Nghiên cứu giải pháp mã hóa p LDPC nâng cao hiệu năng của hệ thống MIMO cỡ lớn TT

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG VŨ ĐỨC HIỆU NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP MÃ HÓA P-LDPC NÂNG CAO HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 62.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2021 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN THỦY PGS.TS NGUYỄN HỒNG QUANG Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG Vào hồi:….giờ….ngày….tháng….năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thƣ viện Quốc gia Việt Nam Thƣ viện Học viện Cơng nghệ Bƣu Viễn thông MỞ ĐẦU Lý nghiên cứu Với xu hướng phát triển mạng viễn thông nhu cầu tốc độ truyền dẫn không ngừng gia tăng để đáp ứng dịch vụ thời gian thực dịch vụ yêu cầu băng thông cao mạng vô tuyến di động Nếu tốc độ truyền dẫn tối đa 4G 100Mbps, người ta kỳ vọng tốc độ tối đa 5G lên đến 20 Gb/s lớn Tb/s mạng 6G Bên cạnh đó, trễ xử lý tín hiệu (latency) đặt yêu cầu khắt khe mạng vô tuyến di động tương lai Ví dụ mạng 4G yêu cầu độ trễ xử lý 10 ms mạng 5G yêu cầu độ trễ xử lý giảm xuống ms Đặc biệt, mạng 6G yêu cầu độ trễ mức 10-100 µs Những yêu cầu tốc độ độ trễ xử lý kéo theo thay đổi lớn giao diện vô tuyến mạng không dây hệ Nếu công nghệ đa đầu vào đa đầu (MIMO) mã sửa lỗi kênh Turbo sử dụng mạng 4G hệ thống MIMO cỡ lớn (Massive/Large-Scale MIMO – với số ăng-ten lên đến hàng trăm) mã LDPC/ Polar Codes đề xuất cho mạng 5G Đối với mạng 6G, công nghệ đa đầu vào đa đầu tiếp tục công nghệ lõi người ta đề xuất sử dụng hệ thống MIMO cực lớn (“super-massive MIMO) để cung cấp tốc độ truyền dẫn lên đến Tb/s Những thay đổi cơng nghệ vơ tuyến nói địi hỏi phải có nghiên cứu đề xuất thuật toán để cải tiến thuật tốn xử lý tín hiệu cho việc truyền dẫn kênh vô tuyến hiệu - tiết kiệm lượng pin tăng dung lượng kênh Tuy vậy, nghiên cứu việc kết hợp mã Protograph LDPC với kênh MIMO cỡ lớn sử dụng chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp chưa nhà nghiên cứu nước giới thực Vì vậy, NCS lựa chọn chủ đề làm nghiên cứu luận án Mục tiêu nghiên cứu Những phân tích cho thấy hệ thống MIMO đóng vai trị quan trọng hệ thống thông tin di động Tuy nhiên thách thức hệ thống MIMO lượng tiêu thụ modul vô tuyến sử dụng nhiều chuyển đổi ADC có độ phân giải cao độ phức tạp việc tách sóng giải mã tín hiệu Vì mục tiêu nghiên cứu luận án nghiên cứu cải thiện hiệu hệ thống MIMO cỡ lớn Nội dung nghiên cứu Với mục tiêu nghiên cứu trên, phần nội dung nghiên cứu Luận án tâp trung vào nội dung sau: - Tìm giải pháp tách sóng tín hiệu MIMO cỡ lớn có độ phức tạp thấp hoạt động thuật toán hiệu kết hợp với mã Protograph LDPC Việc lựa chọn mã Protograph LDPC luận án họ mã mã LDPC có hiệu tiệm cận với dung lượng Shannon độ phức tạp việc thiết kế tạo mã đơn giản Loại mã đề xuất sử dụng hệ thống vô tuyến thực tế - Đề xuất thuật toán thiết kế mã kênh Protograph LDPC cho kênh MIMO cỡ lớn 2 - Đề xuất cơng cụ đánh giá phân tích hiệu mã sử dụng hệ thống MIMO cỡ lớn với chuyển đổi tương tự số (ADC) có độ phân giải thấp Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu mơ hình kênh truyền dẫn MIMO cỡ lớn điểm – điểm sử dụng mơ hình kênh thống kê (Kênh pha đinh Rayleigh) giúp cho việc xây dựng biểu thức toán học thuận lợi để từ có phân tích lý thuyết chặt chẽ Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Việc nghiên cứu mơ hình truyền dẫn sử dụng mã tiệm cận dung lượng kênh mã Protograph LDPC cho kênh MIMO cỡ lớn với chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp chưa nghiên cứu nhiều nước giới Vì đề xuất giải pháp cho việc tách sóng tín hiệu quy trình thiết kế mã đánh giá hiệu kênh truyền dẫn tạo tảng cho việc nghiên cứu mơ hình truyền dẫn phức tạp mạng thông tin di động tế bào thực tế Ý nghĩa thực tiễn nghiên cứu quy trình thiết kế đánh giá hiệu giúp nhà thiết kế tuyến truyền dẫn di động tìm mã Protograph LDPC độ phân giải chuyển đổi ADC tối ưu với kênh truyền dẫn vô tuyến cụ thể Phƣơng pháp nghiên cứu  Thiết lập mơ hình tốn học: Để có giải pháp xử lý tín hiệu tổng quát, nghiên cứu luận án sử dụng phương pháp mơ hình hóa thành phần tuyến truyền dẫn mơ hình tốn học thống kê Cụ thể: Mơ hình q trình biến đổi hệ số/độ lợi kênh truyền biến ngẫu nhiên theo phân bố Rayleigh Nhiễu đầu vào máy thu hệ số nhiệt linh kiện điện tử nhiễu Gauss trắng cộng Tổng nhiễu luồng tín hiệu mơ hình nhiễu Gauss trắng cộng dựa định luật số lớn thống kê Ảnh hưởng q trình lượng tử mơ hình hóa hệ số suy giảm tín hiệu nhiễu cộng Tất mơ hình tốn học áp dụng nghiên cứu nhà khoa học giới nghiên cứu giải pháp xử lý tín hiệu lớp vật lý giao diện vơ tuyến  Mơ máy tính để kiểm nghiệm kết phân tích tốn học: Các mơ máy tính thực để kiểm định lại phân tích lý thuyết Cấu trúc luận án Ngồi phần mở đầu phần kết luận, kiến nghị, Luận án chia thành chương với bố cục sau: Chương giới thiệu tổng quan mơ hình thơng tin số, mơ hình kênh MIMO mã tiệm cận dung lượng kênh Shannon Protograph LDPC Chương trình bày thuật tốn tách sóng tín hiệu MIMO cỡ lớn dựa giản đồ Tanner truyền lan độ tin cậy Chương trình bày quy trình thiết kế mã Protograph LDPC cho kênh MIMO cỡ lớn dùng giản đồ Tanner kép Chương trình bày quy trình đánh giá hiệu hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn với chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp Phần kết luận tổng kết lại đóng góp luận án hướng phát triển đề tài truyền dẫn MIMO cỡ lớn với ADC có độ phân giải thấp 3 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN DẪN MIMO VÀ MÃ PROTOGRAPH LDPC Tóm tắt : Nội dung chương trình bày tổng quan hệ thống thông tin số, kênh truyền dẫn MIMO mã Protograph LDPC Phần cuối chương đề cập đến vấn đề nghiên cứu trước nước đề xuất hướng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu phương thức tiếp cận luận án 1.1 Hệ thống thông tin số Phần giới thiệu tổng quan mơ hình hệ thống thơng tin kết nối điểm-điểm trình bày Hình 1.1 Hình 1.1 Mơ hình truyền thơng tin điểm-điểm Hệ thống bao gồm hai khối chức khối mã hóa/giả mã nguồn, mã hóa/giải mã kênh Khối chức mã hóa nguồn dùng để loại bỏ thơng tin dư thừa nguồn tín hiệu nhiều tốt để tiết kiệm băng thông truyền dẫn kênh truyền dẫn để tăng hiệu sử dụng kênh Ý tưởng chung mã hóa kênh bên cạnh việc truyền thông tin nguồn đi, phải truyền thêm số bit dư thừa giúp phía thu phát hoặc/và sửa lỗi gây nhiễu kênh truyền dẫn 1.2 Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (Low-Density Parity Check Codes LDPC) Mã LDPC mã khối (block code) mà ma trận kiểm tra chẵn lẻ có mật độ số thấp (low-density) Mật độ số thấp giúp giảm độ phức tạp thuật tốn giải mã vịng lặp (iterative decoding algorithm) Để mã hóa bit thơng tin để tạo từ mã c sau: c= mã hóa ma trận sinh (1.9) Mối quan hệ ma trận sinh ma trận kiểm tra chẵn lẻ =0 sau: (1.10) Để giải mã LDPC dùng thuật tốn tổng – tích Đây thuật tốn truyền thơng tin định mềm sử dụng giản đồ Tanner 1.3 Mã Protograph LDPC Phần trình bày mã Protograph LDPC, mã Protograph LDPC tập họ mã LDPC thường biểu diễn ma trận sở giản đồ nhỏ gọi Protograph Protograph có hai loại nút, nút kiểm tra nút biến Các nút kiểm tra nút biến nối với tạo thành cạnh giản đồ Protograph Ưu điểm bật mã Protograph LDPC cần phải tối ưu Protograph với kích thước nhỏ sau thực chép hốn vị để đạt từ mã có độ dài theo ý muốn ( Ví dụ, mã protograph LDPC với tỷ lệ mã * ) có ma trận sở sau + ( ) đó, số hàng ma trận sở số nút kiểm tra protograph số cột số nút biến (variable) Phần tử ma trận ( ) số cạnh nối từ nút kiểm tra thứ đến nút biến thứ Đối với protograph nút kiểm tra có nhiều cạnh nối đến nút biến - kết nối song song Mã protograph LDPC biểu diễn giản đồ gọi protograph sau Hình 1.7 Protograph ma trận sở (1.23) Như trình bày Hình 1.7, protograph có hai loại nút, nút kiểm tra (vòng tròn với dấu cộng) nút biến (vịng trịn phủ kín màu đen) Các nút kiểm tra nút biến nối với tạo thành cạnh giản đồ protograph 1.4 Hệ thống đa đầu vào đa đầu (Multiple-Input Multiple-Output) Phần trình bày mơ hình hệ thống đa đầu vào đa đầu (MIMO) Nghĩa phía phát sử dụng nhiều ăng ten phía thu sử dụng nhiều ăng ten với ý tưởng tăng dung lượng kênh bên cạnh việc tăng công suất phát để tăng tỷ lệ tín hiệu nhiễu tăng hệ số sử dụng kênh thông qua việc tăng băng thơng truyền dẫn Khi tỷ lệ tín hiệu nhiễu đủ lớn, dung lượng kênh MIMO ước tính sau ( ) ̅ Nghĩa là, dung lượng kênh MIMO tăng tỷ lệ tuyến tính với số ăng-ten phát/thu Và thực tế triển khai mạng 5G Viettel chứng minh điều 1.5 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án Phần giới thiệu vấn đề nghiên cứu tách sóng tín hiệu MIMO cỡ lớn Các nghiên cứu mã Protograph LDPC sử dụng chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp kênh MIMO cỡ lớn Khảo sát cho thấy hầu hết nghiên cứu dùng thuật tốn thơng thường (tức thuật toán thiết kế cho số ăng ten Tx/Rx dựa số mô hình truyền thống) để cải thiện hiệu Khi số lượng ăng ten tăng từ hàng chục đến hàng trăm hệ thống MIMO cỡ lớn chí hàng nghìn hệ thống MIMO cực lớn đề xuất 6G tách sóng tín hiệu MIMO thách thức kỹ thuật Mã hóa kênh LDPC chứng minh có khả sửa lỗi mạnh mẽ cấu trúc mã độ phức tạp thấp mã Turbo đề xuất sử dụng 5G với độ dài từ mã lớn phần cịn độ phức tạp định Ở giao diện vô tuyến cao tần máy thu, có số nghiên cứu sử dụng chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp chưa có nghiên cứu kết hợp với phương pháp tách sóng cho hệ thống MIMO cỡ lớn Nhận thấy vấn đề tồn nghiên cứu trên, luận án đề xuất giải pháp nhằm nâng cao hiệu cho hệ thống MIMO cỡ lớn 1.6 Kết luận chƣơng Chương trình bày kiến thức mơ hình thơng tin số điểm - điểm mà mã tiệm cận giới hạn Shannon trình bày Cách tạo mã giải mã LDPC giản đồ Tanner trình bày cụ thể Những kiến thức sau áp dụng cho họ mã Protograph LDPC sử dụng chương luận án Những cơng trình nghiên cứu liên quan đến luận án bao gồm mã hóa kênh Protograph LDPC, tách sóng tín hiệu MIMO cỡ lớn chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp sử dụng khối cao tần máy thu CHƢƠNG TÁCH SÓNG TÍN HIỆU CHO KÊNH MIMO CỠ LỚN DỰA TRÊN THUẬT TỐN LAN TRUYỀN TIN CẬY Tóm tắt: Chương nghiên cứu tách sóng tín hiệu MIMO cỡ lớn sử dụng ADC có độ phân giải thấp dựa kỹ thuật truyền lan độ tin cậy (Belief Propagation) trên giản đồ Tanner Nghiên cứu bao gồm việc thiết lập biểu thức tốn học để tính tin mềm để xây dựng tách sóng vịng lặp (iterative detector) Kết nghiên cứu chương tảng để xây dựng nghiên cứu Chương Chương luận án 2.1 Mô hình kênh LS-MIMO với chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp phía thu Phần sử dụng mơ hình hệ thống truyền dẫn LS-MIMO khơng sử dụng mã hóa kênh với ăng ten phát ăng ten thu Hình 2.1 Mơ hình tốn học tín hiệu thu viết theo công thức sau ( ) Hình 2.1 Mơ hình kênh LS-MIMO với chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp Trong hệ thống LS-MIMO, tín hiệu RF ăng ten thu lượng tử hóa hai ADC có độ phân giải thấp (ở hai kênh, kênh đồng pha kênh trực giao) Những nghiên cứu luận án sử dụng lượng tử vô hướng đồng -bit với Khi sử dụng lượng tử ADC trên, luận án sử dụng mơ hình nhiễu lượng tử mơ tả Hình 2 để biểu thị mối quan hệ tín hiệu đầu với tín hiệu đầu vào lượng tử ) Hình 2.2 Mơ hình nhiễu lượng tử cộng (AQNM) 2.2 Thuật tốn tách sóng tín hiệu dựa thuật tốn lan truyền độ tin cậy Phần trình bày thuật tốn tách sóng tín hiệu MIMO cỡ lớn dựa giản đồ Tanner phương pháp lan truyền độ tin cậy 7 Hình 2.3 Giản đồ Tanner tách sóng tín hiệu LS-MIMO dựa BP Hình 2.3 giản đồ Tanner tách sóng tín hiệu LS-MIMO dựa việc truyền lan độ tin cậy nút qua cạnh giản đồ Trong giản đồ có hai loại nút: nút quan sát ăng ten thu (ON) nút ký hiệu ăng ten phát (SN) Mỗi nút ON có kết nối đến nút SN Điều đặc tính quảng bá truyền sóng vơ tuyến kênh LS-MIMO, tín hiệu phát từ ăng ten thu nhận nhiều ăng ten vùng phủ sóng ăng ten Tuy nhiên, cường độ kết nối bị thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian theo độ lợi kênh nút ON nút SN Vì giản đồ tách sóng tín hiệu LS-MIMO gọi giản đồ kết nối đầy đủ Trong phần này, thuật toán tách sóng LS-MIMO dựa BP sử dụng giản đồ Tanner trình bày Hình 2.3 nghiên cứu Trong Hình 2.3 tin truyền qua lại nút ON thứ nút SN thứ Quá trình trao đổi thơng tin tách sóng dựa phương pháp BP trình bày cụ thể 2.2.1 Cập nhật thông tin nút quan sát ON Tại nút quan sát ON thứ , ký hiệu truyền tách sóng thơng tin thêm vào truyền đến nút ký hiệu SN Thông tin truyền từ nút quan sát ON thứ n đến nút ký hiệu SN thứ m hàm loga LLR tính cơng thức sau: ( ̂ ( ̂ | | ) ) ( ̂ ) Quá trình nút quan sát ON thứ n kết thúc cách truyền SN thứ m ( ) tới nút ký hiệu 2.2.2 Cập nhật thông tin nút ký hiệu SN Nhiệm vụ nút ký hiệu SN thứ tính tốn xác suất hậu nghiệm ký hiệu với thông tin nhận từ nút quan sát ON Xác suất hậu nghiệm LLR ký hiệu có cách tính tổng tất E-LLR nhận từ nút quan sát ON sau ( ∑ ) Bước tính tốn thông tin EI truyền từ nút ký hiệu SN thứ m sang nút quan sát ON thứ n có sử dụng xác suất hậu nghiệm LLR, Thông tin bên ngồi bao gồm thơng tin nút ON cung cấp không bao gồm nút thứ để tránh lặp lại thông tin mơ tả Hình 2.5 Bản tin từ nút ký hiệu SN thứ sang nút quan sát ON thứ tính sau ( ) Hình 2.5 Cập nhật thông tin nút ký hiệu SN Các tin truyền lặp lặp lại nút SN nút ON Sau lần lặp, độ tin cậy ký hiệu tăng lên Vào cuối q trình lặp ký hiệu ̂ ước tính sau ̂ ( ) ( ) 2.3 Kết mô Phần trình bày kết mơ máy tính để đánh giá hiệu tách sóng tín hiệu dựa BP với số cấu hình MIMO ADC có độ phân giải thấp khác Kết mơ hình 2.7 cho thấy tăng độ phân giải chuyển đổi ADC hiệu BER tăng lên Và đặc biệt cần bít ADC đạt hiệu hệ thống với ADC phân giải cao 9 Hình 2.7 Hiệu BER: LS-MIMO , 2-bit ADC đến 5-bit ADC, Các kết mô khác chương cho thấy hiệu hệ thống cải thiện số vòng lặp tăng lên (từ đến 10) Bộ tách sóng dựa BP đề xuất cho hiệu tốt tách sóng tuyến tính MMSE So với hệ thống LS-MIMO độ phân giải cao, hệ thống LS-MIMO với ADC 3-bit có hiệu thấp nhiều Đ ặ c b i ệ t , chênh lệch hiệu hệ thống với 3-bit ADC hệ thống có độ phân giải cao 2,5dB Kết nghiên cứu cho thấy sử dụng ADC 4-bit ADC 5-bit để giảm độ phức tạp mức tiêu thụ lượng q trình xử lý tín hiệu RF mà chịu tổn thất hiệu không đáng kể 2.4 Kết luận chƣơng Bộ tách sóng dựa BP cho hệ thống LS-MIMO sử dụng ADC độ phân giải thấp nghiên cứu thơng qua ứng dụng thuật tốn truyền tin BP giản đồ Tanner Sử dụng mô hình nhiễu lượng tử hóa cộng, mơ hình tốn học việc cập nhật thông tin nút quan sát xây dựng tách sóng dựa BP cho hệ thống LS-MIMO sử dụng ADC có độ phân giải thấp đề xuất Dựa vào nghiên cứu hiệu tách sóng BP, sử dụng ADC 4-bit ADC 5-bit hệ thống LS-MIMO để cắt giảm mức tiêu thụ điện chi phí phần cứng cho mô-đun RF mà giảm phần nhỏ hiệu Kết nghiên cứu thuật toán giải mã PB dựa giản đồ Tanner móng đề nghiên cứu việc kết hợp giản đồ tách sóng tín hiệu LS-MIMO giản đồ giải mã kênh thành giản đồ lớp để từ hình thành thuật tốn tìm kiếm mã Protograph LDPC có ý nghĩa quan trọng Nội dung trình bày chương đồ án 10 CHƢƠNG THIẾT KẾ MÃ PROTOGRAPH LDPC CHO KÊNH LS-MIMO Tóm tắt: Chương nghiên cứu xây dựng thuật tốn giản đồ truyền thơng tin bên protograph (PEXIT) cho hệ thống LS-MIMO, gọi thuật toán LS-MIMO-PEXIT Thuật toán xây dựng dựa hàm thông tin tương hỗ tin truyền giản đồ kép – giản đồ kết hợp tách sóng MIMO giải mã LDPC Dựa thuật tốn LS-MIMO-PEXIT kết hợp với quy trình thiết kế bước để tìm mã Protograph LDPC tối ưu cho kênh LSMIMO 3.1 Thuật toán LS-MIMO-PEXIT Ý tưởng đằng sau thuật tốn LS-MIMO-PEXIT phân tích hàm thông tin tương hỗ tin truyền qua biểu đồ hai lớp Thuật tốn LS-MIMO-PEXIT sử dụng công cụ tốt để đánh giá xem mã LDPC hoạt động tốt mã khác hay không, cách đánh giá ngưỡng giải mã lặp chúng mơ tả hình 3.2 H nh Biểu đồ hai lớp cho tách sóng tín hiệu LS-MIMO giải mã Protograph LDPC Trong hình bốn loại thơng tin truyền qua biểu đồ hai lớp là: Để tính tốn thơng tin tương hỗ này, luận án sử dụng hàm ( ) , , ( ) Thuật toán LS-MIMO-PEXIT với đầu vào ma trận sở , cấu hình MIMO cụ thể số vịng lặp cực đại đầu ngưỡng giải mã Thuật toán đề xuất sau Bƣớc Bắt đầu với tỉ số tín hiệu nhiễu ( ) Bƣớc Tạo Tạo ký hiệu mềm ̂ ma trận kênh truyền ( * tính Cơng thức 4.4 Tính Sử dụng ( ) theo (3.8) , ước lượng 11 Bƣớc Với ma trận kênh kênh truyền cho trước ( | với | √ kênh truyền, , tính ( ) từ Cơng thức 3.6 ( ∑ ) trung bình Q phiên Bƣớc Tính (√ ( * ) ∑ ( ) ∑ ( ) trong ( ) ( ) ( ) tập nút kiểm tra kết nối với nút biến thứ ; ( ) tập nút quan sát kết nối với nút thứ phần tử thứ ma trận nhỏ Bƣớc Tính (√ ∑ [ ( )] ) ( ) ( ) ( ) Bƣớc ( ) tập nút kết nối tới nút kiểm tra thứ Tính (√ với Bƣớc ∑ ( ( ) * ) ∑ Bƣớc ) Tính tổng thơng tin tương hỗ từ hai lớp kết nối với nút biến thứ , (√ với ( ( ) ∑ ( ) ( ) ( * ∑ ( ) ( ) ) Lặp lại bước từ đến số lần lặp cực đại thỏa điều kiện dừng Ngưỡng giải mã lặp tỉ số ( ) cực tiểu thỏa , với số lần lặp giải mã cực đại cho trước Thuật toán LS-MIMO-PEXIT sử dụng để tính ngưỡng giải mã lặp, ( ), toán tối ưu ma trận cỡ nhỏ phần sau Lưu ý ngưỡng giải mã lặp thấp, hiệu mã tốt ngưỡng giải mã lặp xác định chất lượng kênh truyền tối thiểu, chất lượng hỗ trợ giải mã lặp độ tin cậy mã LDPC lớn tiệm cận xây dựng từ ma trận nhỏ với số lượng lần lặp giải mã tối đa định qua đồ thị chung 12 3.2 Thiết kế mã Protograph LDPC cho kênh LS-MIMO Thiết kế mã Protograph LDPC liên quan đến việc tìm kiếm ma trận kích cỡ nhỏ có ngưỡng giải mã lặp thấp trì đặc tính tăng khoảng cách tối thiểu tuyến tính Do đó, thiết kế mã Protograph LDPC cơng thức hóa tốn tối ưu hóa sau ( ) ( ( ) ) biểu thị tập hợp tất ma trận có phần tử khơng âm Đầu hàm tối ưu, ( ), giá trị ngưỡng giải mã lặp Hơn nữa, hàm tối ưu đạt cách áp dụng thuật toán LS-MIMO-PEXIT với tập hợp ràng buộc theo hướng dẫn thiết kế mã Protograph LPDC Trong nghiên cứu này, luận án sử dụng ma trận B gồm hàng cột, dẫn đến tỷ lệ mã 1/2 ( ( ) ) Hai cột cuối chọn trước theo hướng dẫn thiết kế số lượng nút biến bậc nút biến bậc Để thiết kế mã Protograph LDPC có tỷ lệ mã hóa mã hóa cao hơn, ví dụ , kỹ thuật mở rộng sử dụng để giảm khơng gian tìm kiếm khả thi kích thước ma trận sở tăng lên Cụ thể, cấu trúc ma trận sở cho tỷ lệ mã hóa cao, có cấu trúc sau: ( | ( + ( ) ) ràng buộc tương ứng chúng cho toán tối ưu 3.3 Hiệu mã Protograph LDPC đề xuất cho kênh LS-MIMO Trong phần kịch nghiên cứu tìm kiếm mã protograph LDPC cho kênh MIMO cỡ lớn với (tức cấu hình LS-MIMO ) luận án nghiên cứu với Các ma trận sở tối ưu cho tỷ lệ mã hóa trình bày ( ( + | + ( ) ( ) 13 ( | ( + ) Nghiên cứu chọn hai mã Protograph LDPC thiết kế trước cho kênh AWGN để so sánh với mã thiết kế chương Đó mã AR3A (mã đục lỗ) mã Uchiwaka (mã không đục lỗ) Bảng 3.3 trình bày ngưỡng giải mã lặp mã Protograph LDPC đề xuất mã tham chiếu cho cấu hình LS-MIMO , Dựa liệu đưa Bảng 3.3 mã Protograph LDPC đề xuất hoạt động tốt họ mã khác tất cấu hình LS-MIMO hai trường hợp ràng buộc lặp (tức lần lặp lần lặp) Bảng 3.3 Ngưỡng giải mã ( dB), 20 lần lặp) cho cấu hình LS-MIMO khác LS-MIMO Tỷ lệ mã Mã Mã Uchikawa Mã AR3A 1,705 1,832 1,992 2,322 2,423 2,488 2,783 2,877 2,908 -2,511 -2,413 -2,109 -1,959 -1,905 -1,704 -1,499 -1,467 -1,313 1,823 1,951 2,081 2,364 2,466 2,512 2,781 2,878 2,892 Để xác minh lại kết tính tốn trên, nghiên cứu thực mô máy tính Kết mơ cho cấu hình LS-MIMO hình 3.7 hình kết mơ chương xác minh kết phân tích 14 Hình 3.7 Hiệu FER: tốc độ mã hóa , độ dài khối thông tin 2400 bit, 20 lần lặp, LS-MIMO Đặc biệt, mã Protograph LDPC đề xuất đạt độ lợi mã hóa so với mã Uchikawa độ lợi mã hóa so với Mã AR3A (gần giống độ lợi mã hóa cấu hình MIMO ) Quan sát có nghĩa hiệu mã Protograph LDPC đề xuất không thay đổi đáng kể cấu hình MIMO thay đổi 3.4 Kết luận chƣơng Trong nghiên cứu chương đề xuất thuật tốn LS-MIMO-PEXIT để khơng đánh giá hiệu mã Protograph LDPC có sẵn mà cịn dùng để thiết kế mã Protograph LDPC cho kênh LS-MIMO Kết phân tích lý thuyết mơ chứng minh tính hữu dụng thuật tốn đề xuất Các mã Protograph LDPC mang lại độ lợi mã hóa từ đến so với Protograph LDPC thiết kế cho kênh AWGN Độ lợi mã hóa đáng kể, đặc biệt hệ thống truyền thông không dây tốc độ cao, nơi tốc độ liệu lên đến Gbps nguồn điện pin hoạt động thiết bị bị giới hạn nghiêm ngặt CHƢƠNG PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG LS-MIMO VỚI BỘ ADC CĨ ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP Tóm tắt: Mục đích nghiên cứu đưa thuật toán thống để phân tích tác động ADC có độ phân giải thấp lên hiệu mã Protograph LDPC hệ thống LS-MIMO thực tế Lý tất cơng cụ phân tích trước để đánh giá mã Protograph LDPC không tính đến ảnh hưởng nhiễu lượng tử hóa ADC có độ phân giải thấp thực tế nhiễu lượng tử hóa phụ thuộc vào độ lợi kênh pha đinh Để mơ tả thuật tốn tách sóng giải mã kết hợp, sử dụng biểu đồ hai lớp kết hợp tách sóng MIMO giải mã P-LDPC Hình 4.4 15 4.1 Mơ hình kênh thơng tin LS-MIMO với ADC có độ phân giải thấp Mơ hình kênh sử dụng chương tương tự mơ hình kênh sử dụng chương khác có sử dụng mã hóa kênh P-LDPC 4.2 MIMO-LDPC Protograph liên hợp Protograph MIMO-LDPC kết hợp mơ tả Hình 4.4 Để thuận tiện cho việc phân tích luồng thơng tin bên dưới, tách nút biến nút ký hiệu thành hai thực thể chúng liên kết kết hợp chuyển tiếp cho luồng thông tin chuyển tiếp kết hợp ngược lại cho luồng thông tin ngược tương ứng Phần giản đồ MIMO MIMO-LDPC Protograph kết hợp có N nút quan sát, M nút ký hiệu cạnh M x N Phần giản đồ LDPC Protograph MIMO-LDPC kết hợp có P nút biến, S nút kiểm tra tập hợp cạnh kết nối nút biến kiểm tra với Kết nối cạnh xác định ma trận sở B có kích thước S x P Phần tử B[s,p] cho biết số lượng cạnh song song kết nối nút kiểm tra thứ s với nút biến thứ p Trong thuật tốn tách sóng giải mã kết hợp, có năm loại thơng tin tương hỗ truyền qua biểu đồ sau: , , Hình 4.4 Protograph MIMO-LDPC liên hợp 4.2 Thuật toán PEXIT đề xuất Thuật toán PEXIT đề xuất có cách áp dụng hàm thơng tin tương hỗ phần với tham số cấu hình MIMO cho, , kích thước ma trận sở , , tham số kênh đây: Bước 0: Khởi tạo độ phân giải ADC, Thuật tốn LS-MIMOPEXIT mơ tả 16 • Tính tỷ lệ mã • Tính ( ∑ ) • Tính • Thiết lập • Tạo ma trận thực kênh LS-MIMO Bước 1: Cập nhật nút quan sát nút biến • Cho – Cho Tính Tạo and ( ) ( * Ước lượng thơng tin mềm ̂ ( ) Tính ∑| | ( |̂ ( | ) )(∑| – Cho Tính | √∑ | ( • Tính trung bình ) tất phiên kênh truyền ∑ • Cho , tính ( Lưu ý nút biến p bị hổng, Bước 2: Cập nhật nút biến đến nút kiểm tra ∑ + | + 17 • Cho , tính – (√ ( ∑ ) ) ( ) Với ( – Nếu ) Bước 3: Cập nhật nút kiểm tra đến biến • Cho – (√ ( ∑ ) ) ( ) – Nếu , Bước 4: Cập nhật nút ký hiệu đến nút quan sát • Cho – Cho (√ ) Với | ∑ | ( ) Và ( ) • Cho ( ∑ ∑ Bước 5: Tính thơng tin tương hỗ APP-LLR • Cho ∑ ∑ ) 18 √ ( ∑ ) ( ) Với ( ) Bước 6: Lặp lại bước – Bước Thuật toán PEXIT đề xuất hội tụ chọn vượt ngưỡng Do đó, ngưỡng giá trị thấp mà thông tin tương hỗ thông tin APP-LLR bit từ mã tương ứng hội tụ đến Như thấy, thuật tốn PEXIT đề xuất cho ADC có độ phân giải thấp khác từ thuật tốn PEXIT thơng thường tất bước, ngoại trừ Bước Cụ thể, tác động ADC có độ phân giải thấp tính đến (trong bước 4) để tính tốn hàm thông tin tương hỗ Trong phần sau, chúng tơi khai thác thuật tốn PEXIT đề xuất để phân tích hiệu hệ thống truyền thơng LS-MIMO với ADC có độ phân giải thấp 4.3 Phân tích hiệu mã protograph LDPC phổ biến Phần sử dụng thuật toán PEXIT đề xuất Phần 4.2 để phân tích hiệu mã Protograph LDPC có sẵn cho hệ thống LS-MIMO Cụ thể, bốn mã Protograph LDPC có ma trận sở đưa (4.36) - (4.39) lựa chọn ( ( ( + , , ( ) ( ) ( ) 19 ( ( , ) Trong nghiên cứu này, độ phân giải ADC giới hạn từ 2-bit đến 5-bit Sử dụng thuật toán PEXIT đề xuất tính ngưỡng giải mã lặp cho bốn mã chọn với độ phân giải ADC cấu hình LS-MIMO khác Cụ thể, Bảng 4.1 trình bày kết phân tích cho kênh LS-MIMO Nghiên cứu sử dụng số lượng nhỏ lần lặp phù hợp cho hệ thống có độ trễ thấp độ phức tạp thấp Kết với số lần lặp cao báo cáo luận án Bảng 4.1 Ngưỡng giải mã lặp: MIMO 1/2 , 10 lần lặp, tỷ lệ mã Mã NND Mã AR3A Mã UCHI Mã NTH 2-bit ADC 4,83 4,03 3,62 3,41 3-bit ADC 4,11 3,40 3,04 2,86 4-bit ADC 3,95 3,26 2,90 2,74 5-bit ADC 3,91 3,22 2,87 2,70 Unquantized 3,91 3,22 2,86 2,70 Kết ngưỡng giải mã lặp cho thấy mã NND có hiệu mã AR3A tất trường hợp thử nghiệm độ phân giải ADC Lưu ý ngưỡng giải mã lặp SNR kênh tối thiểu yêu cầu cho giải mã giải mã tín hiệu nhiễu với lỗi nhỏ tùy ý Do đó, ngưỡng giải mã lặp thấp, mã Protograph LDPC tốt Quan sát bảng cho thấy họ mã đục lỗ có hiệu họ mã khơng đục lỗ tất độ phân giải chuyển đổi ADC Đặc biệt với chuyển đổi ADC bít có ngưỡng giải mã lặp với ngưỡng giải mã hệ thống sử dụng ADC có độ phân giải cao Trong luận án tính ngưỡng giải mã cho cấu hình LS-MIMO cho kết tương tự Khi cố định cấu hình LS-MIMO 10 x 10 mã AR3A với tỷ lệ mã / thay đổi số vịng lặp Kết tính tốn ngưỡng giải mã lặp mã AR3A đưa bảng 4.4 20 Bảng 4.4 Ngưỡng giải mã ( dB): Cấu hình MIMO AR3A với tỷ lệ mã , - 50 lần lặp , mã 5-Ite 10-Ite 15-Ite 50-Ite 2-bit ADC 6,82 4,03 3,12 2,02 3-bit ADC 5,74 3,40 2,61 1,64 4-bit ADC 5,49 3,26 2,49 1,55 5-bit ADC 5,44 3,22 2,46 1,53 Unquantized 5,42 3,22 2,45 1,53 Quan sát bảng 4.4 thấy hiệu thay đổi tăng số vòng lặp độ phân giải chuyển đổi ADC Trong luận án xem xét ngưỡng giải mã cho trường hợp thay đổi số ăng ten thu độ phân giải chuyển đổi ADC mã AR3A với tỷ lệ mã / 10 lần lặp Kết tính tốn bảng 4.5 Bảng 4.5 Ngưỡng giải mã ( dB): Mã AR3A, tỷ lệ mã 1/2, 10 lần lặp, cấu hình LS-MIMO 2-bit ADC 4,03 0,01 -2,03 -3,40 -4,44 -5,27 -5,96 -6,55 3-bit ADC 3,40 -0,25 -2,20 -3,53 -4,54 -5,35 -6,03 -6,61 4-bit ADC 3,26 -0,31 -2,24 -3,56 -4,56 -5,37 -6,05 -6,63 5-bit ADC 3,22 -0,33 -2,25 -3,57 -4,57 -5,38 -6,05 -6,63 Unquantized 3,22 -0,33 -2,25 -3,57 -4,57 -5,38 -6,05 -6,63 Quan sát bảng 4.5 bên thấy ngưỡng giải mã giảm số lượng ăng ten thu tăng lên Và đặc biệt ngưỡng ADC bit bit gần với ngưỡng ADC có độ phân giải cao Trong luận án nghiên cứu hiệu mã Protograph LDPC tỷ lệ mã thay đổi 4.4 Kết mơ Phần trình bày kết mơ để xác thực kết phân tích cung cấp thông tin tác động ADC có độ phân giải thấp đến hiệu hệ thống truyền thông LS-MIMO Kết mơ hình 4.5 hình kết mô chương xác minh kết phân tích bảng 21 Hình 4.5 So sánh BER: MIMO , 10 lần lặp, tỷ lệ mã , độ dài 9600 bit Chúng ta thấy kết mô phù hợp với kết phân tích Phần 4.3 Đặc biệt, phân tích trên, mã NND có hiệu số bốn mã chọn tất mức độ phân giải ADC Ngoài ra, khoảng cách hiệu mã NND mã AR3A lớn Ngưỡng giải mã lặp nhỏ mã UCHI mã NTH hiểu khoảng cách nhỏ đường cong BER Có chênh lệch nhỏ ngưỡng giải mã lặp ADC 5-bit ADC có độ phân giải cao Bảng 4.1 Các kết mô xác nhận kết phân tích Chúng ta thấy đường cong BER bốn mã ADC 5-bit độ phân giải cao gần với hai cấu hình LS-MIMO 4.5 Kết luận chƣơng Một phiên thuật toán LS-MIMO-PEXIT cho hệ thống truyền thơng LSMIMO với ADC có độ phân giải thấp phát triển chương Thuật toán LSMIMO- PEXIT đề xuất dự đốn hiệu mã Protograph LDPC theo tham số đầu vào khác nhau, bao gồm cấu hình LS-MIMO, tỷ lệ mã, số lần lặp tối đa cấu trúc mã Nghiên cứu cho thấy hiệu hệ thống giảm nhỏ sử dụng độ phân giải ADC 3-bit 4bit so với hệ thống sử dụng ADC độ phân giải cao Hiệu hệ thống ADC 5-bit tương đương với ADC độ phân giải cao tất trường hợp thử nghiệm Nghiên cứu chứng minh hệ thống truyền dẫn với mã hóa kênh cụ thể cấu hình MIMO khác ADC có độ phân giải thấp giải pháp tiềm cho kênh MIMO cỡ lớn mạng thông tin di động tương lai 5G 6G để tiết kiệm giá thành phần cứng lượng tiêu thụ máy thu 22 KẾT LUẬN Các kết nghiên cứu luận án bao gồm nội dung sau đây: - Nghiên cứu xây dựng thuật toán tách sóng tín hiệu dùng giản đồ Tanner để giảm độ phức tạp cho kênh LS-MIMO với chuyển đổi tương tự số ADC có độ phân giải thấp Kết mô việc sử dụng ADC có độ phân giải 4-bit 5-bit gần không làm ảnh hưởng đến hiệu hoạt động tách sóng tín hiệu MIMO dùng thuật tốn truyền lan thông tin - Xây dựng giản đồ Tanner kép để mơ hình hóa tương tác thơng tin tách sóng tín hiệu giải mã LDPC Giản đồ kép cơng cụ để tìm kiếm mã Protograph LDPC giành cho kênh LS-MIMO với số ăng-ten lớn số vòng lặp giải mã hạn chế Những mã tìm kiếm luận án cho thấy việc thiết kế lại mã Protograph LDPC cho kênh LS-MIMO mang lại lợi ích hiệu sử dụng mã thiết kế trước cho kênh AWGN - Cũng dùng giản đồ kép này, luận án xây dựng quy trình đánh giá so sánh hiệu nhiều mã Protograph LDPC thiết kế cho kênh AWGN cho trường hợp kênh MIMO Khi số ăng-ten tăng lên kênh MIMO chuyển đổi tương tự số có độ phân giải thấp đề xuất nhiều nghiên cứu gần Luận án thực việc đánh giá ảnh hưởng nhiễu lượng tử độ phân giải thấp ADC đến hiệu hệ thống truyền dẫn điểm-điểm Kết phân tích tốn học dựa giản đồ Tanner kép kết mơ tìm khoảng cách hệ thống dùng ADC có độ phân giải cao hệ thống có ADC có độ phân giải 4-bit 5-bit không đáng kể Kết cho thấy đề xuất sử dụng ADC có độ phân giải thấp hệ thống di động tương lai hoàn toàn khả thi có nhiều triển vọng – để tiết kiệm lượng xử lý cao tần giá thành phần cứng CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ [1] Hieu D Vu, T V Nguyen, T B T Do and H T Nguyen, "Belief Propagation Detection For Large-Scale MIMO Systems With Low-Resolution ADCs," 2019 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), Hanoi, Vietnam, 2019, pp 68-73, doi: 10.1109/ATC.2019.8924512 [2] Hieu D Vu, T V Nguyen and H T Nguyen, "Protograph LPDC Coded Large-Scale MIMO Communications with Low-Resolution ADCs," 2019 25th Asia-Pacific Conference on Communications (APCC), Ho Chi Minh City, Vietnam, 2019, pp 286-291, doi: 10.1109/APCC47188.2019.9026536 [3] Hieu D Vu, Thuy V Nguyen, Diep N Nguyen, Hieu T Nguyen, "On Design of Protograph LDPC Codes for Large-Scale MIMO Systems", Access IEEE, vol 8, pp 46017-46029, 2020 [4] Thuy V Nguyen, H D Vu, D N Nguyen and H T Nguyen, "Performance Analysis of Protograph LDPC Codes Over Large-Scale MIMO Channels With Low-Resolution ADCs," in IEEE Access, vol 7, pp 145145-145160, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2944567  ... dụng giản đồ Tanner 1.3 Mã Protograph LDPC Phần trình bày mã Protograph LDPC, mã Protograph LDPC t? ?p họ mã LDPC thường biểu diễn ma trận sở giản đồ nhỏ gọi Protograph Protograph có hai loại nút,... nghiên cứu kết h? ?p với phương ph? ?p tách sóng cho hệ thống MIMO cỡ lớn Nhận thấy vấn đề tồn nghiên cứu trên, luận án đề xuất giải ph? ?p nhằm nâng cao hiệu cho hệ thống MIMO cỡ lớn 1.6 Kết luận... độ phân giải cao độ phức t? ?p việc tách sóng giải mã tín hiệu Vì mục tiêu nghiên cứu luận án nghiên cứu cải thiện hiệu hệ thống MIMO cỡ lớn Nội dung nghiên cứu Với mục tiêu nghiên cứu trên, phần