NGHIÊN cứu THUẬT TOÁN TÁCH SÓNG và GIẢI mã p LDPC CHO hệ THỐNG THÔNG TIN MIMO cỡ lớn với bộ ADC độ PHÂN GIẢI THẤP

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN TÁCH SĨNG VÀ GIẢI Mà P-LDPC CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2022 BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN TÁCH SĨNG VÀ GIẢI Mà P-LDPC CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP CHUYÊN NGÀNH : HỆ THỐNG THÔNG TIN Mà SỐ: 48 01 04 LUẬN ÁN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HÀ NỘI - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án tốt nghiệp riêng tôi, hướng dẫn PGS TS – Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng PGS TS – Trường đại học Đông Nam Na Uy Tất kết số liệu luận án trung thực có từ nghiên cứu mà tơi nhóm thực q trình làm luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Nghiên cứu sinh i LỜI CẢM ƠN Tôi tin luận án hồn thành khơng có giúp đỡ tận tình cá nhân, tổ chức sau Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn PGS TS hướng dẫn tận tình, lời khuyên, lắng nghe khích lệ q trình thực luận án Các thầy không truyền cho kiến thức chun mơn mà cịn giúp tơi cải thiện nhiều kỹ nghiên cứu khoa học sống Tôi không quên khoảng thời gian dài thầy thực thử nghiệm, thu thập kết mô Các buổi thảo luận thường xuyên vào tối buổi diễn tập cho thuyết trình tiếng Anh Các thầy định hướng, hướng dẫn giúp chỉnh sửa báo thảo luận án tiến sĩ Tôi học hỏi nhiều điều, lần nữa, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy hướng dẫn Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo, thầy, cô giáo Khoa Đào tạo Sau đại học, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho thời gian học tập, nghiên cứu thực luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến Quỹ đổi sáng tạo VINGROUP (VINIF), Viện nghiên cứu liệu lớn (VINBIGDATA), chấp nhận hồ sơ ứng tuyển tài trợ học bổng đào tạo Tiến sĩ nước cho Đây nguồn kinh phí thiết thực, giúp tơi tập trung vào cơng việc nghiên cứu hồn thành hạn chương trình nghiên cứu sinh Tơi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo đồng nghiệp Khoa Công nghệ thông tin 1, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng, giúp đỡ, tạo điều kiện cơng tác thuận lợi, giúp tơi tập trung hồn thành luận án Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, đặc biệt hai nhỏ Kent Bon ln bên cạnh giúp tơi vượt qua khó khăn, thách thức suốt trình làm luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC KÝ HIỆU vii DANH MỤC HÌNH VẼ x DANH MỤC BẢNG xii MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP SỬ DỤNG Mà P-LDPC 11 Công nghệ đa đầu vào đa đầu (MIMO) Dung lượng kênh Mô hình hệ thống MIMO Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) 10 12 Hoạt động ADC 10 Độ phân giải ADC 12 Mã Protograph LDPC 13 13 Mã Protograph LDPC 14 Hiệu mã protograph LDPC 16 Thiết kế mã protograph LDPC 18 Đánh giá hiệu giải pháp mã P-LDPC 21 Các nghiên cứu liên quan 22 14 Bộ ADC độ phân giải thấp (1 đến bit) 23 Mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng 25 Thuật tốn tách sóng giải mã phía thu 27 Kết luận chương 29 15 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT BỘ ADC ĐỒNG NHẤT ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP CHO HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN 30 21 Mơ hình hệ thống 30 22 Bộ ADC độ phân giải thấp 32 23 Bộ tách sóng tín hiệu kết hợp tỉ lệ tối đa (MRC) 34 24 Tối ưu hóa lượng tử đồng 37 Lượng tử hóa tối ưu đồng cho ADC độ phân giải thấp 38 Lượng tử tối ưu hóa đồng cho T-ADC 42 Mô đánh giá 43 25 26 Kết luận chương 46 CHƯƠNG THIẾT KẾ Mà P-LDPC CHO HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP 47 31 Hiệu mã LDPC hệ thống truyền thơng LS-MIMO 48 Mơ hình hệ thống 48 Bộ ADC đồng 1-bit tối ưu 49 Thuật tốn tách sóng giải mã P-LPDC kết hợp 51 Mô đánh giá kết 56 Thiết kế mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng 61 32 Bài toán thiết kế mã P-LDPC 63 iii Thiết kế mã P-LDPC cho LS-MIMO với ADC tối ưu 1-bit 65 Mô đánh giá kết 66 33 Kết luận chương 70 CHƯƠNG THUẬT TOÁN TÁCH SÓNG VÀ GIẢI Mà P-LDPC CHO HỆ THỐNG LS-MIMO VỚI ADC HỖN HỢP 71 41 Mơ hình hệ thống 72 42 Thuật tốn tách sóng giải mã P-LDPC cho LS-MIMO với ADC hỗn hợp 75 Thông điệp � truyền từ nút giám sát tới nút ký hiệu 76 Thông điệp � truyền từ nút biến tới nút kiểm tra 78 Thông điệp � truyền từ nút kiểm tra tới nút biến 79 Thông điệp � truyền từ nút ký hiệu tới nút giám sát 79 Thông điệp hậu nghiệm � bít từ mã 80 Thuật tốn PEXIT đề xuất cho hệ thống LS-MIMO với ADC hỗn hợp 81 43 Đồ thị hai lớp MIMO Protograph LDPC kết hợp 82 Luồng thông tin tương hỗ thuận 84 Luồng thông tin tương hỗ nghịch 87 Thông tin tương hỗ APP 89 Thuật toán PEXIT đề xuất cho hệ thống truyền thông LS-MIMO với ADC hỗn hợp 90 44 Đánh giá thuật tốn ADC-Mixed-LS-MIMO-PEXIT 92 45 Mơ hệ thống với thu tách sóng giải mã P-LDPC kết hợp 96 46 Kết luận chương 102 KẾT LUẬN 103 Những đóng góp 103 Nghiên cứu tương lai 104 DANH MỤC CƠNG TRÌNH Đà CƠNG BỐ 106 PHỤ LỤC 107 TÀI LIỆU THAM KHẢO 125 iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt v Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 𝑠𝑠 Mạng di động hệ 𝑠ℎ Mạng di động hệ thứ Generation Networks 𝑠ℎ Mạng di động hệ thứ ADC Analog To Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số APP A Posterior Probability Xác suất hậu nghiệm AQNM Addition Quantization Noise Model Mơ hình nhiễu lượng tử cộng AR3A Accumulate Repeat-3 and Accumulate Mã tích lũy lặp AWGN Additive White Gauss Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BI-AWGN Binary Input AWGN Kênh AWGN đầu vào nhị phân BS Base Station Trạm gốc BP Belief Propagation Lan truyền độ tin cậy BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang tương tự DE Density Evolution Tăng trưởng mật độ EE Energy Efficiency Hiệu lượng EXIT Extrinsic Information Transfer Truyền thông tin ngoại lai FER Frame Error Rate Tỷ lệ lỗi khung IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers Hội Kỹ sư Điện Điện tử LDPC Low Density Parity Check Code Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp 1G Generation Networks 4G Generation Networks 5G LLR Log Likelihood Ratio Tỷ lệ hàm log độ tin cậy LS-MIMO Large-Scale Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa đầu vào đa đầu cỡ lớn LS-MIMOPEXIT Large-Scale Multiple Input Multiple Output Protograph Extrinsic Information Transfer Thuật tốn truyền thơng tin ngoại lai sử dụng protograph cho hệ thống MIMO cỡ lớn Mixed-ADCLS-MIMOPEXIT Mixed ADC Large-Scale Multiple Input Multiple Output Protograph Extrinsic Information Transfer Thuật tốn truyền thơng tin ngoại lai sử dụng protograph cho hệ thống MIMO cỡ lớn với ADC hỗn hợp MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa đầu vào đa đầu MIMO-MU MIMO Multiple User Hệ thống MIMO đa người dùng MIMO-SU MIMO Single User Hệ thống MIMO đơn người dùng ML Maximum Likelihood Tách sóng hợp lệ tối đa MMSE Minimum Mean Square Error Lỗi bình phương trung bình tối thiểu PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất P-LDPC Protograph LDPC Mã LDPC dựa đồ thị sở PEG Progressive edge-growth Thuật toán tăng trưởng cạnh lũy tiến PEXIT Protograph Extrinsic Information Transfer Truyền thông tin ngoại lai dựa protograph QC Quasi-Cyclic Bán tuần hồn RF Radio Frequency Tần số vơ tuyến SE Spectrum Efficiency Hiệu suất phổ SNR Signal To Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu nhiễu T-ADC Ternary-ADC Bộ ADC bậc ba V-BLAST Vertical – Bell Labs Layered SpaceTime Phân lớp không gian thời gian theo chiều dọc Bell Labs ZF Zero Forcing Tách sóng cưỡng khơng vi DANH MỤC KÝ HIỆU � Giá trị LLR ngoại lai từ nút biến đến nút kiểm tra � Giá trị LLR ngoại lai từ nút kiểm tra nên nút biến � Từ mã đầu vào mã hóa �̂ Từ mã thơng tin giải mã phía thu � Ma trận sở mã Protograph LDPC � Từ mã đầu mã hóa � Dung lượng kênh 𝑠 � ×� 𝑠𝑠(0, �0) ��,� �� /�� �� ( ) � ����� ℎ(�, �) Không gian phức chiều Phân phối Gauss phức với trung bình khơng phương sai 𝑠 Số cạnh kết nối nút kiểm tra s nút biến b ma trận protograph Tỷ lệ lượng bit nhiễu Hàm ràng buộc toán tối ưu Số ma trận kênh thuật tốn tìm kiếm Ma trận sinh mã Hệ số kênh từ ăng ten phát m đến ăng ten thu n � Ma trận kênh �� Ma trận chuyển vị ma trận kênh H �𝑠𝑠𝑠𝑠 ���� �(�, �) ��[�, �] �� [𝑠, 𝑠] Ma trận kiểm tra chẵn lẻ Thông tin tương hỗ xác suất hậu nghiệm Thơng tin tương hỗ tín hiệu truyền x tín hiệu nhận y Thơng tin tương hỗ ngoại lai giá trị LLR gửi nút biến thứ 𝑠 tới nút kiểm tra thứ 𝑠 bit mã hóa tương ứng thứ 𝑠 Thơng tin tương hỗ ngoại lai giá trị LLR gửi nút kiểm tra thứ 𝑠 đến nút biến thứ 𝑠 bit mã hóa tương ứng thứ 𝑠 vii ��[�, �] Thông tin tương hỗ ngoại lai giá trị LLR gửi quan sát thứ 𝑠 nút đến nút biến thứ 𝑠 bit mã hóa tương ứng thứ 𝑠 �� [�, �] Thông tin tương hỗ ngoại lai giá trị LLR gửi biến thứ 𝑠 đến nút quan sát thứ 𝑠 bit mã hóa tương ứng thứ 𝑠 � ���𝑠 𝑠𝑠 Số lần lặp giải mã tối đa 𝑠( ) 𝑠( )−1 Hàm tính thơng tin tương hỗ xấp xỉ Hàm nghịch đảo tính thơng tin tương hỗ xấp xỉ 𝑠𝑠 Độ dài khối thông tin đầu vào tạo mã 𝑠𝑠 Số lần sử dụng kênh 𝑠𝑠 Giới hạn cắt ADC 𝑠 Số ăng ten phát 𝑠 Số ăng ten thu 𝑠𝑠 Số ăng ten thu độ phân giải thấp 𝑠𝑠 Số ăng ten thu độ phân giải cao 𝑠(0, 𝑠0) Phân phối Gauss với trung bình khơng phương sai 𝑠0 𝑠𝑠 Độ dài khối thông tin đầu tạo mã 𝑠0 Công suất nhiễu 𝑠 Số cột ma trận sở 𝑠 Toán tử lượng tử hóa 𝑠 Tỉ lệ mã hóa 𝑠 Hàm lấy phần thực số phức 𝑠 Số hàng ma trận sở � Ký hiệu đầu điều chế ( ) � Hàm tính xấp xỉ thông điệp truyền từ nút kiểm tra tới nút biến Véc tơ ký hiệu truyền viii ... g? ?p thứ hai, ảnh hưởng giải ph? ?p mã hóa giải mã P- LDPC hiệu hệ thống MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải th? ?p nghiên cứu Một họ mã P- LDPC có tỉ lệ mã thích ứng đề xuất cho hệ thống MIMO cỡ lớn với. .. Hoạt động ADC 10 Độ phân giải ADC 12 Mã Protograph LDPC 13 13 Mã Protograph LDPC 14 Hiệu mã protograph LDPC 16 Thiết kế mã protograph LDPC 18 Đánh giá hiệu giải ph? ?p mã P- LDPC 21 Các nghiên cứu. .. thông tin MIMO cỡ lớn với ADC đồng độ phân giải th? ?p bit - Chương 4: Nghiên cứu đề xuất thuật tốn tách sóng MIMO giải mã P- LDPC kết h? ?p cho hệ thống MIMO cỡ lớn với chuyển đổi ADC có độ phân giải