NGHIÊN cứu GIẢI PHÁP THIẾT kế VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO hệ THỐNG THÔNG TIN HAP

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG NGUYỄN THỊ THU HIÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN HAP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI – 2019 BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG NGUYỄN THỊ THU HIÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN HAP CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 9.52.02.08 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ NHẬT THĂNG PGS.TS NGUYỄN THÚY ANH HÀ NỘI – 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các kết viết chung với tác giả khác đồng ý đồng tác giả trước đưa vào luận án Các kết nêu luận án trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận án Nguyễn Thị Thu Hiên ii LỜI CẢM ƠN Thực luận án tiến sĩ thử thách lớn, đòi hỏi kiên trì tập trung cao độ Tơi thực hạnh phúc với kết đạt đề tài nghiên cứu Những kết đạt khơng nỗ lực cá nhân, mà có hỗ trợ giúp đỡ thầy hướng dẫn, nhà trường, mơn, đồng nghiệp gia đình Tơi muốn bày tỏ tình cảm đến với họ Trước hết, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo - PGS.TS Lê Nhật Thăng cô giáo - PGS.TS.Nguyễn Thúy Anh quan tâm hướng dẫn giúp đỡ tơi suốt q trình thực hồn thành luận án Tơi xin trân trọng cảm ơn Khoa Viễn thông 1, Khoa Đào tạo Sau Đại học Lãnh đạo Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình thực luận án Tơi xin cảm ơn tập thể Lãnh đạo, giảng viên Khoa Viễn thông – Học Viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng cổ vũ động viên tơi q trình nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn vơ hạn cha mẹ gia đình ln bên cạnh ủng hộ, giúp đỡ Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất người bạn tôi, người chia sẻ cổ vũ tơi lúc khó khăn Nghiên cứu sinh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .x CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC xiii MỞ ĐẦU .2 CHƯƠNG 10 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .10 1.1 HẠ TẦNG TRÊN KHÔNG TẦM CAO 10 1.1.1 Giới thiệu chung 10 1.1.2 Các vấn đề mơ hình kênh HAP 13 1.2 MÃ HÓA KÊNH 15 1.3 CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO HỆ THỐNG HAP 19 1.4 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN, NHẬN XÉT VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 21 1.4.1 Các cơng trình nghiên cứu liên quan nhận xét 21 1.4.2 Hướng nghiên cứu luận án 23 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 24 CHƯƠNG 23 DUNG LƯỢNG KÊNH CỦA HỆ THỐNG HAP .23 2.1 MƠ HÌNH KÊNH HAP 23 2.2 DUNG LƯỢNG KÊNH CỦA HỆ THỐNG HAP 31 2.2.1 Dung lượng kênh không nhớ đầu vào rời rạc - đầu liên tục 32 2.2.2 Xác suất tới hạn 40 iv 2.2.3 Dung lượng tới hạn 42 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 45 CHƯƠNG 46 THIẾT KẾ MÃ KÊNH TIẾP CẬN DUNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG HAP 46 3.1 BIỂU ĐỒ TRUYỀN ĐẠT THÔNG TIN NGOẠI LAI 46 3.2 ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MÃ CHẬP KHÔNG ĐỀU TRONG HỆ THỐNG HAP 49 3.2.1 Đặc tính truyền đạt giải mã vòng 52 3.2.2 Đặc tính truyền đạt giải mã vòng ngồi 53 3.3 THIẾT KẾ MÃ KÊNH TIẾP CẬN DUNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG HAP 56 3.3.1 Cơ chế mã hóa IrCC-URC-MOD 57 3.3.2 Mã chập không 58 3.3.3 Thiết kế mã IrCC cho hệ thống HAP 61 3.3.4 Kết thiết kế mã IrCC 68 3.4 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MÃ CHẬP KHÔNG ĐỀU 73 3.4.1 Kết 1: Hiệu chế mã hóa IrCC17(31,27)-URC-QPSK, tỷ lệ mã hóa Rc=0,5 73 3.4.2 Kết 2: Hiệu FER chế mã hóa IrCC17-URC-QPSK qua kênh HAP pha-đinh Rice 75 3.4.3 Kết 3: Hiệu FER chế mã hóa IrCC8-URC-QPSK qua kênh HAP chuyển mạch hai trạng thái 77 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠatalin, Sari, and John P Fonseka, On the channel capacity in Rician and Hoyt fading environments with MRC diversity, IEEE Transactions on Vehicular Technology 55.1 (2006) 137–141 [37] Khawaja, W., Guvenc, I., Matolak, D W., Fiebig, U.-C., and Schneckenberger, N., A survey of air-to-ground propagation channel modeling for unmanned aerial vehicles, IEEE Communications Surveys & Tutorials (2019) [38] Kwon, T.-J., and Draper, J., Floating-point division and square root implementation using a Taylor-series expansion algorithm with reduced look-up tables, in 2008 51st Midwest Symposium on Circuits and Systems, (IEEE, 2008), pp 954–957 [39] Lee, I., The effect of a precoder on serially concatenated coding systems with an ISI channel, IEEE Transactions on Communications 49 (2001) 1168–1175 [40] Lee, William C., Mobile communications engineering, (McGraw-Hill Professional, 1982) 115 [41] Lee, Y.-C., and Ye, H., Sky station stratospheric telecommunications system, a high speed low latency switched wireless network, 17th AIAA International Communications Satellite Systems Conference and Exhibit (1998) 1394 [42] Lien, S.-Y., Chen, K.-C., and Lin, Y., Toward ubiquitous massive accesses in 3GPP machine-to-machine communications, IEEE Communications Magazine 49 (2011) 66–74 [43] Lin, Shu, and Daniel J Costello., Error control coding, (Pearson Education India, 2001) [44] Loo, C., A statistical model for a land mobile satellite link, IEEE Transactions on Vehicular Technology 34 (1985) 122–127 [45] Lutz, E., Cygan, D., Dippold, M., Dolainsky, F., and Papke, W., The land mobile satellite communication channel-recording, statistics, and channel model, IEEE Transactions on Vehicular Technology 40 (1991) 375–386 [46] MacKay, D J C., and Neal, R M., Near Shannon limit performance of low density parity check codes, Electronics Letters 33 (1997) 457–458 [47] Mohammed, A., Mehmood, A., Pavlidou, F.-N., and Mohorcic, M., The role of highaltitude platforms (HAPs) in the global wireless connectivity, Proceedings of the IEEE 99 (2011) 1939–1953 [48] Mozaffari, M., Saad, W., Bennis, M., and Debbah, M., Drone small cells in the clouds: Design, deployment and performance analysis, in 2015 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), (IEEE, 2015), pp 1–6 [49] Mozaffari, M., Saad, W., Bennis, M., and Debbah, M., Mobile Internet of Things: Can UAVs provide an energy-efficient mobile architecture?, in 2016 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), (IEEE, 2016), pp 1–6 [50] Mozaffari, M., Saad, W., Bennis, M., and Debbah, M., Unmanned aerial vehicle with underlaid device-to-device communications: Performance and tradeoffs, IEEE Transactions on Wireless Communications 15 (2016) 3949–3963 116 [51] Mozaffari, M., Saad, W., Bennis, M., and Debbah, M., Efficient deployment of multiple unmanned aerial vehicles for optimal wireless coverage, IEEE Communications Letters 20 (2016) 1647–1650 [52] Nauman, A., and Maqsood, M., System design and performance evaluation of high altitude platform: Link budget and power budget, in 2017 19th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT), 2017), pp 138–142 [53] Ng, S X., and Hanzo, L., On the MIMO channel capacity of multidimensional signal sets, IEEE Transactions on Vehicular Technology 55 (2006) 528–536 [54] Nguyen, H V., Xu, C., Ng, S X., and Hanzo, L., Near-capacity wireless system design principles, IEEE Communications Surveys & Tutorials 17 (2015) 1806–1833 [55] d’Oliveira, F A., Melo, F C L de, and Devezas, T C., High-altitude platforms— Present situation and technology trends, Journal of Aerospace Technology and Management (2016) 249–262 [56] Patzold, Matthias., Mobile fading channels: Modelling, analysis and simulation., (John Wiley & Sons, Inc., 2001) [57] Pietrobon, S S., and Barbulescu, A S., A Simplification of the Modified Bahl Decoding Algorithm for Systematic Convolutional Codes, ISITA’94: International Symposium on Information Theory & Its Applications 1994; Proceedings (1994) [58] Rao, K Deergha, Channel coding techiques for wireless communication, (Springer India, 2015) [59] Robertson, P., Villebrun, E., and Hoeher, P., A comparison of optimal and sub-optimal MAP decoding algorithms operating in the log domain, in Proceedings IEEE International Conference on Communications ICC ’95, 1995), pp 1009–1013 vol.2 [60] Rouzbehani, Behnam, and Arash Dana., Statistical modelling of small-scale fading effects for high-altitude platform propagation channels., Journal of the Chinese Institute of Engineers 37.4 (2014) 540–546 [61] Schreckenbach, F., and Bauch, G., Bit-interleaved coded irregular modulation, European Transactions on Telecommunications 17 (2006) 269–282 117 [62] Shannon, Claude Elwood, A mathematical theory of communication, Bell System Technical Journal 27.3 (1948) 379–423 [63] Shimamoto, S., Channel characterization and performance evaluation of mobile communication employing stratospheric platforms, IEICE Transactions on Communications 89 (2006) 937–944 [64] Simon, M K., and Alouini, M.-S., A unified approach to the performance analysis of digital communication over generalized fading channels, Proceedings of the IEEE 86 (1998) 1860–1877 [65] Simonite, Tom., Meet Facebook’s Stratospheric Internet Drone, MIT Technology Review Retrieved June (2016) [66] Studer, C., Benkeser, C., Belfanti, S., and Huang, Q., Design and implementation of a parallel turbo-decoder ASIC for 3GPP-LTE, IEEE Journal of Solid-State Circuits 46 (2010) 8–17 [67] Sudheesh, P G., Mozaffari, M., Magarini, M., Saad, W., and Muthuchidambaranathan, P., Sum-rate analysis for high altitude platform (HAP) drones with tethered balloon relay, IEEE Communications Letters 22 (2017) 1240–1243 [68] Tang, C., Liu, H., and Pan, G., Performance analysis of log-normal and Rayleighlognormal fading channels, in 12th International Conference on Signal Processing (ICSP), (IEEE, 2014), pp 1557–1560 [69] Ten Brink, S., Designing iterative decoding schemes with the extrinsic information transfer chart, AEU Int J Electron Commun 54.6 (2000) 389–398 [70] Ten Brink, S., Kramer, G., and Ashikhmin, A., Design of low-density parity-check codes for modulation and detection, IEEE Transactions on Communications 52 (2004) 670–678 [71] Tuchler, M., Design of serially concatenated systems depending on the block length, IEEE Transactions on Communications 52 (2004) 209–218 [72] Tüchler, M., and Hagenauer, J., EXIT charts of irregular codes, (2002) 118 [73] Ulloa-Vasquez, F., and Delgado-Penin, J A., Performance simulation in high altitude platforms (HAPs) communications systems, Data Systems in Aerospace 509 (2002) [74] Ungerboeck, G., Channel coding with multilevel/phase signals, IEEE Transactions on Information Theory 28 (1982) 55–67 [75] Union, I T., ITU-T G 1010: End-User Multimedia Qos Categories, G SERIES: Transmission Systems and Media, Digital System and Networks-Multimedia Quality of Service and Performance Generic and User-Related Aspects, (2001) [76] Viterbi, A J., An intuitive justification and a simplified implementation of the MAP decoder for convolutional codes, IEEE Journal on Selected Areas in Communications 16 (1998) 260–264 [77] Wicker, Stephen B., and Saejoon Kim., Fundamentals of Codes, Graphs, and Iterative Decoding, (Springer Science & Business Media, 2006) [78] Zajić, A., Mobile-to-mobile wireless channels, (Artech House, 2012) [79] Zeng, Y., Zhang, R., and Lim, T J., Wireless communications with unmanned aerial vehicles: Opportunities and challenges, IEEE Communications Magazine 54 (2016) 36–42 [80] Zheng, J., Ji, K., and Zhu, Y., High Altitude Platform-Based communication system Under LDPC coding in DVB-S2 standard., Applied Mechanics & Materials (2014) ...BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG NGUYỄN THỊ THU HIÊN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN HAP CHUYÊN NGÀNH:... THIẾT KẾ MÃ KÊNH TIẾP CẬN DUNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG HAP 46 3.1 BIỂU ĐỒ TRUYỀN ĐẠT THÔNG TIN NGOẠI LAI 46 3.2 ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MÃ CHẬP KHÔNG ĐỀU TRONG HỆ THỐNG HAP 49 3.2.1 Đặc tính truyền đạt... MÃ KÊNH TIẾP CẬN DUNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG HAP 56 3.3.1 Cơ chế mã hóa IrCC-URC-MOD 57 3.3.2 Mã chập không 58 3.3.3 Thiết kế mã IrCC cho hệ thống HAP 61 3.3.4 Kết thiết