Luận án nghiên cứu giải pháp giảm can nhiễu và méo phi tuyến trong hệ thống thông tin vệ tinh đa phương tiện

1 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Thông tin vệ tinh trên thế giới đang chuyển sang các hệ thống thông tin vệ tinh tiên tiến hoàn toàn dựa trên nền IP, hỗ trợ tốt cho việc truyền hình ảnh số và video qua vệ tinh như các chuẩn Quảng bá hình ảnh số qua vệ tinh phiên bản hai, DVB-S2 và Quảng bá hình ảnh số qua vệ tinh với kênh phản hồi, DVB-RCS. Xu hướng phát triển trong viễn thông cho thấy bốn lĩnh vực dịch vụ vệ tinh sẽ phát triển mạnh đó là dịch vụ nhắn tin – định vị, dịch vụ di động vệ tinh, dịch vụ phát hình và dịch vụ tương tác đa phương tiện [1]. Bên cạnh đó, một số lĩnh vực đang nhận được nhiều quan tâm, nghiên cứu với tiềm năng phát triển mạnh đó là mở rộng chuẩn DVB-S2/-RCS cho người sử dụng di động, lên kết mạng IP vệ tinh với các hệ thống vô tuyến mặt đất (như hệ thống thông tin di động), hội tụ thông tin vệ tinh với cảm biến từ xa cho quan sát trái đất [2]. Kênh vệ tinh có pha-đinh tác động, có các phần tử lọc làm cho tín hiệu thu bị méo tuyến tính [1] [3].

Trên vệ tinh sử dụng bộ khuếch đại công suất hoạt động trong điều kiện tổn hao kênh biến đổi nên công suất phát phải biến đổi; sử dụng phương pháp truyền dẫn ghép kênh phân chia theo tần số trực giao, OFDM, với dịch vụ đa phương tiện nên số lượng kênh con biến đổi ngẫu nhiên dẫn đến tải bộ khuếch đại biến đổi ngẫu nhiên. Các yếu tố cơ bản đó làm cho bộ khuếch đại công suất phải làm việc ở chế độ phi tuyến cao, đặc biệt đối với các hệ thống thông tin vệ tinh sử dụng quỹ đạo địa tĩnh với khoảng cách truyền dẫn trên 36. Bên cạnh đó, với kết nối đa phương tiện qua vệ tinh cho nên các yếu tố phi tuyến khác của hệ thống sẽ tác động đến kênh [3]. Ảnh hưởng của các tác động đó dẫn đến: Xuyên nhiễu giữa các ký hiệu, ISI, biến động các điểm định thời, xuyên nhiễu giữa các sóng mang con trong hệ thống, ICI.

Các ảnh hưởng này đặc biệt nghiêm trọng đối với các hệ thống thông tin vệ tinh di động sử dụng truyền dẫn đa sóng mang. Các 2 hệ thống này thường triển khai vệ tinh ở quỹ đạo thấp để đảm bảo công suất cho máy đầu cuối. Với những đặc điểm nêu trên của kênh thông tin vệ tinh thể hiện qua tính phi tuyến, pha đinh đa đường, can nhiễu giữa các ký hiệu, các kênh, các hệ thống tương đối lớn nên trong thực tế người ta thường phải sử dụng các kỹ thuật khắc phục điển hình như: Méo trước thích nghi, các kỹ thuật ước lượng kênh có độ nhạy cao, cân bằng thích nghi, mã hóa chống lỗi … [4]. Tuy có nhiều kỹ thuật mới đã và đang được áp dụng nhưng chúng vẫn chưa đáp ứng triệt để yêu cầu nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả hoạt động cho hệ thống thông tin vệ tinh đa phương tiện.

Với lý do trên mà việc nghiên cứu đề xuất giải pháp nhằm khắc phục méo phi tuyến và giảm can nhiễu, nâng cao hiệu năng của hệ thống thông tin vệ tinh đa phương tiện là một yêu cầu cấp thiết, thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học ở trong và ngoài nước. Chính vì thế, nghiên cứu sinh đã quyết định lựa chọn hướng “Nghiên cứu giải pháp giảm can nhiễu và méo phi tuyến trong hệ thống thông tin vệ tinh” cho luận án của mình. Luận án hướng tới xây dựng bộ cân bằng sử dụng mạng nơ-ron và phương pháp kernel để cải thiện hiệu năng cân bằng đáp ứng yêu cầu của kênh vệ tinh đa phương tiện. Bài toán đặt ra Kênh vệ tinh, có thể được xem như hệ thống động phi tuyến, phải đối mặt với hai thách thức cơ bản: (1) Méo phi tuyến do sử dụng bộ khuếch đại phi tuyến trên vệ tinh; (2) Pha đinh đa đường do kênh truyền sóng đường xuống.

Các vấn đề này phải được giải quyết để đạt được tốc độ truyền dẫn cao và hiệu năng BER chấp nhận được. Việc sử dụng mạng nơ-ron cũng như phương pháp kernel có thể là bước quan trọng để đạt được mục tiêu này. Trong những năm gần đây, kỹ thuật sử dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trong thông tin vô tuyến đã có những động lực nghiên cứu mạnh mẽ. Các bộ cân bằng tuyến tính thường sử dụng các bộ lọc tuyến tính với cấu trúc ngang hàng hoặc cầu chéo và thuật toán thích ứng như bình phương tối thiểu hồi quy (RLS), bình phương trung 3 bình tối thiểu (LMS).

Tuy nhiên, các bộ cân bằng tuyến tính không thực hiện tốt trên kênh có điểm không của phổ sâu [5]. ANN có khả năng tạo nên các biên quyết định phi tuyến tùy ý đáp ứng yêu cầu miền phức [5] [6]. Với phương pháp kernel, việc biểu diễn các mối quan hệ phi tuyến phức tạp có thể được chuyển về không gian nhiều chiều qua các quan hệ tuyến tính với các tính toán đơn giản dựa trên tích vô hướng [7]. Với đặc tính của phương pháp kernel có thể giúp cải thiện hiệu năng của các bộ cân bằng thích nghi dựa trên các giải thuật cập nhật truyền thống như RLS hay LMS.

Phương pháp này cũng khắc phục được hiện tượng tối ưu cục bộ trong cân bằng nơ-ron, làm tăng hiệu năng hoạt động của bộ cân bằng [7] [8]. Mục tiêu nghiên cứu Để khắc phục nhiễu liên ký hiệu và méo phi tuyến cho hệ thống thông tin vệ tinh mới, luận án tập trung vào giải pháp cải thiện hiệu năng bộ cân bằng thực hiện theo hai hướng: + Cải thiện hiệu năng MSE của bộ cân bằng nhờ việc sử dụng mạng neuron trong quá trình xây dựng bộ cân bằng. Mạng nơ-ron được đề xuất trong nhiều nghiên cứu là bộ cân bằng phi tuyến mạnh [5]. Nghiên cứu của luận án tập trung vào cải tiến, nâng cao hiệu năng của các bộ cân bằng nơ-ron như bộ cân bằng RBF để từ đó áp dụng vào cân bằng cho kênh vệ tinh phi tuyến cao như kênh vệ tinh địa tĩnh.

+ Cải thiện hiệu năng tốc độ hội tụ, đơn giản hóa việc tính toán cho các bộ cân bằng thích nghi truyền thống với các giải thuật RLS, LMS quen thuộc. Phương pháp kernel được sử dụng để cải tiến các giải thuật này. Luận án tập trung nghiên cứu giải thuật KRLS áp dụng cho kênh phi tuyến thay đổi để ứng dụng vào các bộ cân bằng thích nghi cho kênh vệ tinh di động, khắc phục hiện tượng phân kỳ trong tính toán và phù hợp với kênh biến đổi theo thời gian. 4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài luận án thuộc phạm vi lý thuyết, liên quan đến quá trình xử lý tín hiệu trong thông tin vệ tinh.

Cụ thể là các giải pháp giảm can nhiễu và méo phi tuyến được tập trung nghiên cứu trên cơ sở đặc trưng truyền dẫn của hai hệ thống là thông tin vệ tinh di động dựa trên quỹ đạo thấp và thông tin vệ tinh cố định dựa trên quỹ đạo địa tĩnh. - Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thông tin vệ tinh số đa phương tiện + Bộ khuếch đại công suất cao, HPA, trong hệ thống phát đáp trên vệ tinh + Kênh truyền sóng đa đường của đường xuống - Phạm vi nghiên cứu: + Đặc tính của kênh thông tin vệ tinh số đa phương tiện, tập trung vào tính phi tuyến của HPA và nhiễu ISI do đa đường của kênh truyền sóng đường xuống. + Giải pháp khắc phục nhiễu ISI và méo phi tuyến của HPA bằng việc sử dụng bộ cân bằng tại máy thu. Phương pháp nghiên cứu Luận án thực hiện dựa trên các phương pháp: + Phân tích lý thuyết đặc tính kênh vệ tinh đa phương tiện, xác định mô hình kênh vệ tinh di động sử dụng vệ tinh quỹ đạo thấp và kênh vệ tinh cố định sử dụng vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh.

+ Tổng hợp kết quả nghiên cứu của các tác giả khác có liên quan đến vấn đề giảm nhiễu liên ký hiệu và méo phi tuyến trong thông tin vệ tinh, xác định những điểm tồn tại, các vấn đề khoa học cần giải quyết. + Ứng dụng các công cụ mới trong xây dựng bộ cân bằng để cải thiện hiệu năng của bộ cân bằng từ đó đưa ra giải pháp cân bằng mới khắc phục hiệu quả méo phi tuyến của HPA và nhiễu ISI cho hệ thống thông tin vệ tinh đa phương tiện. 5 + Sử dụng máy tính và các công cụ tính toán, mô phỏng để kiểm chứng kết quả của giải pháp đề xuất. Các đóng góp chính của luận án + Đề xuất bộ cân bằng nơ-ron RBF cải tiến phù hợp cho kênh vệ tinh phi tuyến cao sử dụng quỹ đạo địa tĩnh.

Luận án đưa ra giải thuật huấn luyện với mục tiêu giảm số tâm cần tính toán trong quá trình huấn luyện mạng nơ-ron RBF qua đó rút ngắn thời gian huấn luyện, cải thiện tốc độ hội tụ của bộ cân bằng đáng kể so với bộ cân bằng RBF thông thường và các bộ cân bằng RBF cải tiến tương đương của các tác giả khác. + Đề xuất bộ cân bằng kernel RLS mở rộng phù hợp cho kênh vệ tinh phi tuyến động sử dụng quỹ đạo thấp. Giải thuật cập nhật trọng số cho bộ cân bằng thích nghi RLS được áp dụng phương pháp kernel nhằm đơn giản việc tính toán, yếu tố thay đổi của kênh được tính đến giúp bộ cân bằng theo kịp sự biến đổi của kênh. Tốc độ hội tụ, đặc tính bám kênh của bộ cân bằng được cải thiện đáng kể so với các bộ cân bằng RLS thông thường và các bộ cân bằng KLMS, KRLS tương đương.

+ Đề xuất giải pháp kết hợp nhiều kernel đơn để đạt được bộ cân bằng tổng hợp với các thông số hiệu năng tốt nhất của các kernel đơn thành phần. Luận án thực hiện kết hợp hai kernel đơn LMS với tham số tốc độ ghép được lựa chọn đảm bảo đạt được sự cải thiện hiệu năng của bộ cân bằng đề xuất so với các bộ cân bằng kernel đơn và đa kernel của các tác giả khác. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án - Ý nghĩa khoa học: + Luận án góp phần giải quyết vấn đề cân bằng với hiệu năng cải thiện đáp ứng yêu cầu cân bằng cho kênh vệ tinh đa phương tiện. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, các bộ cân bằng đề xuất có khả năng giải quyết tốt hơn vấn đề méo phi tuyến và nhiễu ISI cho hệ thống thông tin vệ tinh cố định dựa trên quỹ đạo địa tĩnh và hệ thống thông tin vệ tinh di động dựa trên quỹ đạo thấp.