(Luận văn thạc sĩ) kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính kết hợp kỹ thuật phân tích thành phần chính trong hệ thống massive mimo

HỌ C VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PHẠM THỊ HUYỀN KỸ THUẬT TIỀN MÃ HĨA TUYẾN TÍNH KẾT HỢP KỸ THUẬT PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2023 HỌ C VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PHẠM THỊ HUYỀN KỸ THUẬT TIỀN MÃ HĨA TUYẾN TÍNH KẾT HỢP KỸ THUẬT PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 8.52.02.08 ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS VŨ VĂN SAN TS ĐINH VĂN KHÔI HÀ NỘI - 2023 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả đề án Phạm Thị Huyền ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Mục lục ii Danh mục thuật ngữ, chữ viết tắt .iv Danh mục ký hiệu toán học vi Danh sách bảng .vii Danh sách hình vẽ viii MỞ ĐẦU Chương I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MASIVE MIMO .4 1.1 Quá trình phát triển từ hệ thống MIMO điểm - điểm lên hệ thống Massive MIMO 1.1.1 Hệ thống MIMO điểm – điểm 1.1.2 Hệ thống MIMO đa người dùng 1.1.3 Hệ thống Massive MIMO 1.2 Quá trình truyền liệu hệ thống Massive MIMO .14 1.2.1 Quá trình truyền liệu đường lên 14 1.2.2 Quá trình truyền liệu đường xuống 15 1.3 Một số ưu điểm, nhược điểm hệ thống Massive MIMO 17 1.3.1 Ưu điểm 17 1.3.2 Nhược điểm 18 1.4 Xu hướng triển khai hệ thống Massive MIMO .18 1.5 Kết luận chương 20 Chương II - KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA TUYẾN TÍNH KẾT HỢP KỸ THUẬT PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO 21 2.1 Mơ hình kênh đường xuống hệ thống Massive MIMO 21 2.2 Kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính 23 2.2.1 Kỹ thuật tiền mã tuyến tính ZF 23 2.2.2 Kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính MMSE 25 2.3 Kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính kết hợp kỹ thuật rút gọn giàn .26 iii 2.3.1 Tổng quan kỹ thuật rút gọn giàn .26 2.3.2 Kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính có hỗ trợ thuật tốn rút gọn giàn 29 2.4 Kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính kết hợp kỹ thuật phân tích thành phần 30 2.4.1 Tổng quan kỹ thuật phân tích thành phần 30 2.4.2 Kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính hỗ trợ thuật tốn phân tích thành phần .32 2.5 Phân tích độ phức tạp tính tốn .34 2.5.1 Phân tích độ phức tạp tính tốn thuật tốn tiền mã hóa tuyến tính kết hợp kỹ thuật rút gọn giàn 34 2.5.2 Phân tích độ phức tạp tính tốn thuật tốn tiền mã hóa tuyến tính kết hợp kỹ thuật phân tích thành phần 36 2.6 Kết luận chương 38 Chương - SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ PHẨM CHẤT BER, ĐỘ PHỨC TẠP TÍNH TỐN CỦA CÁC THUẬT TỐN TIỀN MÃ HÓA 39 3.1 So sánh phẩm chất BER hệ thống thuật toán tiền mã hóa 40 3.1.1 So sánh phẩm chất BER thuật tốn tiền mã hóa điều kiện kênh truyền hồn hảo, khơng có tính tương quan .40 3.1.2 So sánh phẩm chất BER thuật tốn tiền mã hóa điều kiện kênh truyền khơng hồn hảo 41 3.1.3 So sánh phẩm chất BER thuật tốn tiền mã hóa điều kiện kênh truyền có tính tương quan 42 3.1.4 So sánh phẩm chất BER thuật toán tiền mã hóa điều kiện kênh truyền chịu tác động đồng thời kênh truyền khơng hồn hảo có tính tương quan .44 3.2 So sánh độ phức tạp tính tốn thuật tốn tiền mã hóa 46 3.3 Kết luận chương 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .48 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .49 iv DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AGC Automatic gain control Tự động điều khiển BD BER BS CSI DPC FLOP ICI Block Diagonalization Bit Error Rate Base Station Channel State Information Dirty Paper Coding Chéo hóa khối Tỷ lệ lỗi bít Trạm gốc Thơng tin trạng thái kênh truyền Mã hóa giấy bẩn Hoạt động dấu phẩy động Nhiễu liên kênh I.I.D ISI LOS LR Floating Point Operation Inter-Channel Interference Identical Independent Phân bố độc lập đồng Distributed Inter Symbol Interference Line-of-Sight Lattice Reduction Low-complexity Lattice LC-RBD- Reduction-aided regularized LR-ZF Block Diagonalization using Zero Forcing precoding MIMO Multi Input – Multi output MMSE Minimum Mean Square Error MT Multicarrier Transmission Multiuser Multiple-Input MU-MIMO QAM SISO SIC Multiple-Output Quadrature Amplitude Modulation Single Input Single Output Successive Interference Cancellation SU-MIMO Single user MIMO SNR SVD Signal to Noise Ratio Singular Value Decompositiond Nhiễu liên ký tự Tia trực tiếp Rút gọn giàn Thuật tốn tiền mã hóa sở kỹ thuật rút gọn giàn độ phức tạp thấp hỗ trợ tiền mã hóa chéo hóa khối sử dụng kỹ thuật cưỡng không Đa đầu vào - đa đầu Trung bình bình phương sai số nhỏ Truyền dẫn đa sóng mang Hệ thống đa người dùng, đa đầu vào, đa đầu Điều chế biên độ cầu phương Một đầu vào đầu Triệt nhiễu nối tiếp Hệ thống đơn người dùng, đa đầu vào, đa đầu Tỷ số tín hiệu/ Nhiễu Phân tách giá trị đơn v Ghép kênh phân chia theo thời TDD Time Division Duplexing WiFi Wireless Fidelity ZF Zero Forcing Three Generation Cellular dụng sóng vơ tuyến Cưỡng không Mạng thông tin di động hệ Network Fourth Generation Cellular thứ ba Mạng thông tin di động hệ Network Fifth Generation Cellular thứ tư Mạng thông tin di động hệ Network thứ năm 3G 4G 5G gian Hệ thống mạng không dây sử DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC a A aij AH AT H hi Re Im x* Ký hiệu véc tơ Ký hiệu ma trận Phần tử hàng thứ i cột thứ j ma trận A Chuyển vị liên hợp phức ma trận A Chuyển vị ma trận A Ma trận kênh truyền Cột thứ i ma trận H Phép toán lấy phần thực x Phép toán lấy phần ảo x Liên hợp phức x vi x' Chuyển vị liên hợp phức x || ||2F Chuẩn Frobenius ma trận |a| E{.} trace(.) Modul số phức a Phép lấy kỳ vọng Phép tính tổng thành phần đường chéo ma trận vii DANH SÁCH BẢNG Bảng 1: So sánh độ phức tạp thuật tốn tiền mã hóa .37 viii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Mơ hình kênh MIMO Hình 1.2: Mơ hình kênh truyền liệu hệ thống MIMO điểm – điểm Hình 1.3: Cơng nghệ SU-MIMO MU-MIMO Hình 1.4: Mơ hình kênh MIMO đa người dùng .7 Hình 1.5: Các vùng (M, K) hệ thống TDD FDD, cho khoảng kết hợp 200 ký hiệu 10 Hình 1.6: Mơ hình kênh truyền đường lên đường xuống hệ thống Massive MIMO .11 Hình 1.7: Hoạt động đường lên đường xuống liên kết Massive MIMO 12 Hình 1.8: Các thành phần hệ thống Massive MIMO 13 Hình 1.9: Quá trình truyền liệu từ tất người dùng lên BS 15 Hình 1.10: Quá trình truyền liệu từ BS đến tất người dùng 16 Hình 1.11: Các mục tiêu 5G theo IMT-2020 minh họa triển khai Massive MIMO .19 Hình 1.12: Mơ hình ăng-ten hệ thống Massive MIMO sử dụng kỹ thuật Beamforming 20 Hình 1: Mơ hình kênh đường xuống hệ thống Massive MIMO 21 Hình 2: Mơ hình kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính hệ thống Massive MIMO 23 Hình 1: Lưu đồ mô hiệu BER hệ thống 40 Hình 2: Phẩm chất BER hệ thống Massive MIMO với M = 64, K = 32, Nu = điều kiện kênh truyền hồn hảo, khơng có tính tương quan kênh 41 Hình 3: Phẩm chất BER hệ thống Massive MIMO với M = 64, K = 32, Nu = điều kiện kênh truyền khơng hồn hảo, khơng có tính tương quan kênh 42 Hình 4: Phẩm chất BER hệ thống Massive MIMO với M = 64, K = 32, Nu = điều kiện kênh truyền hồn hảo, kênh truyền có tính tương quan phía phát 43 Hình 5: Phẩm chất BER hệ thống Massive MIMO với M = 64, K = 32, Nu = điều kiện kênh truyền hoàn hảo, kênh truyền có tính tương quan phía phát phía thu .44 Hình 6: Phẩm chất BER hệ thống Massive MIMO với M = 64, K = 32, Nu = điều kiện kênh truyền khơng hồn hảo, kênh truyền có tính tương quan phía phát phía thu .45 Hình 7: So sánh độ phức tạp thuật toán PCA-ZF LC-RBD-LR-ZF 46