp các đường của kênh truyền biến đổi theo thời gian được biểu diễn

h(r,u)l,m1

X

l=0

˙ Q

Từ mô hình hệ thống, ta ước lượng ML cho các hệ số BEM như sau:

h(r,t)l,mp

iT

, ,

hb

h(r,t)l,mP

(r,t) l,m 1

T

, ,



b˙ h

(r,t) l,m p

T

, ,



b˙ h

(r,t) l,m P

T#T

,

BL = IL⊗ B, B =BTm1, , BTmp, , BTmPT,bc(r,t) =

hb

2.4.3 Xây dựng giới hạn thấp nhất Cramér Rao

Giới hạn Cramér Rao Lower Bound (CRLB) của tham số ước lượng ω được

2.4.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận

Hình 2.5 biểu diễn các kết quả MSE của ước lượng đáp ứng kênh truyền biến

đổi theo thời gian theo SNR Trên hình vẽ, hàm cơ sở DPS-BEM cho hiệu năng

MSE tốt nhất so với GCE-BEM và CE-BEM Ngoài ra, đường a (ước lượng ML cho

kênh block-fading) cho hiệu năng MSE rất kém do áp dụng cho kênh biến đổi theo

thời gian

Hình 2.6: MSE của đáp ứng xung kênhtruyền theo tốc độ di chuyển tương đối.Như quan sát được trong hình 2.6, hiệu năng thuật toán ước lượng kênhblock-fading trở nên rất kém khi tốc độ di chuyển tương đối giữa hai node gia tăng,điều này bởi vì các giá trị ước lượng được của mẫu đáp ứng kênh truyền theo giảithuật ước lượng block-fading bị lỗi thời so với giá trị tức thời tại mẫu đang xét.Hình này còn cho thấy rằng việc áp dụng hàm cơ sở DPS sẽ cho hiệu năng cao nhấttrong các kênh truyền biến đổi theo thời gian.

2.5 Kết luận

Trong chương, tác giả đã đề xuất mới:

- Công thức tính SIR của hệ thống truyền dẫn OFDM trên kênh truyền biếnđổi theo thời gian với sự hiện diện của nhiễu pha và độ lệch tần số sóng mang đượckiểm chứng bằng mô phỏng Monte-Carlo

- Thuật toán ước lượng kênh ML dựa trên các mô hình triển khai cơ sở BEMcho các hệ thống MIMO-OFDM song công Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán

đề xuất đã cho hiệu năng ổn định với kênh truyền biến đổi theo thời gian

Chương 3: Nâng cao dung lượng hệ thống thông tin di

động đa người đùng đa chặng

3.1 Giới thiệu

Chương này trình bày các kỹ thuật xử lý tín hiệu trong hệ thống thông tin diđộng đa người dùng như kỹ thuật đa truy cập phân chia theo không gian, kỹ thuậttruyền thông đa chặng, kỹ thuật tiền/hậu mã hóa Từ lý thuyết cơ bản này, tácgiả đã đề xuất các giải thuật thiết kế các ma trận tiền/hậu mã hóa để nâng dunglượng hệ thống thông tin di động đa chặng - đa người dùng sử dụng bộ chuyển tiếphai chiều (two-way relay) khuếch đại và chuyển tiếp Amplify and Forward (AF)dưới ràng buộc công suất phát của hệ thống

3.2 Các kỹ thuật truyền dẫn đa người dùng, đa chặng

3.2.1 Kênh truyền đa người dùng

3.2.2 Đa truy cập phân chia theo không gian SDMA

3.2.3 Kỹ thuật truyền thông đa chặng

3.2.4 Kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính

3.2.5 Lập lịch người dùng trong các mạng truyền dẫn MIMO đa người

dùng

3.2.6 Mô hình toán học của hệ thông multi-user MIMO

3.2.7 Kỹ thuật tiền/hậu mã hóa Block Diagonalization (BD) cho hệ

thống thông tin di động đường xuống đa anten đa người dùng3.3 Đề xuất kỹ thuật tiền/hậu mã hóa trong hệ thống chuyển tiếp haichiều

3.3.1 Mô hình hệ thống

Xét hệ thống truyền thông vô tuyến chuyển tiếp hai chiều gồm một trạm gốc

BS có N0 anten, một bộ chuyển tiếp hai chiều RS khuếch đại và chuyển tiếp AFtrang bị NR anten và K trạm di động MS với MS thứ k có Nk anten (k = 1, , K).Tổng số anten của BS và các MS là NN =

H0 ∈ CN R ×N 0 là ma trận đáp ứng kênh của tuyến từ BS đến RS Hk ∈ CN R ×N N,

từ RS đến BS, G0 ∈CN R ×N 0 là ma trận đáp ứng kênh còn với các tuyến từ MS thứ

k đến RS, ma trận đáp ứng kênh được biểu diễn bởi Gk ∈CN R ×N N , k ∈ {1, , K}