BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN NGHĨA NGHIÊN CỨU BỘ TÁCH TÍN HIỆU TRONG CÁC HỆ THỐNG SM STBC MÔ HÌNH, THUẬT TOÁN VÀ THỰC THI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN NGHĨA NGHIÊN CỨU BỘ TÁCH TÍN HIỆU TRONG CÁC HỆ THỐNG SM-STBC: MƠ HÌNH, THUẬT TOÁN VÀ THỰC THI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ HÀ NỘI - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN NGHĨA NGHIÊN CỨU BỘ TÁCH TÍN HIỆU TRONG CÁC HỆ THỐNG SM-STBC: MƠ HÌNH, THUẬT TỐN VÀ THỰC THI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS PHẠM NGỌC NAM TS NGÔ VŨ ĐỨC HÀ NỘI - 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu tơi hướng dẫn cán hướng dẫn Các số liệu, hình ảnh, tài liệu nêu luận án có nguồn gốc rõ ràng, trích dẫn đầy đủ theo quy định Các kết nghiên cứu luận án hoàn toàn trung thực, khách quan chưa cơng bố cơng trình trước Hà Nội, ngày 26 tháng 01 năm 2021 Tác giả Nguyễn Xuân Nghĩa Người hướng dẫn khoa học Phạm Ngọc Nam Ngô Vũ Đức LỜI CẢM ƠN Trong thời gian vừa qua, học tập, nghiên cứu Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nghiên cứu sinh nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ, hướng dẫn tận tình q thầy nơi Với tất lòng biết ơn, nghiên cứu sinh xin gửi đến quý thầy cô Viện Điện tử - Viễn thông Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội lời cảm ơn chân thành sâu sắc Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn đặc biệt đến thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Phạm Ngọc Nam TS Ngô Vũ Đức Các Thầy luôn hướng dẫn tận tình, chia sẻ truyền động lực kinh nghiệm cho nghiên cứu sinh vượt qua khó khăn suốt trình nghiên cứu luận án Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp nghiên cứu sinh khóa ln đơng viên, giúp đỡ, chia sẻ khó khăn giúp nghiên cứu sinh chuyên tâm nghiên cứu đạt kết ngày hôm MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH VẼ ix DANH MỤC BẢNG xii DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC xiii MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG HRSM VÀ CÁC BỘ TÁCH TÍN HIỆU PHÍA THU 14 1.1 Hệ thống HRSM 14 1.1.1 Tổng quan hệ thống MIMO 14 1.1.2 Hệ thống HRSM 17 1.1.2.1 Mô hình hệ thống 17 1.1.2.2 Ưu điểm HRSM 19 1.2 Tổng quan tách tín hiệu 23 1.2.1 Các tách tín hiệu tuyến tính 23 1.2.1.1 Bộ tách tín hiệu ZF 23 1.2.1.2 Bộ tách tín hiệu MMSE 25 1.2.2 Các tách tín hiệu phi tuyến 25 1.2.2.1 Bộ tách tín hiệu QRD 25 1.2.2.2 Bộ tách tín hiệu V-BLAST 26 1.2.2.3 Bộ tách tín hiệu MLD 27 i 1.2.2.4 Bộ tách tín hiệu SD 28 1.2.3 Một số tách tín hiệu phức tạp khác 28 1.2.3.1 Bộ tách tín hiệu MSQRD 28 1.2.3.2 Bộ tách tín hiệu ISQRD 32 1.2.3.3 Bộ tách tín hiệu cầu SESD 35 1.2.3.4 Bộ tách tín hiệu cầu FSD 37 1.3 Bối cảnh nghiên cứu 41 1.4 Kết luận 47 Chương THUẬT TỐN TÁCH TÍN HIỆU VÀ ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH HỆ THỐNG 49 2.1 Cải tiến tách tín hiệu ISQRD hệ thống HRSM 50 2.1.1 Đề xuất tách tín hiệu EISQRD 50 2.1.2 Đề xuất ánh xạ từ mã SC tối ưu (Opti-SC) 52 2.1.3 Kết cải tiến thuật toán 54 2.1.3.1 Độ phức tạp tính tốn 54 2.1.3.2 Phẩm chất BER 57 2.2 Thiết kế hệ thống mã khối không gian-thời gian sử dụng điều chế không gian tốc độ cao 59 2.2.1 Đặt vấn đề thiết kế 59 2.2.2 Xây dựng hệ thống HRSM-STBC 62 2.2.2.1 Thiết kế từ mã STBC X từ mã SC cho hệ thống HRSMSTBC ăng-ten phát 63 2.2.2.2 Thiết kế từ mã SC cho hệ thống HRSM có nhiều ăng-ten phát ii 65 2.2.2.3 Tách tín hiệu hệ thống HRSM-STBC 67 2.2.3 Tối ưu hiệu suất hệ thống 68 2.2.3.1 Tối ưu góc xoay α 69 2.2.3.2 Tối ưu góc xoay θ 70 2.2.4 Kết mô 72 2.3 Kết luận 75 Chương THIẾT KẾ KIẾN TRÚC PHẦN CỨNG CHO CÁC BỘ TÁCH TÍN HIỆU 77 3.1 Thiết kế kiến trúc tách tín hiệu MSQRD 78 3.1.1 Kiến trúc phần Sorted Modified Gram-Schmidt 78 3.1.2 Kiến trúc phần thuật tốn tách tín hiệu MSQRD 80 3.1.3 Kết triển khai thiết kế 82 3.2 Thiết kế kiến trúc tách tín hiệu SESD 83 3.2.1 Thiết kế kiến trúc mức đỉnh 83 3.2.2 Thiết kế kiến trúc chi tiết khối 85 3.2.3 Kết triển khai thiết kế 88 3.3 Thiết kế kiến trúc tách tín hiệu FSD 89 3.3.1 Kiến trúc phần SQRD 90 3.3.2 Kiến trúc phần tách sóng FSD 94 3.3.3 Kết triển khai thiết kế 99 3.4 Kết luận 102 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt CSTSK Coherent Khóa dịch chuyển khơng Space Time Shift Keying DSTTD STSK Double gian thời gian kết hợp Space Time Phân tập phát không Transmit Diversity gian-thời gian kép Space Time Shift Keying Khóa dịch khơng gianthời gian BER Bit Error Ratio Tỉ số lỗi bit bpcu Bit per Channel Use Số bit truyền lần sử dụng kênh truyền DSTTD Double Space Time Transmit Diversity DT-SM EISQRD Double Space Phân tập phát không gian-thời gian kép Time Điều chế không gian kết Coded Spatial Modula- hợp mã không gian-thời tion gian kép Enhanced ISQRD Bộ tách tín hiệu ISQRD cải tiến flop Floating Point Operation Phép tính dấu phẩy động FSD Fixed Sphere Decoder Bộ tách tín hiệu cầu cố định iv GSM HRSM HR-STBC-SM IAS Generalized Spatial Điều chế không gian tổng Modulation quát High-Rate Spatial Modu- Điều chế không gian tốc lation độ cao High Rate Space Time Điều chế không gian kết Block Code Spatial Mod- hợp mã khối không gian- ulation thời gian tốc độ cao Inter Antenna Synchro- Đồng ăng-ten phát nization ICI InterChannel Interfer- Nhiễu xuyên kênh ence IEEE Institute cal of and Electri- Electronics Hiệp hội kỹ sư điện – điện tử Engineers ISQRD Improved-MMSE-SQRD Bộ tách tín hiệu MMSESQRD cải tiến ISQRD LMS Improved Sorted QR De- Phân tích QR xếp composition nâng cao Least Mean Square Bình phương trung bình nhỏ LS Least Square Bình phương nhỏ MBLAST Modified Bell Laborato- Không ries Layered Space-Time phân lớp phịng thí gian-thời gian nghiệm Bell cải tiến MGS Modified Gram Schmidt – Modified Schmidt v Gram – MIMO Multi-Input, Multi- Hệ thống nhiều ăng-ten Output thu phát ML Maximum Likelihood Cực đại hợp nhẽ MLD Maximum Tách tín hiệu hợp nhẽ cực Likelihood Detection đại MM Matrix Multiplication Khối nhân ma trận MMSE Minimim Sai số bình phương trung MSE Mean-Square Error bình tối thiểu Mean Square Error Sai số bình phương trung bình MSQRD Modified Sorted QR De- Phân tích QR xếp cải composition tiến Orthogonal Space Time Mã khối không gian-thời Block Coding gian trực giao PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha QAM Quadrature Điều chế biên độ cầu OSTBC Amplitude Modulation phương Quadrature Phase Shift Khóa dich vng pha Keying đồng QR decomposition based Bộ tách tín hiệu dựa Detector phân tích QR RF Radio Frequency Tần số vơ tuyến SC Spatial Codeword Từ mã không gian SD Sphere Detector Bộ tách sóng cầu QPSK QRD vi SESD Sphere Detection with Tách Schnerr-Euchnerr phương sóng pháp cầu liệt với kê Schnorr-Euchnerr SIC Successive Interference Triệt nhiễu nối tiếp Interference Tỉ số tín hiệu tạp âm Cancellation SINR Signal to plus Noise Ratio cộng nhiễu SM Spatial Modulation Điều chế không gian SM-OSTBC Spatially Modulated Mã khối không gian-thời Orthogonal Space Time gian trực giao kết hợp Block Code điều chế không gian SM-STBC Spatial - Modulation Space-Time Block Điều chế không gian kết hợp mã khối không gian- Coding thời gian SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu tạp âm SQRD Sorted QR Decomposi- Phân tách QR có xếp tion SSK Space Shift Keying Khóa dịch khơng gian STBC Space-Time Block Cod- Mã hóa khối không gian- ing thời gian Space-Time Encoder Bộ mã hóa khơng gian- STE thời gian TC Threshold Comparison Khối so sánh ngưỡng TOSD-SSK Time Orthogonal Signal Khóa dịch chuyển khơng Design Space Shift Key- gian thiết kế tín hiệu trực ing giao thời gian vii V-BLAST Vertical-Bell Laborato- ries Layered Space-Time Không gian-thời gian theo lớp phịng thí nghiệm Bell VLSI ZF Very-large-scale integra- Tích hợp với quy mô tion lớn Zero Forcing Cưỡng khơng viii DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Mơ hình hệ thống MIMO (nguồn[10]) 15 1.2 Các phương thức truyền tin MIMO (nguồn: [2]) 16 1.3 Mơ hình hệ thống HRSM (nguồn [3]) 18 1.4 Phẩm chất BER HRSM, SM GSM với hiệu suất phổ bpcu (nguồn: [3]) 20 1.5 Phẩm chất BER HRSM, Alamouti’s STBC, SMSTBC, V-BLAST với hiệu suất phổ 10 bpcu (nguồn: [3]) 21 1.6 Sơ đồ phát triển số tách tín hiệu MIMO HRSM 24 1.7 Lưu đồ thuật toán Sorted Modified Gram – Schmidt 30 1.8 Lưu đồ thuật toán tách tín hiệu MSQRD 31 1.9 Tóm tắt thuật tốn tách tín hiệu ISQRD 34 1.10 Mô tả dàn SD (nguồn: [10]) 35 1.11 Hai cách liệt kê theo phương pháp Schnorr-Euchner 38 1.12 Ví dụ cách liệt kê (duyệt điểm) thuật toán FSD hệ thống × điều chế 16-QAM 40 1.13 So sánh phẩm chất BER tách tín hiệu FSD SESD hệ thống MIMO 4×4 sử dụng điều chế 16-QAM.41 1.14 So sánh độ phức tạp tách tín hiệu FSD SESD hệ thống MIMO × sử dụng điều chế 16-QAM 42 ix 2.1 Lưu đồ thuật toán tách tín hiệu Enhanced ISQRD 52 2.2 Chịm tín hiệu phía thu hệ thống HRSM × 53 2.3 Ví dụ cách áp dụng ánh xạ Gray cho từ mã SC 54 2.4 So sánh độ phức tạp tính tốn tách tín hiệu ML, ISQRD EISQRD 56 2.5 Phẩm chất BER tách tín hiệu với nT = nR = 4, 16-QAM 57 2.6 Phẩm chất BER tách tín hiệu với nT = nR = 4; 8, 8-PSK/16-QAM 58 2.7 Mơ hình hệ thống HRSM-STBC [38] 63 2.8 Hiệu suất phổ cung cấp điều chế không gian hệ thống SM, STBCSM, STBC-CSM HRSMSTBC 66 2.9 Phẩm chất BER hệ thống SM, SM-STBC, STBCCSM, DT-SM HRSM- STBC mức bpcu nR = 73 2.10 Phẩm chất BER hệ thống SM-STBC, SM-OSTBC C(8, 4, 4), DT-SM, HRSM-STBC mức bpcu nR = 74 3.1 Kiến trúc phần cứng cho thuật toán Sorted MGS 78 3.2 Chu trình pipeline – Clock kiến trúc Sorted MGS 79 3.3 Kiến trúc phần cứng cho thuật tốn tách tín hiệu MSQRD 81 3.4 Khối so sánh ngưỡng TC 81 3.5 Kiến trúc mức đỉnh SESD 84 3.6 Các giai đoạn pipeline cho tách sóng SESD 85 3.7 Cấu trúc chi tiết khối SESD_PED1 85 3.8 Cấu trúc chi tiết khối SESD_PED2 86 x 3.9 Cấu trúc chi tiết khối SESD_PED3 86 3.10 Cấu trúc chi tiết khối SESD_PED4 87 3.11 Sơ đồ thiết kế tổng thể tách tín hiệu FSD 91 3.12 Sơ đồ thiết kế tổng thể tách tín hiệu 91 3.13 Kiến trúc SQRD giai đoạn X th , với X ∈ {1, 2, 3} 92 3.14 Kiến trúc khối Updater 92 3.15 Kiến trúc SQRD giai đoạn 4th 92 3.16 Biểu đồ thời gian khối SQRD 93 3.17 Kiến trúc khối Divider 94 3.18 Kiến trúc sơ đồ thiết kế tổng thể khối FSD 95 3.19 Kiến trúc khối PED 96 3.20 Kiến trúc khối PED 96 3.21 Kiến trúc khối PED 97 3.22 Kiến trúc khối PED 98 3.23 Sơ đồ pipeline khối FSD 99 xi DANH MỤC BẢNG 1.1 So sánh hiệu suất phổ HRSM SM nT = 2, 4, 8, tín hiệu phát điều chế QPSK/4-QAM, 16-QAM 64-QAM.22 2.1 Các giá trị góc xoay tối ưu hệ thống HRSM-STBC 72 3.1 So sánh kết triển khai thiết kế kiến trúc tách sóng MSQRD với cơng trình nghiên cứu khác 83 3.2 Kết tổng hợp thiết kế SESD Virtex2-XC2V6000 88 3.3 So sánh kết tổng hợp kiến trúc SESD 89 3.4 So sánh kết triển khai thiết kế khối SQRD 100 3.5 So sánh kết triển khai thiết kế khối FSD 101 xii DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa nT Số lượng ăng-ten phát nR Số lượng ăng-ten thu a Ký hiệu số vô hướng a Ký hiệu véc-tơ A Ký hiệu ma trận aij Phần tử hàng thứ i cột thứ j ma trận A AH Chuyển vị liên hợp phức (Hermit) ma trận A AT Chuyển vị ma trận A A∗ Liên hợp phức ma trận A x∗ Liên hợp phức x < (x) Phép toán lấy phần thực x = (x) Phép toán lấy phần ảo x H Ma trận kênh truyền x Véc-tơ tín hiệu phát N Ma trận tạp âm n Véc-tơ tạp âm Y Ma trận tín hiệu thu y Véc-tơ tín hiệu thu I Ma trận đơn vị M Bậc tín hiệu điều chế xiii γ Tỉ số SNR trung bình ăng-ten máy thu Es Năng lượng trung bình tín hiệu điều chế |a| Modul số phức a Ωx Chịm tín hiệu điều chế hi Cột thứ i ma trận H d.e Phép làm tròn lên số nguyên gần b.c Phép làm tròn xuống số nguyên gần b.e Phép lấy phần nguyên tập số thực R bηc2p Toán tử trả lũy thừa số gần nhỏ η xiv MỞ ĐẦU Ngày nay, nhu cầu sử dụng dịch vụ liệu di động người dùng không ngừng tăng nhanh Các dịch vụ liệu di động đa dạng chủng loại xem phim trực tuyến, truyền hình, chơi điện tử online hay dẫn đường Các dịch vụ yêu cầu chất lượng ngày cao làm cho dung lượng liệu mà hệ thống thông tin di động phải phục vụ tăng nhanh Theo dự báo Cisco, tới năm 2022, lưu lượng liệu di động toàn cầu dự kiến đạt 77,5 EB tháng, tăng gấp bảy lần so với 2017 [1] Để đáp ứng tăng trưởng nhanh chóng lưu lượng liệu, hệ thống thông tin di động không ngừng cải tiến áp dụng kỹ thuật nhằm đảm bảo tốc độ truyền liệu nhanh, dung lượng lớn, chất lượng truyền tin cao, độ trễ truyền dẫn nhỏ Kỹ thuật thu phát tín hiệu sử dụng nhiều ăng-ten máy phát máy thu (MIMO) giải pháp hữu hiệu để cải thiện không tốc độ truyền liệu mà phẩm chất lỗi bit (BER) hệ thống Dựa cách truyền liệu, hệ thống MIMO phân thành ba dạng SMX, STBC SM Cả ba dạng này, dạng có đặc trưng, ưu điểm riêng Các hệ thống SMX đặc trưng tốc độ truyền liệu cao, đem lại độ lợi ghép kênh (Multiplexing gain) cho phép gia tăng tốc độ truyền dẫn tuyến tính với số ăng-ten phát sử dụng STBC đem lại độ lợi phân tập (diversity gain) nhằm cải thiện phẩm chất tín hiệu BER, tăng độ tin cậy việc truyền liệu Cịn SM giảm độ phức tạp tách sóng phía thu, đồng thời cung cấp phẩm chất BER tốt không chịu ảnh hưởng nhiễu xuyên kênh (ICI) vấn đề đồng ăng-ten phát (IAS) [2] Tuy nhiên, nhược điểm hệ thống SM nguyên thủy có hiệu suất phổ Để giải vấn đề phổ hệ thống SM ngun thủy, mơ hình hệ thống MIMO khác Điều chế không gian tốc độ cao (HRSM: High-Rate Spatial Modulation) Nguyễn Thu Phương cộng đề xuất cơng trình số [3] Mơ hình phát triển dựa khái niệm chịm khơng gian (Spatial Constellation) từ mã SC [4, 5] Khác với hệ thống SM nguyên thủy với khối bit dùng để lựa chọn ăng-ten phát kích hoạt, HRSM kích hoạt tồn ăng-ten phát, đồng thời sử dụng từ mã SC để mã hóa tín hiệu vào số ăng-ten truyền từ mã thông qua điều chế biên độ cầu phương (QAM) điều chế pha PSK (Phase-shift keying) Từ mã SC tạo cách cố định phần tử 1, phần tử lại lựa chọn tập ±1, ±j Sau nhân với từ mã SC, tín hiệu điều chế ban đầu giữ nguyên quay pha trực giao để phát ăng-ten khác Chính nên hệ thống HRSM có ưu điểm phẩm chất BER tốt nhiễu ICI IAS số hệ thống SMX trước đó, hệ thống SM-STBC [6] Đồng thời, HRSM cung cấp hiệu suất phổ cao đáng kể so với phương pháp điều chế khơng gian cơng trình số [7] điều chế khơng gian tổng qt (GSM) cơng trình số [8, 9] Ở phía thu hệ thống MIMO kích hoạt nhiều ăng-ten phát nói chung HRSM nói riêng, tín hiệu thu tổng hợp tín ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN XUÂN NGHĨA NGHIÊN CỨU BỘ TÁCH TÍN HIỆU TRONG CÁC HỆ THỐNG SM- STBC: MƠ HÌNH, THUẬT TOÁN VÀ THỰC THI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN... 63 2.8 Hiệu suất phổ cung cấp điều chế không gian hệ thống SM, STBCSM, STBC- CSM HRSMSTBC 66 2.9 Phẩm chất BER hệ thống SM, SM- STBC, STBCCSM, DT -SM HRSM- STBC mức... Cải tiến tách tín hiệu ISQRD hệ thống HRSM 50 2.1.1 Đề xuất tách tín hiệu EISQRD 50 2.1.2 Đề xuất ánh xạ từ mã SC tối ưu (Opti-SC) 52 2.1.3 Kết cải tiến thuật toán