Giải pháp nâng cao hiệu năng và cải thiện dung lượng hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ TRUNG TẤN GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG VÀ CẢI THIỆN DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THẾ HỆ TIẾP THEO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội - 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ TRUNG TẤN GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG VÀ CẢI THIỆN DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THẾ HỆ TIẾP THEO Ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Hà Nội – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận án thành nghiên cứu thân suốt thời gian làm nghiên cứu sinh chưa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt xác trung thực Giáo viên hướng dẫn khoa học Hà Nội, ngày… tháng….năm 2021 Tác giả luận án PGS TS Nguyễn Hữu Trung Lê Trung Tấn i LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ nghiên cứu sinh thực Bộ môn Điện tử hàng không vũ trụ, Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội hướng dẫn khoa học PGS.TS Nguyễn Hữu Trung Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc Thầy định hướng khoa học, dẫn thực nhiệm vụ cần thiết tạo điều kiện thuận lợi để cơng trình nghiên cứu hoàn thành Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Điện tử - Viễn thông, Bộ môn Điện tử hàng không vũ trụ tạo điều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập nghiên cứu Cuối biết ơn tới gia đình, bạn bè thơng cảm, động viên giúp đỡ nghiên cứu sinh có thêm nghị lực để hoàn thành luận án Tác giả luận án Lê Trung Tấn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC xiv MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu, đối tượng, phương pháp phạm vi nghiên cứu 3.1 Mục tiêu nghiên cứu 3.2 Đối tượng nghiên cứu 3.3 Phạm vi nghiên cứu 3.4 Phương pháp nghiên cứu Các đóng góp khoa học luận án Bố cục luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tổng quan truyền hình số mặt đất kỹ thuật đề xuất 1.2.1 Tổng quan truyền hình số mặt đất 1.2.2 Các giải pháp kỹ thuật đề xuất để tiêu chuẩn hóa truyền hình số hệ 1.2.2.1 Cấu hình sở 1.2.2.2 Cấu hình MIMO 12 1.2.2.3 Cấu hình lai mặt đất vệ tinh 12 1.2.2.4 Cấu hình lai mặt đất vệ tinh MIMO 13 1.2.3 Những vấn đề tồn 14 1.3 Định hướng giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn truyền hình số mặt đất hệ 14 1.3.1 Hệ thống MIMO 14 1.3.1.1 Dung lượng hệ thống MIMO 15 1.3.1.2 Ưu điểm hệ thống MIMO 16 1.3.2 Hệ thống MIMO quy mô lớn 17 iii 1.3.2.1 Yêu cầu số lượng vùng phát sóng độc lập 19 1.3.2.2 Lắp đặt số lượng ăng-ten lớn 19 1.3.2.3 Nhận tín hiệu/ Ước lượng kênh 19 1.3.3 Kỹ thuật định hướng búp sóng (Beamforming) 20 1.3.3.1 Kỹ thuật định hướng búp sóng tương tự 20 1.3.3.2 Kỹ thuật định hướng búp sóng số 22 1.3.3.3 Kỹ thuật định hướng búp sóng lai 23 1.3.4 Định hướng giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn truyền hình số mặt đất hệ 26 1.5 Kết luận chương 26 CHƯƠNG GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG TRUYỀN DẪN HỆ THỐNG DVB-NGH BẰNG ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG VÀ PHÂN NHÓM NGƯỜI DÙNG 28 2.1 Đặt vấn đề 28 2.2 Mơ hình kiến trúc định hướng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống 30 2.2.1 Mô hình hệ thống 30 2.2.1.1 Mơ hình tín hiệu 30 2.2.1.2 Định hướng búp sóng tối ưu thống kê 32 2.2.2 Định hướng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống 37 2.2.2.1 Mơ tả tốn giảm bậc 37 2.2.2.2 Phát biểu toán giảm bậc xử lý toán 37 2.2.2.3 Phương pháp tối ưu bền vững theo tiêu chí Min-Max 39 2.2.3 Kết mô 40 2.2.3.1 Phương pháp mô 40 2.2.3.2 Các kịch kết mô 41 2.3 Đề xuất hệ thống định hướng đa búp sóng ứng dụng cho hệ thống DVB-NGH 48 2.3.1 Các cấu hình MIMO mạng đơn tần 48 2.3.2 Mơ hình tín hiệu 51 2.3.3 Mơ hình kênh massive MIMO 53 2.3.4 Đề xuất tối ưu định hướng búp sóng cho hệ thống định hướng đa búp sóng55 2.3.5 Kết mô 56 2.4 Đề xuất thuật tốn phân nhóm người dùng cách điều khiển băng thơng cho mạng truyền hình số mặt đất hệ 61 2.4.1 Mơ hình hệ thống 61 2.4.1.1 Mơ hình tín hiệu 61 2.4.1.2 Mơ hình kênh 62 iv 2.4.2 Đề xuất thuật toán phân nhóm người dùng 64 2.4.3 Kết mô 68 2.5 Kết luận chương 71 CHƯƠNG GIẢI PHÁP CẢI THIỆN DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG DVB-NGH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG BÚP SĨNG LAI VÀ GHÉP KÊNH KHƠNG GIAN MIMO PHÂN CỰC KÉP 72 3.1 Đặt vấn đề 72 3.2 Mơ hình tín hiệu phát thu hệ thống DVB-NGH MIMO định hướng búp sóng lai số-tương tự 73 3.3 Mơ hình định hướng đa búp sóng 76 3.4 Mô hình kênh 76 3.5 Phương pháp định hướng búp sóng lai ghép kênh khơng gian phân cực kép 78 3.5.1 Thiết kế tiền mã hóa số tương tự ứng dụng MIMO phân cực kép máy phát 78 3.5.2 Thiết kế máy thu ứng dụng mã hóa MIMO rate-2 80 3.5.2.1 Máy thu 80 3.5.2.2 Hiệu hệ thống 81 3.5.2.3 Ứng dụng mã hóa MIMO rate-2 DVB-NGH 81 3.6 Kết mô 84 3.7 Kết luận chương 89 KẾT LUẬN 91 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu hình DVB-NGH sở BICM [9] Hình 1.2 Ví dụ kịch điều chế phân cấp [9] 10 Hình 1.3 Mơ hình hệ thống MIMO 15 Hình 1.4 Mơ hình hệ thống MIMO quy mơ lớn 18 Hình 1.5 Mơ hình kỹ thuật tạo búp sóng tương tự [45] 21 Hình 1.6 Mơ hình kỹ thuật tạo búp sóng số [45] 23 Hình 1.7 Mơ hình kỹ thuật tạo búp sóng lai [45] 24 Hình 2.1 Hệ định hướng búp sóng .30 Hình 2.2 Bộ định hướng Frost Beamformer .35 Hình 2.3 Cầu hình ăng-ten mảng ULA 41 Hình 2.4 Đồ thị biến thiên NRMSE SNR thay đổi từ -30 ÷10dB 43 Hình 2.5 Đồ thị biến thiên NRMSE SIR thay đổi 45 Hình 2.6 Đồ thị biến thiên NRMSE góc sai lệch hướng 46 Hình 2.7 Đồ thị biến thiên NRMSE theo số lượng ăng-ten 48 Hình 2.8 Truyền dẫn MIMO trạm gốc 49 Hình 2.9 Truyền dẫn MISO phân tán 50 Hình 2.10 Sơ đồ truyền dẫn MIMO hai trạm gốc 50 Hình 2.11 Kiến trúc MIMO kết hợp vệ tinh 51 Hình 2.12 Kịch định hướng đa búp sóng dựa nhiều ăng-ten mảng hình trụ 52 Hình 2.13 Đề xuất sơ đồ khối chức hệ thống định hướng đa búp sóng 55 Hình 2.14 NRMSE theo SNR (a,b), số lượng ăng-ten (c) hệ thống massive MIMO đề xuất 58 Hình 2.15 Đồ thị búp sóng kép búp sóng đơn với MVDR (a, b), búp sóng kép với Frost Beamformer (c,d) hệ thống massive MIMO đề xuất 61 Hình 2.16 Sơ đồ khối mơ hình hệ thống đề xuất 62 Hình 2.17 Nhóm người dùng điều khiển băng thông .64 Hình 2.18 Lưu đồ thuật tốn phân nhóm người dùng 66 Hình 2.19 Tổng tốc độ so với số lượng người dùng kỹ thuật định hướng búp sóng khác 69 Hình 2.20 Tổng tốc độ với số lượng chùm tia ban đầu kỹ thuật định hướng búp sóng khác 70 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống DVB-NGH MIMO định hướng búp sóng lai sốtương tự 74 Hình 3.2 Bộ tiền mã hóa MIMO phân cực kép 78 Hình 3.3 Sơ đồ thu DVB-NGH MIMO rate-2 82 Hình 3.4 Hiệu hệ thống DVB-NGH MIMO Rate-2 cách sử dụng sơ đồ điều chế 64-QAM 256-QAM với kích thước FFT 8K 16K cho số lượng phần tử ăng-ten phát M khác tiền mã hóa tương tự 86 vi Hình 3.5 Hiệu hệ thống DVB-NGH MIMO Rate-2 cách sử dụng sơ đồ điều chế 256-QAM kích thước FFT 16K cho ăng-ten phát khác M = 1, 2, 4, 87 Hình 3.6 Tốc độ liệu đạt với ăng-ten phát khác chế độ MIMO rate-2 với sơ đồ điều chế 64-QAM mã hóa LDPC 8/15 88 Hình 3.7 Tốc độ liệu đạt với ăng-ten phát khác chế độ MIMO rate-4 với sơ đồ điều chế 64-QAM mã hóa LDPC 8/15 88 Hình 3.8 Mơ hình búp sóng sơ đồ tạo chùm tia đề xuất: (a) M T = 8, MR = cho chế độ MIMO rate-2, (b) MT = 16, MR = cho chế độ MIMO NS = .89 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các cấu hình hybrid MIMO [9] 14 Bảng 2.1 Các tham số mô ứng với kịch mô SNR thay đổi 42 Bảng 2.2 Các tham số mô ứng với kịch mô SIR thay đổi 44 Bảng 2.3 Các tham số mô ứng với kịch mô SIR thay đổi 45 Bảng 2.4 Các tham số mô ứng với kịch mô thay đổi số lượng ăng-ten 47 Bảng 2.5 Các tham số mô 56 Bảng 2.6 Các tham số mạng mô 69 Bảng 3.1 Tham số mã hóa liệu cho DVB-NGH [11] 74 Bảng 3.2 Các chế độ chòm xoay DVB-NGH [11] .75 Bảng 3.3 Các trường hợp nghiên cứu 84 Bảng 3.4 Các tham số mô 84 viii ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ TRUNG TẤN GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG VÀ CẢI THIỆN DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THẾ HỆ TIẾP THEO Ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: ... tối ưu hóa truyền dẫn hệ thống truyền hình mặt đất hệ Với ràng buộc giới hạn dung lượng băng tần, mơi trường truyền hình mặt đất cần tối ưu hệ thống truyền dẫn để đáp ứng yêu cầu truyền hình tương... Standardization ISDB-T ISO x Truyền hình số cho thiết bị vệ tinh cầm tay Truyền hình số mặt đất Truyền hình số mặt đất hệ thứ hai Mạng đơn tần nâng cao Ghép kênh không gian nâng cao Viện tiêu chuẩn viễn