NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TÁCH SÓNG VÀ GIẢI MÃ P-LPDC CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG ĐẶNG NGỌC HÙNG NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN TÁCH SĨNG VÀ GIẢI MÃ P-LPDC CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN Mã số: 9.48.01.04 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2022 Cơng trình hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN VĂN THỦY PGS.TS NGUYỄN TRUNG HIẾU Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Vào hồi:….giờ….ngày….tháng….năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Lý nghiên cứu Trong mạng không dây hệ mới, hàng tỷ thiết bị khai thác để cung cấp kết nối cho dịch vụ đòi hỏi tốc độ cao độ trễ thấp Theo thống kê, lưu lượng liệu mạng di động tăng 46% khoảng thời gian từ quý năm 2020 đến quý năm 2021, đạt khoảng 66 ExaByte Có thể thấy, nhu cầu tốc độ truyền dẫn không ngừng gia tăng để đáp ứng dịch vụ yêu cầu băng thông cao Sẽ đạt mục tiêu dựa vào kiến trúc sở hạ tầng mạng 4G việc tăng quy mô công suất phát Điều địi hỏi cần có thay đổi cơng nghệ nhằm đáp ứng yêu cầu tốc độ độ trễ xử lý mạng không dây hệ Gần đây, công nghệ đa đầu vào đa đầu (MIMO) ứng dụng thành công mạng di động hay mạng không dây hệ thứ năm (5G), mạng cảm biến không dây tiết kiệm lượng Việc trang bị hàng chục đến hàng trăm ăng ten phía phát phía thu giúp hệ thống MIMO, gọi hệ thống MIMO cỡ lớn (LS-MIMO) cải thiện đáng kể tốc độ truyền liệu tăng hiệu suất phổ Tuy nhiên việc khơi phục liệu mã hóa từ tín hiệu nhận số lượng lớn ăng ten phát địi hỏi lượng tính tốn lớn phía thu, cụ thể thành phần tách sóng máy thu MIMO Hơn nữa, việc sử dụng số lượng lớn ăng ten hệ thống MIMO cỡ lớn mang đến thách thức hiệu lượng (EE) Trong đó, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) thành phần chiếm phần lớn tổng mức điện tiêu thụ hệ thống Hiện nay, mức tiêu thụ điện phổ biến ADC độ phân giải cao (cụ thể 8-12 bit) hệ thống thương mại tốc độ cao (với tốc độ lấy mẫu ≥ 20 GSample/s) khoảng 500 mW Nếu tính hệ thống MIMO cỡ lớn với 256 ăng ten thu 512 ADC, tổng cơng suất tiêu thụ ADC lên tới 256 W Điều không khả thi để áp dụng hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn thực tế Bên cạnh đó, mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) cơng nghệ mã hóa kênh đại, sử dụng rộng rãi hệ thống truyền thơng khác Đã có nhiều hoạt động nghiên cứu liên quan đến việc phân tích thiết kế hệ thống MIMO sử dụng giải pháp mã hóa LDPC với dạng chế tách sóng giải mã khác Đây xem cách tiếp cận tự nhiên để áp dụng mã LDPC có độ phức tạp giải mã thấp vào hệ thống LS-MIMO nhằm cải thiện độ tin cậy đường truyền tiết kiệm lượng Những thay đổi công nghệ mạng không dây hệ mới, phân tích trên, địi hỏi cần có nghiên cứu đưa giải pháp cải thiện hiệu tính tốn tiết kiệm lượng cho hệ thống MIMO cỡ lớn sử dụng mã P-LDPC Tuy vậy, theo khảo sát trên, chưa có nghiên cứu chun sâu thuật tốn tách sóng MIMO giải mã P-LDPC cho hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn trường hợp sử dụng chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp từ tới bit Do vậy, chủ đề lựa chọn đề tài nghiên cứu luận án Mục tiêu nghiên cứu Mục đích luận án nghiên cứu giải pháp thiết kế thuật tốn tách sóng giải mã P-LDPC nhằm cải thiện hiệu hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải thấp từ tới bit Nội dung nghiên cứu Các nội dung nghiên cứu cụ thể luận án xác định gồm: Thứ nhất, nghiên cứu giải pháp cải thiện hiệu ADC đồng độ phân giải thấp từ tới bit, giúp hoạt động hiệu cho hệ thống LS-MIMO; Thứ hai, nghiên cứu phương pháp thiết kế đề xuất họ mã P-LDPC mới, phù hợp cho hệ thống thông tin LS-MIMO với ADC đồng độ phân giải thấp đề xuất trên; Thứ ba, nghiên cứu, đề xuất thuật tốn tách sóng giải mã cho hệ thống thông tin LS-MIMO sử dụng giải pháp mã P-LDPC với ADC có độ phân giải thấp khác hay gọi độ phân giải hỗn hợp Phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu thuật tốn tách sóng giải mã P-LDPC cho hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải thấp Trong phạm vi luận án, số lượng ăng ten cỡ lớn mô từ 10 100 Tuy vậy, kết nghiên cứu áp dụng cho cấu hình MIMO với số lượng ăng ten tùy biến Độ phân giải thấp xem xét nghiên cứu từ bit Cuối cùng, kết nghiên cứu luận án nhằm cải thiện hiệu lượng (EE) hiệu suất phổ (SE), hai thước đo để đánh giá hiệu hệ thống truyền thông không dây đại Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu ba thành phần chính, ảnh hưởng tới hiệu lượng hiệu suất phổ trong mạng không dây hệ tương lai Cụ thể gồm: 1) Bộ ADC độ phân giải thấp từ tới bit; 2) Giải pháp mã hóa P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng; 3) Thuật tốn tách sóng giải mã P-LDPC phía thu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Công nghệ MIMO phát triển ứng dụng rộng rãi mạng không dây đại Việc trang bị số lượng lớn ăng ten đòi hỏi lượng tính tốn lớn tiêu hao lượng phía thu Do vậy, cải thiện hiệu hệ thống MIMO thách thức nhận nhiều quan tâm cộng đồng nghiên cứu khoa học nước Những đề xuất, giải pháp cải tiến ADC độ phân giải thấp, mã P-LDPC thuật tốn tách sóng giải mã cho hệ thống MIMO cỡ lớn tảng cho việc nghiên cứu, xây dựng hệ thống truyền dẫn phức tạp, thực tế mạng thông tin di động tương lai Ngoài ý nghĩa cải thiện hiệu hệ thống MIMO cỡ lớn, thuật tốn tách sóng giải mã PLPDC đề xuất luận án cung cấp cơng cụ, quy trình thiết kế đánh giá hiệu hệ thống LS-MIMO với ADC độ phân giải hỗn hợp Đây đóng góp có ý nghĩa thực tiễn quan trọng luận án Phương pháp nghiên cứu Phương pháp tiếp cận giải vấn đề luận án thực thơng qua hai q trình: - Q trình thứ nhất, thiết lập mơ hình tốn học Các thành phần hệ thống thông tin hầu hết mơ hình hóa thơng qua mơ hình tốn thống kê Các mơ hình tốn học áp - dụng phổ biến nghiên cứu nhà khoa học giới lĩnh vực xử lý truyền thơng tin Q trình thứ hai, xây dựng chạy chương trình mơ máy tính Bước thực ngơn ngữ lập trình C++ nhằm kiểm chứng tính đắn kết phân tích tốn học Để đảm bảo độ tin cậy, mô thực dựa phương pháp Monte-Carlo Đây phương pháp phổ biến sử dụng để đánh giá hiệu mơ hình mạng, hệ thống thơng tin, mà mơ hình có nhiều biến có xác suất ngẫu nhiên Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu phụ lục, Luận án trình bày thành chương với bố cục sau: Chương 1: Trình bày lý thuyết tổng quan nghiên cứu hiệu hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn Chương 2: Nghiên cứu ảnh hưởng thiết kế ADC đồng độ phân giải thấp từ đến bit cho hệ thống MIMO cỡ lớn Chương 3: Nghiên cứu giải pháp thiết kế mã Protograph LDPC có tỉ lệ thích ứng cho hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn với ADC đồng độ phân giải thấp bit Chương 4: Nghiên cứu đề xuất thuật tốn tách sóng MIMO giải mã PLDPC kết hợp cho hệ thống MIMO cỡ lớn với chuyển đổi ADC có độ phân giải hỗn hợp Kết luận: Trình bày đóng góp luận án hướng nghiên cứu tiềm tương lai đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN DẪN MIMO VÀ MÃ PROTOGRAPH LDPC Tóm tắt : Công nghệ đa đầu vào đa đầu cỡ lớn (LS-MIMO) kỹ thuật quan trọng cho phép triển khai mạng không dây hệ thứ (5G) Do sở hữu số lượng lớn ăng-ten trạm sở (BS), hệ thống MIMO lớn mang lại cải thiện đáng kể hiệu suất phổ (SE) Tuy nhiên, số lượng ăng-ten tăng lên làm tăng đáng kể mức tiêu thụ lượng mạch tần số vô tuyến (RF) Theo đó, hướng nghiên cứu quan trọng làm cải thiện hiệu lượng (EE) hay hiệu hệ thống thông tin MIMO mà đảm bảo hiệu suất phổ yêu cầu độ trễ xử lý Phần đầu chương trình bày lý thuyết tổng quan vấn đề hiệu hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn Phần chương trình bày ngắn gọn đặc trưng lý thuyết sở đối tượng nghiên cứu luận án Trong phần cuối, khảo sát phân tích cơng trình nghiên cứu có liên quan nước xem xét để làm rõ mục tiêu luận án 1.1 Công nghệ đa đầu vào đa đầu MIMO Gần đây, sách trắng Cisco phát hành khẳng định mạng 4G đáp ứng nhu cầu liệu không dây tương lai gần Một thách thức thiết kế hệ thống di động hệ (5G) nằm việc cải thiện hiệu lượng (EE) hiệu suất phổ (SE) Cơng nghệ MIMO chuẩn hóa thương mại hóa mạng 5G Để cải thiện SE, kỹ thuật MIMO cỡ lớn (còn gọi hệ thống ăng ten quy mô lớn, MIMO lớn, siêu MIMO, MIMO đầy đủ kích thước) sử dụng số lượng ăng ten BS lớn nhiều so với hệ thống MIMO truyền thống coi tính 5G Cho đến nay, số lượng ăng ten nghiêm ngặt cho hệ thống MIMO cỡ lớn chưa xác định Hơn nữa, để kết so sánh cơng với cơng trình nghiên cứu gần nhất, số lượng ăng ten nghiên cứu luận án lựa chọn khoảng từ 10 100, giới hạn Mô hình hệ thống MIMO cỡ lớn tổng quan xem xét luận án trình bày Hình 1.1 Hình 1.1 Mơ hình tổng quan hệ thống thơng tin MIMO mã hóa Các đối tượng nghiên cứu luận án xem xét mơ hình hệ thống gồm: 1) Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) độ phân giải thấp; 2) Khối chức mã hóa PLPDC; Và 3) Thuật tốn tách sóng MIMO giải mã P-LDPC kết hợp phía thu 1.2 Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) Nội dung phần 1.2 trình bày hoạt động lượng tử hóa ADC, nhằm giải thích ngun nhân ảnh hưởng nghiêm trọng trình lượng tử hóa độ phân giải thấp hiệu hệ thống MIMO cỡ lớn Hình 1.2 Mơ hình chuyển đổi ADC lý thuyết với trình lượng tử hóa hai giai đoạn Nguyên lý hoạt động chuyển đổi ∑-bit lý thuyết trình bày Hình 1.2 Bộ chuyển đổi có tín hiệu đầu vào thời gian liên tục, ký hiệu 𝑠(𝑡) Tín hiệu giả định giá trị thực nào, bị giới hạn miền hữu hạn, tức 𝑠(𝑡) liên tục biên độ thời gian Sau đó, chuyển đổi tương tự sang số lượng tử hóa theo thời gian biên độ, cho thời điểm 𝑛𝑇𝑠 , 𝑇𝑠 chu kỳ lấy mẫu 𝑛 số mẫu (số nguyên), đầu 𝑁𝑄 −1 𝑥𝑖 tạo từ tập hữu hạn {𝑥𝑗 }𝑗=0 Ở đây, 𝑁𝑄 = 2∑ số mức lượng tử hóa với ∑ số bit lượng tử 1.3 Mã Protograph LDPC Các họ mã Protograph LPDC (P-LDPC) ứng dụng rộng rãi số tiêu chuẩn truyền thông ngày nay, chẳng hạn IEEE 802.11n (WiFi), IEEE 802.16e (WiMAX), IEEE 802.15.3c (WPAN), 802.11ac (WiFi evolution) IEEE 802.11ad (WiGig) Một mã protograph LDPC (tương đương mã LDPC), đồ thị dẫn xuất lớn xây dựng dựa việc “nhân bản-và-hoán vị” protograph ban đầu Một ví dụ đơn giản protograph ban đầu hoạt động “nhân bản-và-hoán vị” với 𝑁 = 3, minh họa Hình 1.6 Hình 1.6 Thực hoán vị cạnh sau thực nhân với N = Quá trình thiết kế họ mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng nghiên cứu luận án thực với tham số gồm: 1) Ngưỡng (threshold) giải mã lặp, tác động đến hiệu vùng thác nước; 2) Thuộc tính khoảng cách tối thiểu tuyến, tác động đến hiệu vùng lỗi ngăn hành vi lỗi sàn (error-floor); 3) Số lần lặp giải mã thấp có tác động độ phức tạp độ trễ xử lý hệ thống Để đánh giá hiệu giải pháp mã P-LDPC nói riêng hệ thống thơng tin MIMO cỡ lớn nói chung, thông thường nghiên cứu thực cách xem xét mức tín hiệu (SNR) cần thiết hệ thống để đạt đến xác suất lỗi giới hạn Sự khác biệt (được tính đơn vị dB) thường gọi độ lợi mã hóa Độ lợi mã hóa xem mức giảm cơng suất tín hiệu hệ thống mã hóa cơng suất nhiễu xác định, hay nói cách khác cải thiện hiệu 1.4 Các nghiên cứu liên quan Phần nội dung 1.4 trình bày khảo sát phân tích cơng trình nghiên cứu gần với chủ đề luận án, gồm: 1) Bộ ADC độ phân giải thấp giới hạn từ đến bit; 2) Giải pháp mã hóa P-LDPC 3) Thuật tốn tách sóng giải mã phía thu 1.4.1 Bộ ADC độ phân giải thấp (1 đến bit) Việc sử dụng nhiều cặp chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) khơng vấn đề chi phí phần cứng mà suy hao lượng Điều chi phí phần cứng, mức tiêu thụ lượng ADC tăng trưởng tuyến tính với số lượng ăng ten theo cấp số nhân với độ phân giải (số bit sử dụng) Nhằm giải thách thức này, giải pháp tiềm thay ADC độ phân giải cao, tiêu tốn nhiều lượng ADC độ phân giải thấp tiêu tốn lượng Các nghiên cứu khảo sát ADC độ phân giải 1-bit 2-bit cho hiệu lượng tốt công suất truyền qua kênh công suất hao hụt ADC ăng ten thu Một số nghiên cứu sử dụng lượng tử hóa vơ hướng khơng đồng nhất, với mức lượng tử hóa khơng tối ưu hóa dựa hàm mật độ xác suất đầu vào Bộ lượng tử hóa không đồng biết đến cho hiệu tốt có độ phức tạp xử lý lớn mức lượng tử Δ cần tối ưu theo hàm phân phối mật độ xác xuất (PDF) đầu vào Một loại lượng tử hóa khác lượng tử hóa vơ hướng đồng Với mức lượng tử hóa nhau, lượng tử hóa vơ hướng đồng cho độ phức tạp xử lý thấp có hiệu xử lý thấp lượng tử hóa khơng đồng Nhiều nghiên cứu áp dụng lượng tử hóa vơ hướng đồng cho hệ thống MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải thấp Tuy nhiên, giới hạn cắt lựa chọn theo luật three-sigma độ phân giải ADC Điều dẫn đến hiệu hệ thống MIMO quy mô lớn với ADC độ phân giải thấp bị suy giảm, đặc biệt với trường hợp ADC 1-bit Xuất phát từ quan sát trên, chủ đề nghiên cứu luận án cải thiện suy giảm hiệu hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn triển khai ADC đồng độ phân giải thấp từ đến bit Theo đó, thơng qua việc tìm kiếm giới hạn cắt phù hợp cho mức độ phân giải ADC, chiến lược để cân biến dạng tải biến dạng mềm thực hiện, nhằm giảm biến dạng lượng tử hóa tổng thể Để kiểm chứng, tốc độ tổng đạt đường lên hệ thống MIMO-MU sử dụng để so sánh ADC đồng đề xuất với ADC liên quan Các kết nghiên cứu chủ đề này trình bày Chương luận án công bố cơng trình [CT3] 1.4.2 Mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng Trong hầu hết hệ thống truyền thơng đại, ví dụ mạng hệ 5G, có u cầu khơng đồng độ trễ, hiệu suất phổ độ tin cậy Các yêu cầu đa dạng chuyển trực tiếp thành yêu cầu cụ thể tỉ lệ lỗi khung (FER) tỉ lệ lỗi bit (BER) thiết kế mã Để đáp ứng yêu cầu đa dạng FER/ BER, giải pháp thực tế sử dụng giải pháp mã hóa kênh khác phù hợp cho kịch dịch vụ khác Tương ứng với giải pháp này, cần phương pháp thiết kế họ mã LDPC có tỉ lệ mã thích ứng dựa protograph lồng Mặc dù có nhiều nghiên cứu ADC 1-bit cho hệ thống MIMO cỡ lớn việc phân tích tối ưu hóa hiệu cho chúng cịn hạn chế Đặc biệt với hệ thống truyền thông không dây mã hóa giải pháp mã hóa kênh P-LDPC sử dụng công nghệ MIMO cỡ lớn Hai giới hạn nghiên cứu cơng trình có liên quan với chủ đề là: 1) Nghiên cứu xem xét giới hạn độ phân giải ADC từ 2-bit tới 5-bit; 2) Giới hạn cắt cố định cách sử dụng luật three-sigma Từ phân tích trên, chủ đề nghiên cứu luận án tìm kiếm giải pháp thiết kế họ mã P-LDPC có tỉ lệ thích ứng đáp ứng u cầu hiệu suất phổ mà đảm bảo hiệu lượng, phù hợp cho hệ thống truyền thơng khơng dây hệ Hay nói cách khác, họ mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng giúp cải thiện hiệu hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải thấp từ đến bit Các kết nghiên cứu chủ đề trình bày Chương cơng bố cơng trình [CT1], [CT2], [CT4] [CT5] 1.4.3 Thuật tốn tách sóng giải mã phía thu Khi số lượng ăng ten lên đến hàng chục hàng trăm, thuật toán tách sóng MIMO thơng thường cưỡng (ZF), lọc khơng gian sai số bình phương trung bình tối thiểu (MSME), giải mã hình cầu tách sóng khả xảy tối đa (ML) có giới hạn tính tốn Gần đây, thuật tốn lan truyền độ tin cậy giải pháp hấp dẫn để giải vấn đề độ phức tạp cải thiện hiệu hệ thống cách loại bỏ nhiễu luồng thơng qua giải mã lặp tách sóng MIMO kết hợp Tuy nhiên, nghiên cứu thuật toán xem xét cho hệ thống LS-MIMO tồn ăng ten thu trang bị ADC có độ phân giải giới hạn độ phân giải thấp từ tới bit Bên cạnh đó, số nghiên cứu hệ thống LS-MIMO sử dụng ADC có độ phân giải hỗn hợp, chủ yếu dựa lý thuyết thông tin giả định mã ngẫu nhiên với độ dài mã vô hạn Dựa quan sát này, chủ đề nghiên cứu luận án nghiên cứu, đề xuất thuật tốn tách sóng giải mã kết hợp cho hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải hỗn hợp Theo khảo sát, chủ đề nghiên cứu mới, chưa có nghiên cứu chuyên sâu giới thực Hơn nữa, thuật toán đề xuất ứng dụng kết nghiên cứu ADC đồng độ phân giải thấp mã P-LDPC đề xuất cơng trình nghiên cứu Điều hi vọng giúp cải thiện đáng kể hiệu hệ thống MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải hỗn hợp Kết nghiên cứu chủ đề trình bày Chương luận án công bố công trình nghiên cứu [CT6] 1.5 Kết luận chương Chương trình bày tổng quan vấn đề hiệu hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn, công nghệ quan trọng triển khai mạng không dây 5G Các thành phần quan trọng, ảnh hưởng đến hiệu hệ thống MIMO cỡ lớn ADC độ phân giải thấp, giải pháp mã P-LPDC xem xét Trong đó, khái niệm sở có liên quan, sử dụng phần lại luận án trình bày Phần cuối chương tổng hợp khảo sát, phân tích cơng trình nghiên cứu ngồi nước có liên quan tới chủ đề luận án Từ đó, làm rõ rút chủ đề nghiên cứu luận án, trình bày chi tiết chương CHƯƠNG ĐỀ XUẤT BỘ ADC ĐỒNG NHẤT ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP CHO HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN Tóm tắt: Chương nghiên cứu thiết kế ADC đồng độ phân giải thấp từ đến bit, cho hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn Khác với nghiên cứu trước sử dụng giới hạn cắt theo luật three-sigma xây dựng ADC đồng với độ phân giải Một biểu thức tính tốn giới hạn nghiên cứu, đề xuất ứng dụng ADC độ phân giải thấp đến bit, gọi ADC đồng tối ưu độ phân giải thấp Các kết phân tích lý thuyết mơ việc sử dụng ADC tối ưu độ phân giải thấp cải thiện đáng kể tốc độ tổng đường lên hệ thống MIMO-MU Cụ thể với trường hợp ADC bit, cải thiện từ đến bits/s/Hz tương ứng với số lượng ăng ten trạm sở N=50 đến N=500 Hơn nữa, độ phân giải từ đến bit ADC cho có hiệu lượng tốt cho hệ thống MIMO cỡ lớn Như vậy, hiệu tổng thể hệ thống MIMO cải thiện cách sử dụng ADC tối ưu độ phân giải thấp đề xuất Đóng góp nghiên cứu chương luận án công bố [CT3] ADC tối ưu độ phân giải thấp thiết kế chương sử dụng cơng trình nghiên cứu tiếp theo, trình bày phần sau luận án 2.1 Mơ hình hệ thống Nội dung 2.1 trình bày mơ hình hệ thống MIMO với M người dùng sử dụng ăng ten đơn kết nối với trạm sở trang bị N ăng ten, gọi hệ thống MIMO-MU Hình 2.1 Hình 2.1 Mơ hình hệ thống MIMO-MU Mơ hình kênh cho hệ thống cho biểu thức: 𝑟 = √𝑝𝑢 𝐻𝑥 + 𝑤 (2.1) 2.2 Bộ ADC độ phân giải thấp Mô hình nhiễu lượng tử hóa cộng (AQNM) cung cấp cách tiếp cận hiệu đơn giản để phân tích ảnh hưởng nhiễu lượng tử hóa hiệu hệ thống Hiện nay, AQNM áp dụng rộng rãi nhiều nghiên cứu để tìm hiểu hoạt động ADC có độ phân giải thấp Hình 2.2 Mơ hình nhiễu lượng tử cộng (AQNM) Xem xét mơ hình hệ thống Hình 2.1 giả sử lượng ngang cho tất người dùng cuối Tại BS, sử dụng mơ hình AQNM Hình 2.2, mơ hình hóa tín hiệu nhận 𝑟 sau lượng tử hóa thành tín hiệu đầu 𝑦𝑞 = [𝑦𝑞,1 , 𝑦𝑞,2 , … , 𝑦𝑞,𝑀 ] sau: 11 Bảng 2.4 So sánh hiệu (𝜑) lượng tử hóa Lượng tử hóa khơng đồng 0,6366 0,8825 0,9654 0,9905 0,9975 Lượng tử hóa three-sigma 0,1371 0,8135 0,9518 0,9878 0,9966 Lượng tử hóa đồng tối ưu 0,6261 0,8796 0,9628 0,9985 0,9963 ∑ Quan sát giá trị 𝜑, thấy: 1) Bộ lượng tử hóa đồng tối ưu đề xuất có hiệu tiệm cận với lượng tử hóa khơng đồng tất mức độ phân giải 2) Bộ lượng tử theo luật three-sigma thông thường tối ưu mức độ phân giải lớn bit 2.5 Mô đánh giá Phần trình bày kết mơ đánh giá tốc độ tổng đường lên cho tế bào lục giác có bán kính 𝑅𝑅 = 1000m Sử dụng hàm phân phối đồng để đặt 𝑁 = 10 người dùng ngẫu nhiên vào tế bào, ngoại trừ khu vực trung tâm có bán kính 𝑟𝑐 = 100 mét Vị trí tất 𝑁 = 10 người dùng hiển thị Hình 2.3 Hình 2.3 Vị trí người dùng cell với N = 10, Hình 2.5 So sánh tốc độ tổng đường lên trường hợp 𝑅𝑅 = 1000m rc = 100m ADC 1-bit Quan sát Hình 2.5, thấy tốc độ tổng lượng tử đồng three-sigma thấp nhiều so với hai lượng tử hóa cịn lại Hơn nữa, giá trị khoảng cách tốc độ tổng đường lên trở nên lớn tăng số lượng ăng ten trạm sở Cụ thể trường hợp ADC 1-bit, khoảng cách tăng dần từ khoảng 2bits/s/Hz đến 9bits/s/Hz số ăng ten tăng tương ứng từ 𝑁 = đến 𝑁 = 500 Khi độ phân giải ADC tăng lên bit thấy khoảng cách tốc độ tổng sụt giảm đáng kể, khoảng từ tới 2𝑏𝑖𝑡𝑠/𝑠/𝐻𝑧 Khoảng cách biến độ phân giải ADC bit Các quan sát minh họa chi tiết Hình 2.6 Hình 2.7 luận án Như vậy, độ lợi hiệu suất phổ thể qua khoảng cách tốc độ tổng đường lên mô phản ánh tương đồng với phân tích khoảng cách giá trị 𝜑 trình bày Bảng 2.2 2.4 12 2.6 Kết luận chương Chương trình bày nghiên cứu tối ưu giới hạn cắt lượng tử hóa đồng cho ADC độ phân giải thấp T-ADC Kết mô cho thấy lượng tử hóa đồng tối ưu cải thiện đáng kể hiệu suất phổ đường lên hệ thống MIMO-MU, đặc biệt cho trường hợp ADC có độ phân giải bit Hơn nữa, giá trị hiệu suất phổ lượng tử hóa đồng tối ưu xấp xỉ với lượng tử không đồng tất mức độ phân giải ADC Bên cạnh đó, kết mô cho thấy cải thiện hiệu suất phổ lượng tử hóa tối ưu ADC 1-bit ADC 2-bit đáng kể cho hệ thống MIMO cỡ lớn hai độ phân giải chứng minh cho hiệu lượng tốt Kết mô nghiên cứu chương thu thập cách sử dụng phương pháp phân tích theo lý thuyết cho mơ hình hệ thống MIMO-MU Nghĩa là, nghiên cứu giả định mã hóa kênh ngẫu nhiên có độ dài khối thông tin vô hạn Do vậy, cần có nghiên cứu nhằm kiểm chứng độ tin cậy ADC đề xuất hệ thống truyền thơng mã hóa MIMO có sử dụng giải pháp mã kênh P-LDPC thực tế Nội dung nghiên cứu trình bày chi tiết chương luận án CHƯƠNG THIẾT KẾ MÃ P-LDPC CHO HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP Tóm tắt: Nghiên cứu chương thực với giả định mã hóa kênh ngẫu nhiên có độ dài khối thông tin vô hạn Một câu hỏi đặt ADC tối ưu đề xuất cải thiện hiệu tổng thể hệ thống MIMO cỡ lớn, sử dụng giải pháp mã hóa kênh P-LDPC thực tế hay không Nội dung đầu chương tập trung trả lời câu hỏi trên, cho trường hợp hệ thống mã hóa MIMO cỡ lớn, với ADC độ phân giải 1-bit tối ưu đề xuất Chương giải pháp mã P-LDPC thực tế phía thu Thuật tốn tách sóng MIMO giải mã P-LDPC kết hợp phía thu, cơng bố cơng trình [CT2], sử dụng để ước tính lỗi kênh Các kết mơ cho thấy hiệu vượt trội ADC tối ưu đề xuất so sánh với ADC độ phân giải thấp sử dụng luật three-sigma tất cấu hình MIMO lựa chọn Điều ADC tối ưu độ phân giải thấp đề xuất đem lại cải thiện đáng kể hiệu tổng thể hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn, có sử dụng giải pháp mã P-LDPC thực tế Kết nghiên cứu công bố [CT4] Tuy nhiên, nghiên cứu cho thấy, suy giảm hiệu hệ thống tỉ lệ mã hóa cao cấu hình MIMO thấp mã protograph LDPC chưa tối ưu Do vậy, phần cuối chương tập trung trình bày nghiên cứu, thiết kế mã protograph có tỉ lệ mã thích ứng cho hệ thống MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải bit Trong đó, phương pháp thiết kế mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng, cơng bố cơng trình [CT1], sử dụng để thiết kế mã P-LDPC tối ưu tỉ lệ mã 𝑅 = 1⁄2 𝑅 = 2⁄3 cho trường hợp MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải bit Các mã protograph LDPC đề xuất mang lại độ lợi mã hóa từ 0,3 dB tới 0,7 dB so với mã P-LPDC đại nghiên cứu gần Độ lợi mã hóa đáng kể mặt hiệu năng, đặc biệt hệ thống truyền thông không dây tốc độ cao, nơi mà nguồn điện cung cấp 13 cho thiết bị hoạt động pin bị hạn chế cách nghiêm ngặt Các mã P-LPDC đề xuất đóng góp chương cơng bố [CT5] 3.1 Hiệu mã P-LDPC hệ thống thơng tin MIMO cỡ lớn Nội dung 3.1 trình bày đánh giá hiệu tổng thể hệ thống MIMO cỡ lớn sử dụng giải pháp mã hóa kênh P-LDPC thực tế ADC đồng đề xuất cơng trình [CT3] 3.1.1 Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống truyền thơng LS-MIMO sử dụng mã P-LDPC thực phân tích hiệu thiết kế mã P-LDPC nội dung trình bày Hình 3.1 Hình 3.1 Mơ hình kênh hệ thống truyền thơng mã hóa LS-MIMO với ADC 1-bit 3.1.2 Bộ ADC đồng 1-bit tối ưu Bộ lượng tử hóa mơ hình hệ thống lượng tử hóa đồng tối ưu độ phân giải thấp trình bày Chương cơng trình [CT3] Theo biểu thức (2.13), (2.14) giá trị 𝜑 lớn hiệu hệ thống truyền thơng mã hóa MIMO cỡ lớn tốt Như vậy, để cải thiện hiệu hệ thống mã hóa MIMO cỡ lớn, người ta phải tối ưu để đạt giá trị cao 𝜑 cho ADC 1-bit cho trước cách giảm nhiễu lượng tử lượng tử hóa Bảng 3.1 Giới hạn cắt giá trị 𝜑 ADC 1-bit 𝐿𝑁𝑄 𝜑 ADC đồng three-sigma 0,1371 ADC đồng tối ưu 1,669 0,6261 ADC không đồng 0,6366 Bảng 3.1 cung cấp giá trị tối ưu 𝐿𝑁𝑄 cho loại ADC 1-bit giá trị 𝜑 tương ứng Có thể thấy giá trị hiệu ADC 1-bit tối ưu gần so với lượng tử không đồng nhất, vốn phức tạp số lượng mức khoảng lượng tử Δ cần tối ưu theo hàm phân phối mật độ xác xuất (PDF) đầu vào Sự khác giá trị 𝜑 0,01 Bảng 3.1 khoảng cách nhỏ 14 3.1.3 Thuật toán tách sóng MIMO giải mã P-LDPC kết hợp Nội dung 3.1.3 trình bày thuật tốn tách sóng MIMO giải mã kết hợp sử dụng để đánh giá hiệu thiết kế mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng cho hệ thống MIMO cỡ lớn với ADC đồng tối ưu 1-bit phần sau Hình 3.2 Bộ thu lan truyền độ tin cậy hai lớp kết hợp Thuật tốn tách sóng giải mã P-LDPC kết hợp giải thích qua sơ đồ hai lớp kết hợp minh họa Hình 3.2 Đường kết nối nút biến nút kiểm tra quy định ma trận chẵn lẻ mã LDPC Trong lần sử dụng kênh, N nút giám sát M nút ký hiệu liên kết đầy đủ để tạo nên sơ đồ cho thành phần tách sóng MIMO Nguyên tắc chi tiết hoạt động thu giải mã tách sóng kết hợp sử dụng thuật tốn truyền độ tin cậy trình bày Phần 3.1.3 luận án 3.1.4 Mô đánh giá kết Trong phần 3.1.4, thuật toán PEXIT cho hệ thống MIMO cỡ lớn (LS-MIMO-PEXIT) sử dụng để đánh giá cải thiện hiệu lượng tử hóa (ADC) đồng tối ưu 1-bit a Ngưỡng giải mã lặp: Để tính tốn ngưỡng giải mã lặp, mã P-LDPC gần tối ưu trước cho kênh LS-MIMO độ phân giải thấp lựa chọn Kết ngưỡng giải mã lặp cho tỉ lệ mã hóa 𝑅 = 1⁄2 trình bày Bảng 3.2 Bảng 3.2 Ngưỡng giải mã lặp với tỉ lệ mã hóa 𝑅 = 1⁄2 Cấu hình MIMO 10 × 10 40 × 40 100 × 100 Lượng tử hóa Three-sigma 5,47 5,03 5,21 Lượng tử hóa tối ưu 3,07 2,84 2,97 Như kì vọng, ngưỡng giải mã lặp sử dụng lượng tử hóa tối ưu thấp đáng kể so với lượng tử hóa three-sigma thơng thường tất cấu hình MIMO Các kết tương tự quan sát thấy tỉ lệ mã hóa R 2⁄3 3⁄4, trình bày chi tiết Bảng 3.3 Bảng 3.4 luận án b Hiệu (BER): Mô thực sử dụng mơ hình hệ thống mơ tả Hình 3.1 tham số mơ trình bày Bảng 3.5 15 Bảng 3.5 Tham số mô đánh giá lượng tử hóa tối ưu STT Tham số Cấu hình MIMO Tỉ lệ mã Độ dài mã Bộ ADC Thiết lập 10 × 10 | 40 × 40 | 100 × 100 R12 | R23 | R34 2400 bit Đồng tối ưu 1-bit Kết mô trình bày Hình 3.3 - Hình 3.11 luận án, thấy đường cong tỉ lệ lỗi bit (BER) lượng tử tối ưu đề xuất thấp nhiều so với lượng tử three-sigma tất mức cơng suất SNR Hình 3.3 Hiệu MIMO 10 x 10, R = 1/2 Hình 3.4 Hiệu MIMO 10 x 10, R = 2/3 Hơn nữa, lượng tử three-sigma có hiệu thấp tất tỉ lệ mã hóa cấu hình MIMO Ngay số tăng lên đến 100, đường BER hiệu lượng tử three-sigma xảy tượng lỗi sàn Như vậy, giới hạn cắt đặc biệt quan trọng với ADC 1-bit, chứng minh từ phân tích, nghiên cứu lý thuyết Chương Bên cạnh đó, mã protograph LPDC nên thiết kế lại tối ưu lại cho trường hợp cụ thể ADC 1-bit để ngăn chặn suy giảm hiệu tỉ lệ mã hóa cao cấu hình MIMO thấp Nội dung trình bày nghiên cứu thiết kế họ mã protograph LDPC có tỉ lệ mã thích ứng cho hệ thống truyền thơng mã hóa MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải thấp bit 3.2 Thiết kế mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng Nội dung 3.2 trình bày phương pháp thiết kế họ mã P-LPDC có tỉ lệ mã thích ứng Q trình thiết kế mã protograph có tỉ lệ thích ứng với độ dài khối thơng tin cố định, gồm hai giai đoạn: - Giai đoạn thiết kế mã con: Là giai đoạn thiết kế mã sở có tỉ lệ mã hóa cao kỹ thuật kéo dài mã (lengthening) Giai đoạn thiết kế mã có tỉ lệ mã thích ứng: Mã tỉ lệ mã hóa cao tìm thấy sử dụng để thiết kế protograph tỉ lệ mã hóa thấp cách thêm số lượng nút biến (cột) nút kiểm tra (hàng) 3.2.1 Bài toán thiết kế mã P-LDPC Việc thiết kế mã protograph LDPC trình bày thơng qua toán tối ưu sau: 16 𝑩𝑚𝑖𝑛 ∈𝐵 + 𝐸 𝜉 (𝐵, 𝑁, 𝑀, 𝐼𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑥 ) 𝑓𝑟 (𝐵) ≤ 0, 𝑟 = 1, 2, … , 𝑅 (3.18) Với 𝐵𝐸+ tập tất ma trận chứa phần tử không âm, đầu hàm chi phí 𝜉 (𝐵, 𝑁, 𝑀, 𝐼𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑥 ) giá trị ngưỡng giải mã lặp cần tìm kiếm Để bắt đầu, ràng buộc cấu trúc ma trận sở 𝑩 khởi đầu tỉ lệ mã hóa 1⁄2 thiết lập 𝑒1,1 𝑒1,2 𝑒1,3 𝑒1,4 (3.19) 𝑩1⁄ = (𝑒2,1 𝑒2,2 𝑒2,3 𝑒2,4 1 ) 𝑒3,1 𝑒3,2 𝑒3,3 𝑒3,4 ×6 Cuối cùng, ràng buộc tương ứng 𝑓𝑟 (𝐵) toán tối ưu cho ma trận 𝑩1⁄ biểu thức (3.20) đây: 𝑓1 (𝐵1⁄ ) ∶ 𝑒𝑖,𝑗 ≥ 0, ∀𝑖 = 1, 2, 3, 𝑗 = 1, … , 𝑓2 (𝐵1⁄ ) ∶ 𝑒𝑖,𝑗 ≤ 3, ∀𝑖 = 1, 2, 3, 𝑗 = 1, … , 2 (3.20) 𝑓3 (𝐵1⁄ ) ∶ (𝑒1,1 + 𝑒2,1 + 𝑒3,1 ) ≤ 𝑓4 (𝐵1⁄ ) ∶ (𝑒1,2 + 𝑒2,2 + 𝑒3,2 ) ≤ 𝑓5 (𝐵1⁄ ) ∶ (𝑒1,3 + 𝑒2,3 + 𝑒3,3 ) ≤ 𝑓6 (𝐵1⁄ ) ∶ (𝑒1,4 + 𝑒2,4 + 𝑒3,4 ) ≤ { 3.2.2 Thiết kế mã P-LDPC cho LS-MIMO với ADC tối ưu 1-bit Quá trình thiết kế thực với tham số: Số lần lặp tối đa 𝐼𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑥 = 50, cấu hình MIMO 10 × 10 Các ma trận sở tối ưu mã P-LDPC tỉ lệ mã hóa 1⁄2 2⁄3 trình bày đây: 0 𝑖𝑡𝑒𝑟 ( 𝑩50 = 2 1 1⁄ 2 1 1) ×6 2 0 𝑖𝑡𝑒𝑟 𝑩50 = (0 2 1 2⁄ 2 1 (3.21) 1) ×9 (3.22) 3.2.3 Mô đánh giá kết Mô thực với mơ hình hệ thống trình bày Hình 3.1 tham số mơ trình bày chi tiết Bảng 3.6 Bảng 3.6 Tham số mô đánh giá hiệu mã P-LPDC đề xuất STT Tham số Cấu hình MIMO Tỉ lệ mã Độ dài mã Bộ ADC Mã P-LPDC Số lần lặp tách sóng giải mã Thiết lập 10 × 10 | 100 × 100 | 10 × 40 | 10 × 100 R12 | R23 2400 bit Đồng tối ưu 1-bit New Code | ARA3 | NND 50 17 Quan sát kết mơ phỏng, thấy mã P-LDPC đề xuất khơng có tượng lỗi sàn 𝐹𝐸𝑅 = 10−4 Thuộc tính mã đề xuất giúp chúng hữu ích cho hệ mạng không dây mới, nơi thường yêu cầu độ tin cậy cao Hơn nữa, độ lợi mã hóa đạt từ 0,3 dB tới 0,7 dB 𝐹𝐸𝑅 = 10−4 so sánh tỉ lệ mã hóa 𝑅 = 1⁄2 Ở tỉ lệ mã hóa cao 𝑅 = 2⁄3, độ lợi mã hóa từ khoảng 0,5 dB tới 1,0 dB so sánh với mã 𝑁𝑁𝐷 mã 𝐴𝑅3𝐴 Độ lợi mã hóa gần tương tự cấu hình MIMO 10 × 10 100 × 100 Hình 3.12 Hiệu FER cấu hình LS- Hình 3.13 Hiệu cấu hình LS-MIMO MIMO 10x10 100x100 3.3 Kết luận chương Phần đầu chương nghiên cứu kiểm chứng độ tin cậy ADC tối ưu đề xuất thông qua việc đánh giá hiệu ADC độ phân giải 1-bit với lượng tử three-sigma lượng tử vô hướng tối ưu Kết mô xác minh ADC vô hướng tối ưu hữu ích đem lại cải thiện đáng kể hiệu cho hệ thống thơng tin MIMO cỡ lớn Bên cạnh đó, nên sử dụng số lượng lớn ăng ten để làm giảm tác động tiêu cực nhiễu lượng tử, gây độ phân giải thấp 1-bit ADC, đặc biệt cho tỉ lệ mã hóa cao Cuối cùng, xuất phát từ quan sát hiệu hệ thống suy giảm nghiêm trọng tỉ lệ mã cao cấu hình MIMO thấp, nghiên cứu luận án đề xuất thiết kế lại mã protograph LDPC có tỉ lệ mã thích ứng cho cấu hình cụ thể ADC 1-bit hệ thống thông tin mã hóa MIMO cỡ lớn Phần cuối chương giải khuyến nghị phần đầu việc thiết kế lại mã P-LDPC cho hệ thống LS-MIMO ADC 1-bit Các mã protograph LDPC đề xuất mang lại độ lợi mã hóa từ 0,3 dB tới 0,7 dB so với mã P-LPDC đại nghiên cứu gần Những lợi ích mã hóa đáng kể, đặc biệt hệ thống truyền thông không dây tốc độ cao, nơi mà nguồn điện cung cấp cho thiết bị hoạt động pin bị hạn chế cách nghiêm ngặt Tuy nhiên lợi ích mã hóa dường biến với cấu hình LS-MIMO có M⁄N < 1, hay nói việc thiết kế lại mã P-LDPC cho hệ thống LS-MIMO với ADC cấu hình cực thấp cịn có điểm cịn hạn chế Xuất phát từ ý tưởng đó, có lẽ cần hướng tiếp cận khác để giải triệt để vấn đề hiệu lượng cải thiện hiệu suất phổ cho hệ thống truyền thơng mã hóa LS-MIMO với ADC độ phân giải thấp Đây nội dung nghiên cứu trình bày chương 18 CHƯƠNG THUẬT TỐN TÁCH SĨNG VÀ GIẢI MÃ P-LDPC CHO HỆ THỐNG LS-MIMO VỚI ADC HỖN HỢP Tóm tắt: Hiệu tổng thể của hệ thống MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải thấp nghiên cứu cải thiện thông qua cải thiện hiệu suất phổ (SE) tiết kiệm lượng (EE) trình bày chương chương Sự cải thiện hiệu đạt nhờ việc tối ưu ADC độ phân giải thấp thiết kế lại giải pháp mã P-LDPC cho hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn Nội dung chương tập trung nghiên cứu hiệu hệ thống MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải hỗn hợp thơng qua thuật tốn tách sóng MIMO giải mã P-LDPC kết hợp Một thuật toán tách sóng MIMO giải mã P-LPDC sử dụng đồ thị hai lớp phía thu nghiên cứu đề xuất cho trường hợp ADC độ phân giải hỗn hợp Trong đó, thành phần đồ thị tách sóng MIMO chia thành hai đồ thị con, tương ứng với thành phần ăng ten có độ phân giải thấp độ phân giải cao Hơn nữa, độ phân giải cao ADC sử dụng cho nhóm ăng ten độ phân giải cao bit Đây điểm so với nghiên cứu ADC có độ phân giải hỗn hợp trước đây, vốn sử dụng độ phân giải cao 8-12 bit Để kiểm chứng tính đắn thuật toán đề xuất, phiên thuật tốn truyền thơng tin ngoại lai cho hệ thống MIMO cỡ lớn (LS-MIMO-PEXIT) đề xuất, đặt tên MIXED-ADC-LS-MIMO-PEXIT Các kết phân tích thơng qua ngưỡng giải mã lặp sử dụng thuật tốn MIXED-ADC-LS-MIMO-PEXIT kết mơ sử dụng thuật tốn đề xuất kiểm chứng tính xác thuật tốn Sau đó, thuật tốn đề xuất sử dụng để thực mô cho hệ thống MIMO cỡ lớn với nhiều tỉ lệ hỗn hợp độ phân giải khác ADC Các kết cho thấy hiệu tổng thể hệ thống cải thiện đáng kể tất tỉ lệ hỗn hợp độ phân giải so với sử dụng mức độ phân giải Thuật tốn tách sóng MIMO giải mã P-LPDC cho hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải hỗn hợp đóng góp chương luận án công bố trong [CT6] 4.1 Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống sử dụng nghiên cứu trình bày Hình 4.1 Hình 4.1 Mơ hình kênh hệ thống truyền thơng mã hóa LS-MIMO với ADC hỗn hợp Quan sát phía thu, điểm khác biệt nghiên cứu sử dụng × 𝑁 cặp ADC có độ phân giải hỗn hợp thay sử dụng ADC đồng độ phân giải Trong khuôn khổ luận án này, 19 ADC hỗn hợp gồm ADC độ phân giải thấp gồm 1-bit Ternary-ADC, ADC độ phân giải cao từ 3-bit tới 5-bit Giá trị cắt tối ưu số liệu hiệu 𝜑𝜁 tối ưu tương ứng cho mức độ phân giải khác lượng tử hóa tối ưu liệt kê Bảng 4.1 Bảng 4.1 Giá trị cắt tối ưu tham số hiệu 𝜑 ADC độ phân giải thấp 1-ADC T-ADC 2-ADC 3-ADC 4-ADC 5-ADC 𝐿𝑠 1,699 1,922 2,091 2,461 2,791 3,028 𝜑 0,6261 0,8095 0,8796 0,9628 0,9885 0,9963 4.2 Thuật tốn tách sóng giải mã P-LDPC cho LS-MIMO với ADC hỗn hợp Nội dung 4.2 trình bày thuật tốn tách sóng giải mã kết hợp dựa đồ thị hai lớp đề xuất cho hệ thống MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải hỗn hợp Trong có hai loại nút giám sát là: Nút giám sát độ phân giải thấp nút giám sát độ phân giải cao Hình 4.2 Hình 4.2 Đồ thị hai lớp thuật tốn tách sóng giải mã cho ADC hỗn hợp Các thông điệp truyền nút đồ thị hai lớp công thức để tính tốn trình bày chi tiết phần 4.2 luận án 4.3 Thuật toán PEXIT đề xuất cho hệ thống LS-MIMO với ADC hỗn hợp Phiên thuật tốn LS-MIMO-PEXIT cho hệ thống LS-MIMO khơng thể áp dụng cho trường hợp sử dụng ADC độ phân giải hỗn hợp Do vậy, nội dung trình bày thuật tốn PEXIT đề xuất cho hệ thống LS-MIMO với ADC độ phân giải hỗn hợp 4.3.1 Đồ thị hai lớp MIMO P-LDPC kết hợp Thuật tốn đề xuất minh họa thơng qua đồ thị hai lớp, phiên thu nhỏ đồ thị hai lớp Hình 4.2 Trong trường hợp này, nút biến nút ký hiệu phân tách thành hai thành phần riêng biệt để thuận tiện cho việc phân tích luồng thơng tin tương ứng Luồng thông tin tương hỗ trao đổi đồ thị mơ tả chi tiết Hình 4.3 (a) Hình 4.3 (b) Trong đó, có sử dụng kết hợp thuận cho luồng thông tin kết hợp nghịch cho luồng thông tin trở lại 20 Hình 4.3 Luồng thơng tin thuận (a) Luồng thông tin nghịch (b) đồ thị hai lớp Chi tiết luồng thông tin biểu thức tính tốn thơng điệp truyền trình bày phần 4.3.2 4.3.3 luồng thông tin tương hỗ thuận nghịch 4.3.5.Thuật toán PEXIT đề xuất cho hệ thống truyền thông LS-MIMO với ADC hỗn hợp Thuật toán PEXIT đề xuất nghiên cứu luận án xây dựng cách khai thác hàm thơng tin tương hỗ trình bày nội dung trước với tham số đầu vào sau: Hệ thống LS-MIMO cho trước với cấu hình M × N Một ma trận sở B có kích thước Q × P Mức tín hiệu kênh Eb /N0 Các mức độ phân giải ADC 𝑄𝐿 (độ phân giải thấp) 𝑄𝐻 (độ phân giải cao) - Thuật tốn Mixed-ADC-LS-MIMO-PEXIT trình bày đây: - Bước 0: Khởi tạo o Lựa chọn ma trận sở: B o Tính tốn tỉ lệ mã: R = o Tính tốn giá trị mật độ phổ cơng suất nhiễu N0 = o Gán giá trị cho φL φH từ Bảng 4.1 tương ứng với mức độ phân giải QL QH o Thiết lập giá trị ban đầu cho IβL = IβH = o Sinh F ma trận kênh sửa lỗi LS-MIMO {Hζ,1 , Hζ,2 , … , Hζ,F }, ζ ∈ {L, H}, ma trận sinh P−Q ∑P p=1 Pp M R(Eb /N0 ) tuân theo phân phối Rayleigh - Bước 1: Cập nhật thông tin từ nút giám sát tới nút biến o For f = 1, 2, …, F ▪ For m = 1, 2, … M 𝑛𝜁 = 1, 2, … , 𝑁𝜁 với 𝜁 ∈ {𝐿, 𝐻} • Tính 𝜎𝛽𝜁 = 𝐽−1 (Iβζ ) • Sinh 𝛽𝜁,𝑓 [𝑚, 𝑛𝜁 ] ~ 𝒩(± 𝜎𝛽 𝜁 , 𝜎𝛽2𝜁 ) 21 ▪ • Ước lượng xấp xỉ thông tin mềm cho 𝑥̂𝑓 [𝑚, 𝑛𝜁 ] = tanh( • Tính Ψ𝜁,𝑓 [𝑛𝜁 , 𝑚] sử dụng biểu thức (12) ) For m = 1, 2, … , M • o 𝛽𝜁,𝑓 [𝑚,𝑛𝜁 ] Tính 𝐼𝛼,𝑓 [𝑚] sử dụng biểu thức (4.27) Tính giá trị trung bình 𝐼𝛼,𝑓 tất kênh sửa lỗi (realizations) 𝐹 𝐼𝛼 [𝑚] = ∑ 𝐼𝛼,𝑓 [𝑚], ∀𝑚 = 1, 2, … , 𝑀 𝐹 𝑓=1 o For 𝑝 = 1, 2, … , 𝑃, thực tính 𝐼𝛼 [𝑝] qua biểu thức 𝑀 𝐼𝛼 [𝑝] = 𝑃𝑝 ( ∑ 𝐼𝛼 [𝑚]) 𝑀 𝑚=1 Lưu ý nút biến thứ 𝑝 nút đục lỗ giá trị 𝑃𝑝 = ngược lại 𝑃𝑝 = - Bước 2: Cập nhật thông tin từ nút biến tới nút kiểm tra o For 𝑝 = 1, 2, … , 𝑃 𝑞 = 1, 2, … , 𝑄, thực tính giá trị 𝐼𝛼 [𝑝, 𝑞] ▪ ▪ - Bước 3: Cập nhật thông tin từ nút kiểm tra tới nút biến o For 𝑞 = 1, 2, … , 𝑄 𝑝 = 1,2, … , 𝑃 thực tính giá trị 𝐼𝑏 [𝑞, 𝑝] ▪ ▪ - Nếu 𝐵[𝑝, 𝑞] ≠ , thực tính giá trị 𝐼𝛼 [𝑝, 𝑞] sử dụng biểu thức (30) Nếu 𝐵[𝑝, 𝑞] = 0, gán giá trị 𝐼𝛼 [𝑝, 𝑞] = Nếu 𝐵[𝑞, 𝑝] ≠ 0, thực tính giá trị 𝐼𝑏 [𝑞, 𝑝] sử dụng biểu thức (31) Nếu 𝐵[𝑞, 𝑝] = 0, gán giá trị 𝐼𝑏 [𝑞, 𝑝] = Bước 4: Cập nhật thông tin từ nút ký hiệu tới nút giám sát o For 𝑓 = 1, 2, … , 𝐹 ▪ For 𝑚 = 1, 2, … , 𝑀 𝑛𝐿 = 1, 2, 3, … , 𝑁𝐿 , thực tính giá trị 𝐼𝛽𝐿,𝑓 [𝑚, 𝑛𝐿 ] sử dụng biểu thức (4.34) ▪ For 𝑚 = 1, 2, … , 𝑀 𝑛𝐻 = 1, 2, 3, … , 𝑁𝐻 , thực tính giá trị 𝐼𝛽𝐻,𝑓 [𝑚, 𝑛𝐻 ] sử dụng biểu thức (4.35) o For 𝑚 = 1, 2, … , 𝑀 𝑛𝐿 = 1, 2, 3, … , 𝑁𝐿 , tính 𝐼𝛽𝐿 [𝑚, 𝑛𝐿 ] = o For 𝑚 = 1, 2, … , 𝑀 𝑛𝐻 = 1, 2, 3, … , 𝑁𝐻 , tính 𝐼𝛽𝐻 [𝑚, 𝑛𝐻 ] = - 𝐹 ∑ 𝐼𝛽𝐿,𝑓 [𝑚, 𝑛𝐿 ] 𝐹 𝑓=1 𝐹 ∑ 𝐼𝛽𝐻,𝑓 [𝑚, 𝑛𝐻 ] 𝐹 𝑓=1 Bước 5: Tính thơng tin tương hỗ APP-LLR o For 𝑝 = 1, 2, … , 𝑃, thực tính giá trị 𝐼Γ [𝑝] sử dụng biểu thức (4.36) 22 - Bước 6: Kiểm tra giá trị 𝐼Γ [𝑝] lặp lại Bước – Bước 𝐼Γ [𝑝] = 1, ∀𝑝 = 1, 2, … , 𝑃 Thuật toán kết thúc tồn 𝐸𝑏 /𝑁0 nằm ngưỡng giải mã lặp mong đợi Thuật toán đề xuất cho ADC độ phân giải hỗn hợp khác với thuật toán PEXIT nguyên thủy cho ADC độ phân giải bước, ngoại trừ Bước Trong phần sau, thuật toán PEXIT đề xuất sử dụng để đánh giá hiệu hệ thống truyền thông LS-MIMO với ADC hỗn hợp 4.4 Đánh giá thuật toán ADC-Mixed-LS-MIMO-PEXIT Thuật toán ADC-Mixed-LS-MIMO-PEXIT đề xuất Phần 4.3 sử dụng để tính tốn ngưỡng giải mã lặp mã P- LDPC tối ưu cho hệ thống LS-MIMO với ADC 1-bit cơng trình [CT5] Ngưỡng giải mã lặp độ phân giải trung bình hệ thống 1-ADC hệ thống hỗn hợp-ADC với cấu hình MIMO 16 × 16 đưa Hình 4.4 Hình 4.4 Độ phân giải trung bình ngưỡng giải mã lặp ADC hỗn hợp cấu hình MIMO 16 x 16 Quan sát Hình 4.4, ngưỡng giải mã lặp hệ thống ADC hỗn hợp thấp hệ thống 1ADC với khoảng cách nhỏ điểm 𝑁𝐿 = 15 𝑁𝐻 = khoảng cách lớn 𝑁𝐿 = 𝑁𝐻 = Cụ thể, khoảng cách nhỏ 0,55 𝑑𝐵 quan sát số lượng ăng ten có 1-ADC 𝑁𝐿 = 15 số lượng ăng ten có 5-ADC 𝑁𝐻 = 1, hay tương đương 6,25% số ăng ten thu trang bị ADC độ phân giải cao Khi tăng tỉ lệ số lượng ăng ten có độ phân giải cao (5-ADC) lên đến 50%, khoảng cách ngưỡng giải mã lặp tăng đáng kể lên khoảng 2,843 dB Sự cải thiện hiệu suất đáng kể bắt nguồn từ thực tế thông tin tương hỗ Iα, (4.27), tăng lên số lượng ăng ten có độ phân giải cao tăng lên Tuy nhiên, việc tăng số lượng ăng ten có độ phân giải cao nên thực cẩn thận để đảm bảo khía cạnh hiệu lượng Xu hướng tương tự quan sát cấu hình MIMO hỗn hợp 16 x 32 Tuy nhiên, so sánh giá trị độ lợi với trường hợp 6,25% số ăng ten thu trang bị ADC độ phân giải cao trường hợp cấu hình MIMO 16 × 16, thấy độ lợi hệ thống LS-MIMO 16 × 32 với ADC hỗn hợp giảm xuống Trong phần tiếp theo, mô thực để xác minh phân tích lý thuyết hiệu thơng qua ngưỡng giải mã lặp 23 4.5 Mô hệ thống với thuật tốn tách sóng MIMO giải mã P-LDPC kết hợp Mô phần 4.5 thực theo mơ hình hệ thống trình bày Hình 4.1 với ADC đồng tối ưu đề xuất [CT3], mã P-LDPC thiết kế [CT5] thuật tốn tách sóng MIMO giãi mà P-LDPC cho ADC hỗn hợp [CT6] Quan sát kết hợp 𝑁𝐿 = 15 ăng ten độ phân giải thấp 𝑁𝐻 = ăng ten độ phân giải cao trình bày Hình 4.6 (a) (b) Với phần lớn ăng ten thu có ADC 1-bit số lượng tối thiểu ăng ten thu có ADC 5-bit cung cấp độ lợi mã hóa khoảng 0,5 dB Mức BER FER 10−4 Sự cải thiện rõ ràng quan sát Ternary-ADC sử dụng nhóm ăng ten có độ phân giải thấp Ở mức BER / FER 10−4 , độ lợi mã hóa hệ thống ADC hỗn hợp khoảng 2,8 dB so với hệ thống sử dụng ADC 1-bit 2,2 dB so với hệ thống ADC hỗn hợp với kết hợp ADC 1-bit ADC 5-bit Độ lợi thu bắt nguồn từ gia tăng độ phân giải trung bình hệ thống ADC hỗn hợp với Ternary-ADC Hình 4.6 Hiệu với cấu hình MIMO: 16 x 16 ADC hỗn hợp: 𝑁𝐿 = 15 𝑁𝐻 = Hành vi tương tự đường cong hiệu BER FER quan sát thấy tỉ lệ ăng ten hỗn hợp 𝑁𝐿 = 14, 𝑁𝐻 = hỗn hợp 𝑁𝐿 = , 𝑁𝐻 = 8, thể Hình 4.7 Hình 4.8 luận án Hơn nữa, hệ thống ADC hỗn hợp dựa Ternary-ADC có lợi tiết kiệm lượng so với hệ thống hỗn hợp ADC dựa ADC 1-bit có độ phân giải trung bình thấp Xu hướng tương tự diễn với kết mô cho cấu hình MIMO 16 × 32 ba tỷ lệ ăng ten hỗn hợp khác thể chi tiết Hình 4.9 - Hình 4.11 luận án Sự phù hợp kết lý thuyết mô cấu hình khác lần lại xác nhận phân tích lý thuyết tính hữu dụng thuật toán Mixed-ADC-LS-MIMO PEXIT đề xuất 4.5 Kết luận chương Trong chương 4, hai thuật toán đề xuất thuật tốn tách sóng giải mã kết hợp đồ thị hai lớp thuật toán PEXIT tương đương để phân tích hiệu mã protograph LDPC cho hệ thống truyền thông LS-MIMO sử dụng ADC hỗn hợp Để kiểm chứng, thuật toán PEXIT đề xuất sử dụng để phân tích hiệu hệ thống LS-MIMO sử dụng mã protograph LPDC với ADC hỗn hợp nhiều cấu hình kết hợp ADC hỗn hợp khác Các kết thu hai cấu hình MIMO lựa chọn (16 × 16 16 × 32) tỷ lệ ăng ten hỗn 24 hợp khác xác nhận độ xác thuật tốn Mixed-ADC-LS-MIMO-PEXIT đề xuất Hơn nữa, kết mô sử dụng thuật tốn tách sóng MIMO giải mã P-LDPC kết hợp cho thấy hệ thống MIMO cỡ lớn với ADC hỗn hợp đạt độ lợi cao điểm cực trị nơi có ăng ten thu trang bị với ADC độ phân giải cao Cả kết phân tích mơ mức độ phân giải tối đa cho ADC độ phân giải cao bit/mẫu Ngoài độ phân giải này, mức tăng thêm nhỏ mức tiêu thụ điện tăng lên theo cấp số nhân Đáng ý, hệ thống ADC hỗn hợp dựa Ternary-ADC cung cấp độ lợi hiệu tốt so với hệ thống hỗn hợp ADC dựa ADC 1-bit độ phân giải trung bình chí thấp Cuối cùng, dựa kết mô phỏng, để cải thiện hiệu hệ thống nữa, mã protograph LDPC nên thiết kế lại với/hoặc thiết kế riêng cho tham số tỷ lệ ăng ten hỗn hợp để phù hợp bậc nút biến ma trận protograph với mức độ phân giải nhóm ăng ten có độ phân giải thấp độ phân giải cao KẾT LUẬN Mục đích luận án nghiên cứu thuật tốn tách sóng MIMO giải mã P-LDPC nhằm cải thiện hiệu tổng thể hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải thấp từ tới bit Những kết quả, đóng góp trình bày luận án gồm: - - - Nghiên cứu cải tiến chuyển đổi ADC đồng nhất, độ phân giải thấp cho hệ thống MIMO cỡ lớn Đề xuất giải pháp tính ngưỡng giới hạn cắt không phụ thuộc số lượng ăng ten phát để thiết kế ADC đồng với độ phân giải thấp tùy biến Các kết mô cho thấy cải thiện hiệu suất phổ đường lên lượng tử hóa tối ưu đáng kể cho hệ thống LS-MIMO Đề xuất giải pháp thiết kế mã P-LDPC phù hợp cho hệ thống MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải bit cho phép cải thiện hiệu hệ thống Các mã P-LDPC đề xuất mang lại mức cải thiện lượng mã hóa từ 0,3 dB tới 0,7 dB so với mã P-LPDC đại cơng bố gần Những lợi ích mã hóa đáng kể, đặc biệt cho hệ thống truyền thông không dây tốc độ cao, nơi mà nguồn điện cung cấp cho thiết bị hoạt động pin bị hạn chế cách nghiêm ngặt Đề xuất thuật tốn tách sóng giải mã P-LPDC kết hợp cho hệ thống MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải hỗn hợp Các kết phân tích mơ cho hai cấu hình MIMO lựa chọn (16 × 16 16 × 32), tỷ lệ hỗn hợp ăng ten khác xác nhận tính hữu dụng độ xác thuật tốn đề xuất Hơn nữa, kết cho thấy hiệu tổng thể hệ thống MIMO cỡ lớn cải thiện đáng kể tất tỉ lệ hỗn hợp độ phân giải ADC so với sử dụng mức độ phân giải DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ [CT1] T V Nguyen, H N Dang, and H T Nguyen, “Delay-Limited Rate-Compatible Protograph LDPC Codes,” International Journal of Engineering Trends and Technology, vol 67, no 7, pp 115–123, Jul 2019, doi: 10.14445/22315381/IJETT-V67I7P223 [CT2] V Q Pham, H N Dang, T V Nguyen, and H T Nguyen, “Performance of deep learning LDPC coded communications in large scale MIMO channels,” Proceedings 2019 6th NAFOSTED Conference on Information and Computer Science, NICS 2019, pp 214–218, Dec 2019, doi: 10.1109/NICS48868.2019.9023820 [CT3] H N Dang, T V Nguyen, and H T Nguyen, “Improve Uplink Achievable Rate for Massive MIMO Systems with Low-Resolution ADCs,” ICCE 2020 - 2020 IEEE 8th International Conference on Communications and Electronics, pp 99–104, Jan 2021, doi: 10.1109/ICCE48956.2021.9352104 [CT4] H N Dang, T V Nguyen, and H T Nguyen, “On The Performance Of 1-Bit ADC In Massive MIMO Communication Systems,” REV Journal on Electronics and Communications, vol 10, no 3–4, Apr 2021, doi: 10.21553/REV-JEC.255 [CT5] H N Dang and T V Nguyen, “Protograph LDPC Code Design For LS-MIMO 1-bit ADC Systems,” REV Journal on Electronics and Communications, vol 0, no 0, May 2021, doi: 10.21553/REV-JEC.266 [CT6] H N Dang, H T Nguyen, and T V Nguyen, “Joint Detection and Decoding of MixedADC Large-Scale MIMO Communication Systems With Protograph LDPC Codes,” IEEE Access, vol 9, pp 101013–101029, July 2021, doi: 10.1109/ACCESS.2021.3097444