(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

HỌC 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 HỌC 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 công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng 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 .1 Chương I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MASIVE MIMO 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 toán 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 toán tiền mã hóa điều kiện kênh truyền có tính tương quan 42 3.1.4 So sánh phẩm chất BER thuật tốn 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 Block Diagonalization Chéo hóa khối BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít BS Base Station Trạm gốc CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền DPC Dirty Paper Coding Mã hóa giấy bẩn FLOP Floating Point Operation Hoạt động dấu phẩy động ICI Inter-Channel Interference Nhiễu liên kênh I.I.D Identical Independent Phân bố độc lập đồng Distributed ISI Inter Symbol Interference Nhiễu liên ký tự LOS Line-of-Sight Tia trực tiếp LR Lattice Reduction Rút gọn giàn Low-complexity Lattice LC-RBD- Reduction-aided regularized LR-ZF Block Diagonalization using Zero Forcing precoding 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 MIMO Multi Input – Multi output MMSE Minimum Mean Square Error MT Multicarrier Transmission Truyền dẫn đa sóng mang Multiuser Multiple-Input Hệ thống đa người dùng, đa đầu Multiple-Output vào, đa đầu MU-MIMO QAM Quadrature Amplitude Modulation Đa đầu vào - đa đầu Trung bình bình phương sai số nhỏ Điều chế biên độ cầu phương v SISO SIC Single Input Single Output Successive Interference Cancellation Một đầu vào đầu Triệt nhiễu nối tiếp Hệ thống đơn người dùng, đa đầu SU-MIMO Single user MIMO SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu/ Nhiễu SVD Singular Value Decompositiond Phân tách giá trị đơn TDD Time Division Duplexing WiFi Wireless Fidelity ZF Zero Forcing Cưỡng không Three Generation Cellular Mạng thông tin di động hệ Network thứ ba Fourth Generation Cellular Mạng thông tin di động hệ Network thứ tư Fifth Generation Cellular Mạng thông tin di động hệ Network thứ năm 3G 4G 5G vào, đa đầu Ghép kênh phân chia theo thời gian Hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vơ tuyến vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC 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 ma trận A AT Chuyển vị ma trận A H Ma trận kênh truyền hi Cột thứ i ma trận H Re Phép toán lấy phần thực x Im Phép toán lấy phần ảo x x* Liên hợp phức x x' Chuyển vị liên hợp phức x || ||2F Chuẩn Frobenius ma trận |a| Modul số phức a E{.} Phép lấy kỳ vọng trace(.) 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: Công nghệ SU-MIMO MU-MIMO .6 Hình 1.4: Mơ hình kênh MIMO đa người dùng 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 hồn 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 36 F  K [(N - N u )(N + M - N u )  4(N - N u )(N + M - N u )  (N + M - N u )  (N + M - N u )  K  8M N u  2MN u  (flops) (2.59)  K 16 N u2 M  N u M  N u3  N u2  FLLL   K  N u3  16 N u2 M  N u2  N u M   8KM N  2MN 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 Tương tự tính tốn độ phức tạp thuật tốn tiền mã hóa kết hợp kỹ thuật rút gọn giàn, độ phức tạp tính tốn thuật tốn tiền mã hóa kết hợp kỹ thuật phân tích thành phần tính bằng: FPCA ZF F4 F5 F6 (flops) (2.60) F4 and F5 số flops để tìm ma trận W1 W2 , F6 số flops cho phép nhân hai ma trận W1 W2 Số flops để tìm ma trận W1 số phép tốn để tính HH H , ( HH H ) 1 H H (HH H ) 1 tương ứng bằng: 8N M  2N , 8N , 8N M  2NM (flops) Do đó, F4 tính bằng: F4 8N 16N M 2N 2NM (flops) (2.61) Tương tự, số flops cần thiết đề tìm thành phần ma trận tiền mã hóa thứ hai W2 tính tốn sau: F5 F7 F8 F9 F10 F11 F12 (flops) (2.62) đây, F7 số flops cần thiết cho phép nhân hai ma trận H u W1u ; F8 số flops cho hoạt động phân tách QR cho ma trận Huchuanhoa ; F9 số flops cho hoạt động phân tách SVD ma trận (Ruchuanhoa )H ; F10 số flops cần thiết cho u phép nhân hai ma trận Quchuanhoa Vchuanhoa ; tương tự F11 số flops cho phép nhân hai ma trận UuPCA Huhieuqua Cuối cùng, F12 số flops cần thiết để tìm ma trận W2u Những thành phần tính tốn chi tiết sau: 37 K (8Nu2 M F7 K (6Nu3 F8 2Nu2 ) (flops) 3Nu2 (2.63) (2.64) Nu ) (flops) 21KNu3 (flops) F9 (2.65) F10 K (8Nu3 2Nu2 ) (flops) (2.66) F11 K (8Nu3 2Nu2 ) (flops) (2.67) F12 K (24Nu3 4Nu2 ) (flops) (2.68) Số flops cho phép nhân hai ma trận W1 W2 bằng: F6 8N M (2.69) 2NM (flops) Từ phân tích trên, độ phức tạp tính tốn thuật tốn tiền mã hóa PCA-ZF tính sau: FPCA ZF 8N 16 N M K (6 Nu3 K (24 Nu3 3Nu2 2N 2 NM K (8 N u2 M N u2 ) Nu ) 21KNu3 K (8 N u3 N u2 ) Nu2 ) 8N M (flops) (2.70) NM ( flops) Từ kết tính tốn trên, ta có bảng so sánh độ phức tạp tính tốn thuật tốn tiền mã hóa LC-RBD-LR-ZF PCA-ZF bảng 2.1: Bảng 1: So sánh độ phức tạp thuật toán tiền mã hóa Thuật tốn Số flops K [(N - N u )(N + M - N u )  4(N - N u )(N + M - N u )  (N + M - N u ) LC-RBD-LRZF (N + M - N u )  K  8M N u  2MN u   K 16 Nu2 M  Nu M  Nu3  N u2  FLLL   K  Nu3  16 Nu2 M  N u2  N u M   8KM N  2MN 8N PCA-ZF 16 N M K (6 Nu3 K (24 Nu3 2N 3Nu2 Nu2 ) Nu ) K (8 Nu2 M NM 21KNu3 8N M K (8 Nu3 NM Nu2 ) Nu2 ) 38 2.6 Kết luận chương Trong chương 2, đề án tập trung giới thiệu mô hình kênh hệ thống Massive MIMO chịu tác động đồng thời kênh truyền khơng hồn hảo kênh truyền có tương quan Bên cạnh đó, đề án giới thiệu thuật tốn tiền mã hóa tuyến tính kết hợp với thuật toán rút gọn giàn LLL Đồng thời, giới thiệu thuật tốn tiền mã hóa đề xuất: thuật tốn tiền mã hóa tuyến tính kết hợp kỹ thuật phân tích thành phần PCA-ZF Cuối cùng, chương đề án tập trung phân tích độ phức tạp tính tốn thuật tốn tiền mã hóa Các kết phân tích, tính tốn chương sở cho việc thực mô chương sau 39 CHƯƠNG - SO SÁNH, ĐÁNH GIÁ PHẨM CHẤT BER, ĐỘ PHỨC TẠP TÍNH TỐN CỦA CÁC THUẬT TỐN TIỀN MÃ HĨA Trong chương này, đề án tiến hành mô phẩn chất BER hệ thống cho thuật tốn tiền mã hóa trình bày chương phần mềm Matlab Mơ hình kênh truyền thực mô bao gồm trường hợp: Kênh truyền hồn hảo, khơng có tính tương quan; kênh truyền khơng hồn hảo, khơng có tính tương quan; kênh truyền hồn hảo, có tính tương quan; kênh truyền chịu tác động đồng thời kênh truyền khơng hồn hảo kênh truyền có tương quan Bên cạnh đó, thực mơ đánh giá độ phức tạp tính tốn, so sánh tính trực giao thực chương này, cuối kết luận chương Lưu đồ mô phẩm chất BER hệ thống Massive MIMO mơ hình hóa Hình 3.1 Để thực kết mô hiệu BER hệ thống, thiết lập tham số đầu vào như: Số lượng ăng-ten phát BS, số lượng người dùng, số lượng ăng-ten người dùng Tạo kênh truyền khơng hồn hảo kênh truyền có tương quan BS đến tất người dùng Trong kết mô phẩm chất BER hệ thống đề án, kênh truyền sử dụng kênh pha đinh Raylegh bán tĩnh Tạo số lượng bít phát đầu vào đảm bảo điều kiện mô monte carlo, thực điều chế tín hiệu truyền tín hiệu qua kênh truyền Tại phía thu, người dùng thực giải điều chế tiến hành thủ tục đếm lỗi 40 Start Khởi tạo Nu, K, M SNR += SNR