Nghiên cứu bộ tách tín hiệu trong các hệ thống SM STBC mô hình, thuật toán và thực thi

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 Mơ 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 vô tuyến SC Spatial Codeword Từ mã không gian SD Sphere Detector Bộ tách sóng cầu QPSK QRD vi ... sử dụng tách tín hiệu Về mặt thuật tốn, dựa theo tính chất tuyến tính phương pháp tách tín hiệu, tách tín hiệu hệ thống MIMO HRSM phân thành hai loại tách tín hiệu tuyến tính tách tín hiệu phi...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... 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