Tài liệu ước lượng kênh truyền mimo dùng thuật toán mù cải tiến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐỖ ĐÌNH THUẤN ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN MIMO DÙNG THUẬT TOÁN BÁN MÙ CẢI TIẾN LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐỖ ĐÌNH THUẤN ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN MIMO DÙNG THUẬT TOÁN BÁN MÙ CẢI TIẾN Chuyên ngành: Vật lý vô tuyến và điện tử Mã số: 62 44 03 01 LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. VŨ ĐÌNH THÀNH TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2012 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập của bản thân dưới sự giúp đỡ của giảng viên hướng dẫn. Các vấn đề nghiên cứu mới trong luận án nhằm cải thiện các giải pháp ước lượng kênh trong thông tin vô tuyến đã công bố gần đây. Các cơ sở lý luận khoa học, công thức, ý tưởng của các tác giả đã công bố trong các tài liệu tham khảo, giáo trình, bài báo khoa học được sử dụng lại trong luận án đều có trích dẫn đầy đủ, trung thực và tuân theo luật sở hữu trí tuệ. Nghiên cứu sinh Đỗ Đình Thuấn iv LỜI CÁM ƠN Luận án này hoàn thành là kết quả của những nỗ lực cá nhân trong suốt thời gian học nghiên cứu sinh. Tác giả đã có bước đi dài từ việc kế thừa các kiến thức thực nghiệm tích lũy sau thời gian dài công tác trong ngành thông tin vô tuyến cho đến việc nghiên cứu sâu lĩnh vực ước lượng kênh. Để có được những kết quả này, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến PGS.TS. Vũ Đình Thành. Có thể nói thời gian học nghiên cứu sinh quả là thời gian dài với nhiều khó khăn nhưng Thầy đã rèn cho trò tính kiên nhẫn, tỉ mỉ trong nghiên cứu khoa học, đam mê trong lĩnh vực tư duy sáng tạo. Thầy luôn là nguồn động viên tinh thần trong suốt thời gian dài nghiên cứu. Không những Thầy cung cấp những góp ý, những nhận xét phản biện để luận án được hoàn thiện mà còn làm cho luận án đảm bảo tính logic và mang giá trị khoa học cao. Bên cạnh đó, tôi cũng không quên sự giúp đỡ nhiệt tình, sự tạo điều kiện về công tác cũng như những đóng góp xác đáng cho luận án của các đồng nghiệp tại Đại học Khoa Học Tự Nhiên, Đại học Tôn Đức Thắng. Thông qua luận án này, tôi muốn gửi các kết quả nghiên cứu mới, những thành quả lao động khoa học sáng tạo này đến cha mẹ, những người đã nuôi dưỡng, tạo điều kiện cho tôi làm khoa học cho tới ngày hôm nay. Cuối cùng, không có những sẻ chia, động viên liên tục của vợ và con, tôi khó có thể hoàn thành luận án của mình đảm bảo đúng tiến độ đào tạo. Nghiên cứu sinh Đỗ Đình Thuấn v MỤC LỤC Lời cam đoan iii Lời cảm ơn iv Danh mục hình vẽ ix Danh mục bảng xii Kí hiệu viết tắt xiii Danh mục chữ viết tắt xiv Tóm tắt luận án xvi MỞ ĐẦU xix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................1 1.1 Giới thiệu về MIMO và mô hình kênh vô tuyến........................................1 1.2 Các loại kênh truyền fading ...................................................................10 1.3 Dung lượng kênh MIMO ........................................................................12 1.4 Ước lượng kênh truyền trong MIMO .....................................................15 1.5 Kết luận chương .....................................................................................17 CHƯƠNG 2 : ƯỚC LƯỢNG KÊNH BÁN MÙ CẢI TIẾN DỰA TRÊN PHÂN TÍCH SVD ............................................................................................................19 2.1 Giới thiệu................................................................................................19 2.2 Một số thiết kế về chuỗi huấn luyện cho ước lượng kênh ......................19 2.3 Phương pháp ước lượng kênh bán mù cải tiến ......................................21 2.3.1 Mô hình kênh MIMO ..............................................................................21 vi 2.3.2 Ước lượng kênh dùng phương pháp bình phương cực tiểu (LS)............21 2.3.3 Ước lượng kênh bán mù cải tiến dùng phương pháp phân tích giá trị riêng SVD. .........................................................................................................22 2.4 Chuỗi huấn luyện đề xuất cho ước lượng kênh bán mù cải tiến ............23 2.5 Phân tích tính chính xác bộ ước lượng kênh ..........................................24 2.6 Kết quả mô phỏng...................................................................................25 2.7 Kết luận chương .....................................................................................35 CHƯƠNG 3 : ĐÁNH GIÁ ƯỚC LƯỢNG KÊNH BÁN MÙ CẢI TIẾN DỰA TRÊN PHÂN TÍCH KHÔNG GIAN CON TÍN HIỆU.......................................37 3.1 Giới thiệu................................................................................................37 3.2 Một số phương pháp dùng cho xác định thông tin trạng thái kênh........37 3.3 Mô hình hệ thống....................................................................................38 3.4 Ước lượng kênh bán mù cải tiến dựa trên không gian con tín hiệu cho MIMO ................................................................................................................39 3.5 Kết quả mô phỏng...................................................................................43 3.6 Kết luận chương .....................................................................................46 CHƯƠNG 4 : ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN BÁN MÙ CHO HỆ THỐNG MIMO OSTBC........................................................................................................48 4.1 Giới thiệu................................................................................................48 4.2 Vấn đề ước lượng kênh trong MIMO OSTBC ........................................48 4.3 Tổng quan về mã hóa khối không gian thời gian trực giao ...................49 vii 4.4 Kỹ thuật ước lượng kênh dùng thuật toán bán mù cải tiến cho MIMO OSTBC ...............................................................................................................53 4.5 Kết quả mô phỏng...................................................................................54 4.6 Kết luận chương .....................................................................................59 CHƯƠNG 5 : ƯỚC LƯỢNG MÙ CHO KÊNH FADING LỰA CHỌN TẦN SỐ DỰA TRÊN THUẬT TOÁN SDR ..................................................................60 5.1 Giới thiệu................................................................................................60 5.2 Tổng quan các phương pháp ước lượng kênh fading lựa chọn tần số ...60 5.3 Mô hình kênh fading lựa chọn tần số MIMO-OFDM ............................61 5.4 Phương pháp ước lượng kênh dựa trên ma trận bán xác định dương SDR ................................................................................................................65 5.5 Kết quả mô phỏng...................................................................................65 5.6 Kết luận chương .....................................................................................70 CHƯƠNG 6 : ƯỚC LƯỢNG KÊNH VỚI KHUNG TÍN HIỆU PHÁT NHÚNG DỮ LIỆU THỐNG KÊ BẬC HAI .........................................................................72 6.1 Giới thiệu................................................................................................72 6.2 Mô hình kênh MIMO ..............................................................................72 6.3 Khung tín hiệu phát nhúng dữ liệu thống kê bậc hai .............................73 6.4 Kết quả mô phỏng...................................................................................74 6.5 Kết luận chương .....................................................................................78 viii CHƯƠNG 7 : CÁC KỸ THUẬT CÂN BẰNG KÊNH VÀ TRUYỀN THÔNG MIMO BẢO MẬT ..................................................................................................79 7.1 Giới thiệu................................................................................................79 7.2 Tổng quan các kỹ thuật cân bằng kênh ..................................................79 7.3 Mô hình kênh MIMO cho thuật toán cân bằng kênh..............................80 7.4 Kỹ thuật cân bằng kênh cưỡng bức không ZF........................................81 7.5 Kỹ thuật cân bằng kênh MMSE ..............................................................81 7.6 Vấn đề truyền thông bảo mật trong MIMO ............................................81 7.7 Kết quả mô phỏng...................................................................................84 7.8 Kết luận chương .....................................................................................90 CHƯƠNG 8 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................91 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .....................................................94 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................97 PHỤ LỤC...............................................................................................................104 ix Danh mục các hình vẽ Hình 1.1. Sơ đồ khối xử lý tín hiệu một hệ thống MIMO điển hình......................................3 Hình 1.2. Xử lý và tách tín hiệu trong một hệ thống MIMO khi biết giá trị kênh phía phát và thu ..............................................................................................................................7 Hình 1.3. Vị trí khối ước lượng kênh trong kỹ thuật MIMO-OFDM ..................................10 Hình 1.4. So sánh dung lượng số anten thu phát MIMO khác nhau ....................................14 Hình 1.5. Cấu trúc khung tín hiệu phát gồm chuỗi huấn luyện và tín hiệu có ích ...............16 Hình 1.6. Sơ đồ khối xử lý tín hiệu thu phát chung cho hệ thông vô tuyến.........................17 Hình 1.7. Cấu trúc cụm tín hiệu trong chuẩn vô tuyến GSM...............................................17 Hình 2.1. Kiểu chuỗi huấn luyện răng cài lược (a), kiểu khối (b), kiểu vòng (c) ................20 Hình 2.2. Lưu đồ thuật toán tính sai số ước lượng kênh với pilot trực giao ........................27 Hình 2.3. MSE và Eb/No cho ước lượng kênh bình phương cực tiểu và bán mù cải tiến ...28 Hình 2.4. MSE và độ dài chuỗi huấn luyện cho ước lượng bán mù cải tiến dựa trên SVD 30 Hình 2.5. So sánh trường hợp ước lượng bán mù cải tiến hoàn hảo và ước lượng kênh không hoàn hảo ............................................................................................................31 Hình 2.6. Đánh giá MSE cho các cấu trúc chuỗi huấn luyện khác nhau .............................32 Hình 2.7. So sánh mô phỏng BER/SER cho ước lượng kênh bán mù cải tiến dùng chuỗi huấn luyện trực giao và phương pháp của Rustam Efendi...........................................33 Hình 2.8. Đánh giá MSE của thuật toán ước lượng kênh bán mù cải tiến dựa trên SVD dùng các kỹ thuật điều chế khác nhau..........................................................................34 Hình 2.9. Đánh giá dung lượng kênh của phương pháp bán mù cải tiến cho hệ thống MIMO 2 anten phát 2 anten thu ...................................................................................35 Hình 3.1. So sánh MSE của các phương pháp ước lượng khác nhau ..................................43 x Hình 3.2. Đánh giá MSE cho các độ dài chuỗi huấn luyện khác nhau ................................45 Hình 3.3. Đánh giá MSE cho ước lượng kênh dựa trên không gian con tín hiệu khi xét ảnh hưởng nhiễu..................................................................................................................45 Hình 3.4. Đánh giá MSE khi tỉ lệ chuỗi huấn luyện trên dữ liệu có ích là 1/100 ................46 Hình 4.1. Cấu trúc tín hiệu mã hóa không gian-thời gian ....................................................50 Hình 4.2. Sơ đồ khối xử lý tín hiệu OSTBC trong MIMO ..................................................53 Hình 4.3. Lưu đồ thuật toán ước lượng kênh MIMO OSTBC.............................................55 Hình 4.4. So sánh bộ ước lượng kênh bán mù cải tiến đề xuất và bộ ước lượng LS ...........57 Hình 4.5. MSE và Eb/No của bộ ước lượng kênh bán mù cải tiến với các hệ thống MIMO OSTBC3 với tốc độ mã khác nhau...............................................................................57 Hình 4.5. MSE của bộ ước lượng kênh mù cho MIMO OSTBC dùng kĩ thuật điều chế khác nhau ..............................................................................................................................58 Hình 5.1. So sánh BER các phương pháp ước lượng kênh dựa trên SDR và ZF ................67 Hình 5.2. Phương pháp ước lượng kênh mù dựa trên SDR với số lần lặp khác nhau .........68 Hình 5.3. So sánh ước lượng kênh cho các hệ thống MIMO có số anten thu phát khác nhau ......................................................................................................................................68 Hình 5.4. So sánh độ phức tạp tính toán của 2 phương pháp ước lượng kênh ....................69 Hình 5.5. So sánh ước lượng kênh bán mù cải tiến dựa trên SDR và phương pháp của ZhiQuan Luo......................................................................................................................70 Hình 6.1 MSE của phương pháp ước lượng kênh WR nhúng dữ liệu thống kê bậc hai SOS ......................................................................................................................................76 Hình 6.2 So sánh ước lượng kênh WR dùng SOS và phương pháp WR truyền thống........77 Hình 6.3 Ước lượng kênh WR nhúng dữ liệu SOS khi thay đổi số anten thu phát ............77 xi Hình 7.1. Cấu trúc chuỗi huấn luyện có nhúng nhiễu nhân tạo AN, X1 là chuỗi nhúng AN, X0 là chuỗi huấn luyện thông thường...........................................................................82 Hình 7.2. Kênh truyền phân biệt trong MIMO bảo mật.......................................................83 Hình 7.3. So sánh các kỹ thuật cân bằng kênh ZF, MMSE .................................................85 Hình 7.4. So sánh các kỹ thuật cân bằng kênh ZF-SIC, MMSE-SIC và ML ......................86 Hình 7.5a. Kỹ thuật cân bằng kênh ZF-SIC cho các cấu hình MIMO khác nhau ...............86 Hình 7.5b. Kỹ thuật cân bằng kênh MMSE-SIC cho các cấu hình MIMO khác nhau ........87 Hình 7.6. Đánh giá NMSE với SNR, giả sử ( SNR A  SNRU ) và K=1 ...............................89 Hình 7.7. Đánh giá NMSE với SNR cho K=10 ...................................................................89 Hình 7.8. Đánh giá NMSE với các giá trị K khác nhau và SNR=30 dB..............................89 xii Danh mục các bảng Bảng 2.1. Giải thuật ước lượng kênh bán mù cải tiến MIMO dựa trên SVD ......................26 Bảng 2.2. Các tham số cài đặt trong mô phỏng 1 ................................................................28 Bảng 2.3. Các tham số cài đặt trong mô phỏng 4 ................................................................32 Bảng 4.1. Các tham số tín hiệu thu/phát liên quan cấu trúc OSTBC ...................................51 Bảng 4.2. Giải thuật ước lượng kênh mù MIMO OSTBC ...................................................56 Bảng 5.1. Giải thuật ước lượng kênh mù cho kênh fading lựa chọn tần số .........................66 Bảng 6.1. Kết quả MSE của mô phỏng với nhiều giá trị lambda.........................................75 xiii Danh mục kí hiệu, chữ viết tắt Các kí hiệu dùng trong luận án này: Các kí tự viết hoa in đậm là ma trận,   . là kí hiệu ma trận giả đảo (Pseudoinverse), H  . là ma trận chuyển vị liên hợp phức, 2 . là phép tính chuẩn Frobenius bậc 2, tr  . là phép tính tổng giá trị trên đường chéo chính ma trận vuông.  là phép nhân Kronecker xiv Các chữ viết tắt AN AR BTS CG CSI DOA DOD DVB EM FIR FO FFT GSM Artificial Noise Authorized Receiver Base Transceiver Station Channel gain Channel Status Information Directions Of Arrival Directions Of Depature Digital Video Broadcasting Expectation-Maximization Finite Impulse Response Frequency Offset Fast Fourier tranform Global System for Mobile Communication GPRS General Packet Radio Service HOS Higher Order Statistics LMS Least Mean Squares LS Least Squares MCMulti Carrier - Code Division CDMA Modulation Access MIMO Multiple Input Multiple Output MISO Multiple Input Single Output ML Maximum Likelihood MMSE Minimum Mean Square Error MSE Mean Square Error NMSE Normalized Mean Square Error OSTBC Orthogonal Space Time Block Code RLS Recusive Least Squares SB Semi-Blind SIMO Single Input Multiple Output SISO Single Input Single Output SIC Sucessive Interference Cancellation SLS Scaled Least Square SOS Second Order Statistics SNR Signal Noise Ratio ST Superimposed Training STTC Space Time Trellis Code : nhiễu nhân tạo : máy thu hợp pháp : trạm thu phát gốc : độ lợi kênh : thông tin trạng thái kênh : hướng tín hiệu đến : hướng tín hiệu phát : video số quảng bá : cực đại kì vọng : đáp ứng xung hữu hạn : độ lệch tần số : biến đổi Fourier nhanh : hệ thống thông tin di động toàn cầu : dịch vụ vô tuyến gói chung : thống kê bậc cao : bình phương trung bình cực tiểu : bình phương cực tiểu : đa truy nhập phân chia theo mã – đa sóng mang : hệ thống đa anten phát đa anten thu : hệ thống đa anten phát một anten thu : tương đồng cực đại : lỗi trung bình bình phương cực tiểu : lỗi trung bình bình phương : lỗi trung bình bình phương chuẩn hóa : mã khối không gian thời gian trực giao : bình phương cực tiểu đệ qui : (ước lượng) bán mù : hệ thống 1 anten phát nhiều anten thu : hệ thống 1 anten phát 1 anten thu : triệt nhiễu liên tiếp : bình phương cực tiểu tỉ lệ : thống kê bậc hai : tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu : chuỗi huấn luyện xếp chồng : mã lưới không gian thời gian xv SVD TDMA UMTS UR WR ZF Singular Value Decomposition Time Division Multiple Access Univeral Mobile Telecommunications System Unauthorized Receiver Whitening Rotation (matrix) Zero Forcing : phân tích giá trị riêng : Đa truy nhập phân chia theo thời gian : Hệ thống thông tin di động toàn cầu : máy thu bất hợp pháp : ma trận trắng, ma trận có tính chu kì : cưỡng bức về không xvi TÓM TẮT LUẬN ÁN Mục đích cơ bản của bộ thu tín hiệu vô tuyến là khôi phục tín hiệu gốc đã phát. Hiện nay, người ta đã phát triển rất nhiều thuật toán cân bằng kênh cho hệ thống nhiều anten phát nhiều anten thu trên cơ sở tính chất phân tập không gian của nó. Hầu hết các bộ tách tín hiệu hay cân bằng kênh đều yêu cầu giá trị thông tin trạng thái kênh để tái tạo lại tín hiệu đã phát ở phía thu. Do đó, nhu cầu phát triển các phương pháp ước lượng kênh truyền giữa thiết bị phát và thu là thành phần quan trọng trong thiết kế bộ thu tín hiệu. Luận án này trình bày nhiều thuật toán khác nhau cho ước lượng kênh MIMO. Trước tiên, luận án trình bày giải pháp đề xuất là phương pháp ước lượng kênh bán mù cải tiến kết hợp ước lượng bình phương cực tiểu với các giải pháp mù và có sử dụng chuỗi huấn luyện trực giao. Ngoài ra, luận án cũng nêu ra giải pháp mới kết hợp phương pháp bình phương cực tiểu tỉ lệ với ước lượng dựa trên dự đoán tuyến tính. Đặc biệt, hệ thống dùng cấu trúc chuỗi huấn luyện trực giao đề xuất nhằm làm giảm độ phức tạp khi tính toán các ma trận trong các thủ tục ước lượng kênh. Gần đây, các nghiên cứu về nhận dạng kênh mù cho MIMO OSTBC khá thu hút nhờ ưu điểm của bộ tách tín hiệu sử dụng thuật toán Maximum Likelihood (ML). Trong các giải pháp đề xuất, ta đều dựa trên phân tích giá trị riêng (SVD) của kênh truyền (phân tích kênh truyền thành 2 ma trận W và Q ). Điều này được chứng minh là giảm các tham số ước lượng nhờ kết hợp thuộc tính trực giao tín hiệu phát và do vậy nên tăng độ chính xác khối ước lượng kênh. Bên cạnh đó, luận án cũng giải bài toán khó đối với ước lượng kênh là khảo sát kênh fading lựa chọn tần số dùng phương pháp SDR (SemiDefinite Relaxation). Trong một cải tiến của thuật toán ước lượng kênh dựa trên phân tích SVD cho trường hợp xét đến sự sai số ma trận W , luận án dùng khung tín hiệu phát tăng cường thêm dữ liệu thống kê tín hiệu nhằm giảm ảnh hưởng thành phần nhiễu. Dữ liệu thống kê thêm vào khung tín hiệu phát sẽ giúp giảm nhiễu xáo trộn tín hiệu ở phía thu tuy mất một phần không đáng kể băng thông cho việc truyền tín hiệu này. Sau cùng, luận án trình bày các kỹ thuật cân bằng kênh và vấn đề bảo xvii mật trong MIMO. Các phân tích lỗi trung bình bình phương (MSE), tỉ số lỗi bit (BER) chứng tỏ sự cải thiện của bộ ước lượng kênh đề xuất so với phương pháp truyền thống. xviii ABSTRACT The ultimate goal at the receiver is to recover the signal that was originally transmitted. A variety of equalization techniques has been developed for MIMO systems depending on whether it is a diversity or spatial multiplexing system. Regardless of the type of MIMO systems, most of the equalization/detection schemes require knowledge of the channel information in order to recover the transmitted signal. As a result, developing an efficient method of approximating the transmission channel between the transmitter and the receiver is an essential component in term of the receiver design. Interestingly, it have many algorithms investigated for channel estimation in MIMO systems. Especially, these techniques bring out some novel blind channel estimation schemes through combining the conventional least square based method and blind ones using designed orthogonal training sequence. Besides, we also propose a new hybrid scheme which combines the linear prediction estimation and scaled least square algorithm. Recently, the advanced technique in MIMO OSTBC system such as blind identification effectively uses the advantages of Maximum Likelihood (ML) detection at the receivers. In most of proposed schemes, one can ultilize the novel blind channel estimation method based on the singular value decomposition (SVD) of the original channel matrix. These algorithms have less the number of the parameters if we use the properties of the orthogonal matrices and hence reduce the complexity in computation. Furthermore, this dissertation also solve the hard optimization problem in term of frequency selective fading channel estimation. In order to combat interference part in received signal, we tranmit pure signal and its second order statistic data as the modified whitening rotation based channel estimation. Related channel estimation issues, we present detailed equalization techniques such as ZF, MMSE and MIMO security. Finally, we focus on performance analysis in terms of MSE criteria, in this dissertation, aiming to enhance the performance of channel estimator in MIMO in comparion with previous works. xix MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, lĩnh vực nghiên cứu thông tin vô tuyến đã phát triển rất nhanh, đáp ứng được nhu cầu phát triển nhanh của các dịch vụ tốc độ cao và chất lượng được cải thiện. Tuy nhiên, băng thông dành cho các thiết bị đầu cuối truy nhập hệ thống vô tuyến bị giới hạn. Suốt nhiều năm qua, các nhà nghiên cứu đã không ngừng phát triển các thiết bị vô tuyến chuẩn 4G (thế hệ mạng di động thứ 4) hỗ trợ các ứng dụng dữ liệu đa phương tiện tốc độ cao như DVB nhằm phát triển các dịch vụ cung cấp nội dung số độ phân giải cao. Một trong những thách thức lớn nhất của các nhà thiết kế hệ thống vô tuyến là đặc tính phức tạp của kênh truyền vô tuyến. Không giống như kênh hữu tuyến, các kênh vô tuyến thay đổi nhanh và chịu ảnh hưởng của hiện tượng fading. Bản chất của fading kênh vô tuyến phát sinh ra đa đường tín hiệu do hiện tượng tán xạ từ các vật thể như nhà cửa, cây cối và các vật thể khác. Từ lúc bắt đầu phát triển công nghệ vô tuyến thế hệ 2 và thế hệ 3, các hệ thống đều là dạng một anten phát, một anten thu (SISO). Tuy nhiên, dung lượng của các đường truyền vô tuyến này bị ảnh hưởng bất lợi bởi fading dẫn đến tín hiệu thu bị suy hao nghiêm trọng khi bị fading sâu. Vấn đề này có thể giảm bớt một phần nhờ sử dụng đa anten ở bộ thu. Bằng cách đặt các anten thu cách nhau một khoảng lớn hơn xấp xỉ nửa bước sóng của tín hiệu băng hẹp, người ta đảm bảo rằng các kênh vô tuyến giữa các cặp anten thu phát này có khả năng xử lý fading độc lập. Vì vậy xác suất để các kênh bị fading sâu giảm đáng kể nên đảm bảo độ tin cậy các tín hiệu. Cấu trúc sử dụng đa anten thu đảm bảo cải thiện chất lượng tín hiệu nhờ triệt fading còn gọi là thu phân tập. Tương tự vậy, phân tập phía phát nhờ dùng đa anten phía phát cũng giảm fading. Do đó, hệ thống MIMO dùng đa anten phát, đa anten thu còn được gọi là hệ thống anten thông minh. Ngoài ra, một trong các tính chất của hệ thống MIMO khác là dung lượng tăng tuyến tính với số lượng anten. Do đó, hệ thống MIMO mạng lại lợi ích kép, vừa tăng dung lượng nhờ ghép kênh không gian và triệt fading nhờ phân tập thu/phát. Các tính chất này đã thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu về các xx vấn đề hệ thống vô tuyến nhiều năm qua. Đó cũng là lý do dẫn đến các phát triển thuật toán trình bày trong luận án này. Đặc biệt hơn trong hệ thống MIMO, vấn đề ước lượng kênh cho hệ thống vô tuyến này là nhiệm vụ khó khăn từ yêu cầu của thiết bị đầu cuối. Tính chất di động của các thiết bị vô tuyến gây ra sự biến thiên theo thời gian của kênh vô tuyến sinh ra do hiệu ứng Doppler. Vì thế, khoảng thời gian mà kênh vô tuyến không thay đổi, hay còn gọi là thời gian nhất quán (coherent time) là vài mili giây và đòi hỏi phải tái ước lượng liên tục các hệ số kênh truyền. Vấn đề ước lượng kênh càng đặc biệt quan trọng trong hệ thống MIMO bởi vì khi phân tập tăng, số lượng các tham số cần ước lượng tăng một khoảng là tích số anten phát và anten thu. Do vậy, các hệ thống MIMO cần ước lượng nhiều tham số hơn so với hệ thống SISO. Chính những thách thức này là động cơ cho các phát triển kỹ thuật ước lượng kênh MIMO hiệu quả được trình bày trong các phần sau của luận án. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Các nghiên cứu trong nước: Các nghiên cứu về ước lượng kênh truyền bán mù cải tiến cho hệ thống MIMO ít được nghiên cứu chi tiết trong các tạp chí khoa học hay hội nghị khoa học nào ở trong nước trong suốt thời gian vừa qua. Một số vấn đề được nghiên cứu nhiều trong các luận án bậc cao học, đại học liên quan tới phương pháp ước lượng bình phương cực tiểu dùng chuỗi huấn luyện ứng dụng cho hệ thống MIMO-OFDM [1]. Liên quan tới ước lượng cho hệ thống MC-CDMA, nhóm tác giả Nguyễn Viết Kính và cộng sự trình bày thuật toán EM [2]. Đây là một phương pháp lặp để tìm ước lượng ML của các tham số trong sự hiện diện của dữ liệu không quan sát được. Thuật toán EM được coi là phương pháp số để giải quyết vấn đề ước lượng ML. Ý tưởng của thuật toán này là làm tăng thêm thông tin cho dữ liệu quan sát được nhờ thông tin dữ liệu tiềm tàng (dữ liệu này có thể là cả dữ liệu không thấy - missing data và cả các giá trị tham số). Ngoài ra, trong tài liệu [3], tác giả cũng so sánh chất