Nghiên cứu hệ thống mimo bước sóng milimét với phần cứng không hoàn hảo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN ĐÌNH NGỌC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MIMO BƯỚC SĨNG MILI-MÉT VỚI PHẦN CỨNG KHƠNG HOÀN HẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHỊNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ NGUYỄN ĐÌNH NGỌC NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MIMO BƯỚC SÓNG MILI-MÉT VỚI PHẦN CỨNG KHƠNG HỒN HẢO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 52 02 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRƯƠNG TRUNG KIÊN TS NGUYỄN VĂN GIÁO HÀ NỘI - 2023 LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan kết trình bày Luận án cơng trình nghiên cứu dẫn dắt cán hướng dẫn Các số liệu, kết trình bày Luận án hồn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình trước Các kết sử dụng tham khảo trích dẫn đầy đủ theo quy định Hà Nội, ngày 18 tháng 12 năm 2023 Tác giả Nguyễn Đình Ngọc LỜI CẢM ƠN Trong trình nghiên cứu hoàn thành Luận án này, Nghiên cứu sinh nhận nhiều giúp đỡ đóng góp quý báu Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn TS Trương Trung Kiên TS Nguyễn Văn Giáo Các Thầy không người hướng dẫn, giúp đỡ Nghiên cứu sinh hoàn thành Luận án mà người định hướng, truyền thụ động lực đường nghiên cứu khoa học chông gai nhiều gian khổ Nghiên cứu sinh chân thành cám ơn Thầy, Cô giáo Bộ môn Thông tin, Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự, tận tình hướng dẫn bảo thời gian Nghiên cứu sinh nghiên cứu Nghiên cứu sinh chân thành cám ơn anh chị nhân viên kỹ thuật Bộ môn Thông tin, đồng nghiệp nhóm nghiên cứu ln giúp đỡ chia sẻ khó khăn q trình hoàn thành Luận án Cuối cùng, Nghiên cứu sinh bày tỏ lịng biết ơn đến gia đình người thân kịp thời động viên chia sẻ khó khăn để giúp Nghiên cứu sinh hồn thành nội dung nghiên cứu MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH SÁCH HÌNH VẼ vii DANH SÁCH BẢNG ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC xi MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO HOẠT ĐỘNG Ở DẢI SÓNG MILIMÉT VỚI PHẦN CỨNG KHƠNG HỒN HẢO 1.1 Tại phải sử dụng dải sóng milimét 1.2 Đặc điểm truyền lan sóng milimét 10 1.2.1 Suy hao không gian tự 11 1.2.2 Ảnh hưởng hấp thụ 13 1.2.3 Ảnh hưởng che chắn 14 1.3 Hệ thống thơng tin MIMO hoạt động dải sóng milimét 16 1.3.1 Định hướng búp sóng hệ thống mmWave MIMO 16 1.3.2 ADC/DAC độ phân giải thấp 23 1.4 Các mơ hình phần cứng khơng hồn hảo 23 1.4.1 Tạp âm pha 25 i ii 1.4.2 Dịch chuyển tần số sóng mang 28 1.4.3 Tạp âm lượng tử hóa 29 1.4.4 Suy hao công suất 32 1.5 Bối cảnh nghiên cứu 34 1.5.1 Các nghiên cứu liên quan đến hệ thống MIMO hoạt động dải sóng milimét 34 1.5.2 Các nghiên cứu liên quan đến ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo lên hiệu hệ thống mmWave MIMO 36 1.6 Kết luận chương 43 Chương ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA PHẦN CỨNG KHƠNG HỒN HẢO LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG MMWAVE MIMO 44 2.1 Mơ hình hệ thống 44 2.1.1 Mơ hình tín hiệu 45 2.1.2 Mơ hình kênh 50 2.1.3 Thiết kế ma trận tiền mã hóa/kết hợp 55 2.2 Hiệu hệ thống mmWave MIMO ảnh hưởng phần cứng không hoàn hảo 58 2.3 Kết mô 62 2.4 Kết luận chương 69 Chương ƯỚC LƯỢNG PHA KHÔNG HOÀN HẢO TRONG HỆ THỐNG MIMO HOẠT ĐỘNG Ở DẢI SĨNG MILI-MÉT 71 3.1 Mơ hình hệ thống 71 iii 3.2 Ước lượng pha khơng hồn hảo hệ thống MIMO hoạt động dải sóng mili-mét 75 3.2.1 Bài toán đặt 75 3.2.2 Đề xuất phương pháp ước lượng pha khơng hồn hảo phương pháp LS 78 3.2.3 Đề xuất phương pháp ước lượng pha khơng hồn hảo phương pháp MMSE 80 3.2.4 Kết mô 84 3.3 Kết luận chương 90 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI 92 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 94 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt 3GPP Third-Generation Partner- Dự án đối tác hệ thứ ship Project 5G 6G AB Fifth Generation Cellular Mạng thông tin di động Network hệ thứ năm Sixth Generation Cellular Mạng thông tin di động Network hệ thứ sáu Analog Beamforming Định hướng búp sóng tương tự ADC Analog to Digital Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự - số AQNM Additive Quantization Mơ hình tạp âm lượng tử Noise Model cộng tính Additive White Gaussian Tạp âm trắng chuẩn cộng Noise tính AoA Angle of Arrival Góc tới AoD Angle of Departure Góc BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BS Base Station Trạm gốc CI Channel Inversion Nghịch đảo kênh truyền CFO Carrier Frequency Offset Dịch chuyển tần số sóng AWGN mang CRLB Cramer-Rao Lower Bounds Các đường Cramer-Rao iv bao v CS Compressed sensing Thuật toán nén CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CLO Common Local Oscillator Bộ tạo dao động chung DAC Digital to Analog Converter Bộ chuyển đổi tín hiệu số tương tự DB Digital Beamforming Định hướng búp sóng số DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc EE Energy Efficiency Hiệu suất lượng EKF Extended Kalman Filter Bộ lọc Kalman mở rộng EM Expectation Maximization Tối đa kỳ vọng EVM Error Vector Magnitude Độ lớn véc-tơ lỗi FSL Free Space Loss Suy hao không gian tự GP Gradient Pursuit Thuật toán theo đổi độ dốc HB Hybrid Beamforming Định hướng búp sóng lai HD High Definition Độ phân giải cao ICI Intercarrier Interference Nhiễu xuyên sóng mang I/Q In-phase/quadrature Đồng/vuông pha ISI Intersymbol Interference Nhiễu xuyên ký tự ITU International Telecommuni- Liên minh Viễn thông Quốc cation Union tế IoT Internet of Things Mạng vạn vật kết nối LMMSE Linear Minimum Mean Lỗi bình phương trung bình Square Error nhỏ tuyến tính LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LO Local Oscillator Bộ dao động nội LoS Line of Sight Đường truyền thẳng LS Least Squares Bình phương nhỏ LTE Long-Term Evolution Hệ thống tiến hóa dài hạn MF Matched Filter Bộ lọc phối hợp vi MIMO Multiple Input and Multi- Đa đầu vào đa đầu ple Output MMSE Minimum Mean Square Er- Lỗi bình phương trung bình ror nhỏ MSE Mean squared error Lỗi bình phương trung bình MRC Maximal Ratio Combiners Bộ kết hợp tỷ số cực đại MU-MC Multiuser-Multicarrier Đa người dùng - đa sóng mang NLoS Non Line of Sight Đường truyền không thẳng NMSE Normalised Mean Square Lỗi bình phương trung bình Error chuẩn hóa PA Power Amplifier Bộ khuếch đại công suất PLL Phase-Locked Loop Vịng khóa pha PN Phase Noise Tạp âm pha PPM Parts Per Million Phần triệu PS Phase Shifter Bộ dịch pha QAM Quadrature Amplitude Modulation QPSK Quadrature Điều chế biên cầu phương Phase Shift Điều chế khóa dịch pha trực Keying giao RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SC-FDE Single Cân miền tần số Carrier-Frequency Domain Equalization hệ thống đơn sóng mang SE Spectral Efficiency Hiệu suất phổ SIC Successive Thuật toán triệt nhiễu liên Interference Cancelation tiếp SLO Separate Local Oscillator Bộ tạo dao động riêng lẻ SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số cơng suất tín hiệu cơng suất tạp âm INr + LRF Ns ξ¯D Pt − σ2ψ2 −1 e Rn HFRF = log2 INr + LRF Ns (2.59) 
 H H FBB FH ⊗ (I ) F H BS BB RF (2.60) Ta có, A = θIM diag (A) = diag ([tr (A) /M, , tr (A) /M ]) Mặc dù phần tử đường chéo ma trận FBB FH BB khơng nhau, chúng xấp xỉ nhờ thuật tốn phân bổ cơng suất [14] suy H H diag(FBB FH BB ) ≈diag(tr(FBB FBB )/NRF , , tr(FBB FBB )/NRF ) ≈ ∥FBB ∥F /NRF (2.61) (2.62) 62 Thay công thức (2.62) vào công thức (2.56), ma trận hiệp phương sai tạp âm viết lại sau " Rn =E ξD Pt ∥FBB ∥F H H HFRF Zt ZH t FRF H + σn INr LRF Ns NRF # (2.63) ξD Pt ∥FBB ∥F − σ2ψ2 H = e HFRF FH RF H + σn INr LRF Ns NRF (2.64) Trong trường hợp phần cứng phía thu khơng hồn hảo gồm suy hao công suất, tạp âm lượng tử tạp âm pha nhánh RF phía thu Do đó, cơng thức tín hiệu thu (2.49) viết lại sau: H H H H H y =ξ¯A WBB Zr WRF HFRF FBB s + ξ¯A WBB Zr WRF n + WBB eA (2.65) Cơng suất tín hiệu thu mong muốn, tính theo cơng thức: Rd =(ξ¯A )2  Pt  H H H E WBB Zr Heq FBB × FH H Z W r BB BB eq Ns (2.66) Công suất tạp âm sau thực kết hợp băng gốc phía thu, tính theo công thức H H H Rn =(ξ¯A )2 σn2 E WBB ZH r WRF WRF Zr WBB + WBB ReA WBB   (2.67) ReA tính theo công thức (2.28) 2.3 Kết mô Trong phần này, Luận án thực mô hệ thống mmWave MIMO sử dụng định hướng búp sóng lai để đánh giá hiệu suất hệ thống với ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo Giả thiết thơng tin trạng thái kênh hồn hảo phía phát thu, ma trận kênh mô theo công thức (2.44), độ lợi kênh giả thiết có phân bố ngẫu nhiên Rayleigh với P¯R = Các ma trận tiền mã hóa/kết hợp số, tương tự thực theo phương pháp 63 triệt nhiễu liên tiếp (SIC) theo cơng trình [29] OMP theo cơng trình [6] Phía phát phía thu sử dụng mảng ăng-ten dạng ULA với khoảng cách ăng-ten λ/2; góc AoD, AoA có phân bố khoảng từ [0, 2π]; nhánh RF phía phát/thu dùng chung tạo dao động nội Hình 2.3: Sơ đồ mơ Sử dụng mô Monte Carlo với bước mô Hình 2.3 [91] [92], [93], [94] Giá trị tham số mô thực theo Bảng 2.3 Bảng 2.3: Các tham số mô Tham số Tần số sóng mang Số đường tán xạ L Số luồng liệu Giá trị 28 GHz Hình 2.4 Hình 2.5 minh họa kết mơ hiệu suất phổ (SE) hiệu suất lượng (EE) hệ thống thông tin mmWave MIMO với thay đổi số ăng-ten phát Nt = [4 : : 64], tỷ số SNR = [−20 : : 10]