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

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 thơng Mã số: 9520208 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Trung Phản biện 1: ……………………… Phản biện 2: ……………………… Phản biện 3: ……………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm … Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam A GIỚI THIỆU LUẬN ÁN Tính cấp thiết luận án Hiện truyền hình độ phân giải siêu cao 4K×2160p (12Gbps), 3DTV 8K×4320p (48Gbps) ngày trở nên phổ biến dần trở thành xu tất yếu đài truyền hình đơn vị cung cấp nội dung, ngồi việc nâng cao chất lượng chương trình việc đổi cơng nghệ theo xu phần tất yếu cạnh tranh gay gắt đơn vị cung cấp nội dung nhằm thu hút khán giả nâng cao trải nghiệm xem truyền hình cho người xem Trong đó, cơng nghệ tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất bị giới hạn, đặt thách thức cấp thiết cho việc ứng dụng kỹ thuật, công nghệ để nâng cao hiệu truyền dẫn cải thiện dung lượng cho tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất hệ Độ phức tạp mối quan hệ tương hỗ khâu trình xử lý tín hiệu hệ MIMO tăng theo số lượng ăng-ten; hệ thống làm việc môi trường thay đổi phức tạp, nhiễu động phải thỏa hiệp hiệu hệ thống với chất lượng phục vụ (QoS) người dùng Do đó, việc tối ưu hóa hệ thống thực riêng rẽ theo tiêu chí, phân đoạn theo khâu, thường khơng dẫn đến kết tối ưu mong muốn Vì vậy, cần thiết phải xây dựng mơ hình mang tính tổng quát theo lý thuyết hệ thống để phát triển hệ thống MIMO, MIMO quy mô lớn dựa định hướng đa búp sóng sử dụng tiêu chí tối ưu bền vững cho hệ truyền hình số mặt đất hệ DVBNGH Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu luận án nhằm vào mục tiêu sau đây: (i.) Nghiên cứu đề xuất kiến trúc định hướng đa búp sóng ứng dụng cho truyền hình số mặt đất hệ (ii.) Nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao hiệu truyền dẫn, cải thiện dung lượng cho hệ thống truyền hình số mặt đất hệ Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu cơng trình giới hạn kiến trúc DVB-NGH gồm: • Mơ hình, cấu trúc hệ thống DVB-NGH, kỹ thuật MIMO, MIMO quy mơ lớn, ăng-ten mảng hình trụ • Mơ hình định hướng đa búp sóng, định hướng búp sóng lai, kênh truyền MIMO phân cực kép, thơng tin trạng thái kênh thuật toán cải thiện hiệu phục vụ hệ truyền hình số mặt đất hệ DVB-NGH Phạm vi nghiên cứu luận án cụ thể sau: • Nghiên cứu kiến trúc hệ thống DVB-NGH, mơ hình truyền dẫn MIMO, MIMO quy mô lớn, ghép kênh không gian, định hướng búp sóng • Nghiên cứu thuật tốn sở kiến trúc mơ hình đề xuất để nâng cao hiệu hệ thống dựa lý thuyết hệ thống tiêu chí tối ưu đa biến Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu luận án bao gồm việc nghiên cứu lý thuyết, xây dựng mơ hình, đề xuất, cải tiến thuật tốn kết hợp với đánh giá hiệu hệ thống thông qua mơ máy tính Các đóng góp khoa học luận án (i) Đề xuất mơ hình, kiến trúc tối ưu hiệu suất hệ thống DVB-NGH định hướng đa búp sóng sử dụng ăng-ten mảng hình trụ (ii) Đề xuất thuật tốn phân nhóm người dùng cách điều khiển băng thông cho mạng truyền hình số mặt đất hệ (iii) Đề xuất mơ hình, kiến trúc cải thiện dung lượng hệ thống DVB-NGH phương pháp định hướng búp sóng lai ghép kênh không gian MIMO phân cực kép Bố cục Luận án Luận án gồm: phần mở đầu, chương, kết luận, danh mục báo công bố liên quan đến luận án tài liệu tham khảo B NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN ÁN Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương làm rõ chất cơng nghệ truyền hình số mặt đất thách thức xây dựng hệ thống truyền hình hệ Khái quát đề xuất cải thiện hiệu lớp truyền dẫn hệ thống sở tham chiếu tới công bố luận án trước Sau đưa định hướng giải pháp nâng cao hiệu cải thiện dung lượng hệ thống truyền hình hệ sử dụng cơng nghệ MIMO, MIMO quy mơ lớn kết hợp mơ hình định hướng búp sóng Căn vào phân tích chương này, luận án tiếp tục sâu nghiên cứu, phân tích, đánh giá giải pháp nâng cao hiệu hệ thống truyền hình số mặt đất hệ Chương 2: Giải pháp nâng cao hiệu truyền dẫn hệ thống DVB-NGH định hướng đa búp sóng phân nhóm người dùng 2.1 Mơ hình kiến trúc định hướng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống 2.1.1 Mơ hình hệ thống 2.1.1.1 Mơ hình tín hiệu Xét hệ định hướng búp sóng bao gồm M phần tử hình 2.1 Hình 2.1 Hệ định hướng búp sóng Ký hiệu s(t) tín hiệu nguồn phát với góc tới θ, vector tín hiệu quan sát từ M phần tử mảng thời điểm t biểu diễn sau: (2.1) 𝑥(𝑡) = 𝑎(𝜃, 𝜔)𝑠(𝑡) + 𝑖(𝑡) + 𝑛(𝑡) (2.2) 𝑥̇ (𝑡) = 𝐴𝑥(𝑡) + 𝑖(𝑡) + 𝑛(𝑡) Vector định hướng sóng tới phụ thuộc vào góc tới tần số, để đơn giản, ta ký hiệu 𝑎(𝜃, 𝜔)là a Mơ hình đơn búp sóng là: 𝑥(𝑡) = 𝑎𝑠(𝑡) + 𝑖(𝑡) + 𝑛(𝑡) (2.4) Mơ hình đa búp sóng biểu diễn dạng: (2.5) 𝑥(𝑡) = 𝐴𝑠(𝑡) + 𝑖(𝑡) + 𝑛(𝑡) (2.6) 𝑥̇ (𝑡) = 𝐴𝑥(𝑡) + 𝑖(𝑡) + 𝑛(𝑡) Tín hiệu đầu biểu diễn dạng vector sau: 𝑦(𝑡) = 𝑤 𝐻 𝑥(𝑡) (2.9) 𝑥(𝑡)là tín hiệu nhận Vector trọng số chiều dài M biểu diễn sau: ∗ ] = [𝑤 𝑇 ]∗ (2.10) 𝑤 𝐻 = [𝑤0∗ , 𝑤1∗ , … , 𝑤𝐾−1 2.1.1.2 Định hướng búp sóng theo phương pháp tối ưu thống kê: Cực đại hóa tỉ số SNR Vector trọng số nghiệm phương trình tối ưu cực đại hóa tỉ số SNR 𝑤 𝐻 𝑅𝑠 𝑤 (2.14) 𝑤MaxSNR =argmax 𝐻 𝑤 𝑤 𝑅𝑛 𝑤 Tối thiểu hóa sai số bình phương trung bình tối thiểu (MMSE) Phương pháp tối thiểu hóa trung bình bình phương sai lệch nhằm tối thiểu hóa tín hiệu sai lệch tín hiệu phát với tín hiệu chuẩn d(t) Phương pháp MMSE tìm trọng số cho tối thiểu hóa cơng suất trung bình tín hiệu sai lệch Nghiệm phương trình tối ưu xác định: 𝑤𝑀𝑀𝑆𝐸 = 𝑅 −1 𝑟𝑥𝑑 (2.21) Nghiệm nghiệm tối ưu Wiener Phương pháp địi hỏi phải có tín hiệu chuẩn để huấn luyện định hướng búp sóng Tối thiểu hóa phương sai có ràng buộc tuyến tính (LCMV) Tối thiểu hóa phương sai có ràng buộc tuyến tính nhằm bảo tồn tín hiệu mong muốn, tối thiểu hóa tác động thành phần khơng mong muốn, bao gồm: can nhiễu nhiễu trắng đến từ hướng khác hướng mong muốn Nghiệm phương trình tối ưu theo phương pháp là: 𝑤𝐿𝐶𝑀𝑉 = −𝜆𝑅𝑥−1 𝑎 = 𝑐 𝑅𝑥−1 𝑎 𝑎𝐻 𝑅𝑥−1 𝑎 (2.25) Bộ định hướng búp sóng FrostBeamfomer Nghiệm tối ưu bền vững 𝑊𝑜𝑝𝑡 xác định theo phương pháp nhân tử Lagrange: −1 −1 −1 𝑊𝑜𝑝𝑡 = 𝑅𝑋𝑋 𝐶[ 𝐶 𝑇 𝑅𝑋𝑋 𝐶] 𝐹 (2.41) 2.1.2 Định hướng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống 2.1.2.1 Mơ tả tốn giảm bậc Đối với hệ định hướng búp sóng biểu diễn khơng gian trạng thái phương trình (2.1) (2.2), thuật tốn tối ưu trình bày xem phương pháp tối ưu sở mơ hình tuyến tính hóa có bậc cao tạm gọi toàn bậc Tuy nhiên, phương pháp toàn bậc có hạn chế yêu cầu số lượng lớn mẫu để đạt trạng thái ổn định dẫn đến hạn chế khả đáp ứng thời gian thực Giảm bậc mơ hình hệ động học trở thành công cụ để nắm bắt hiểu biết ban đầu hệ thống điều khiển hệ thống đáp ứng tốc độ thời gian thực 2.1.2.2 Phát biểu toán giảm bậc xử lý toán Tuyến tính hố hệ phi tuyến có chất giảm bậc: Cho mơ hình hệ định hướng đa búp sóng bậc M, tuyến tính, bất biến theo thời gian khơng thiết có tính điều khiển quan sát đồng thời Mơ hình tuyến tính hóa hệ phi tuyến mơ tả bởi: 𝑥(𝑡) = 𝐴𝑠(𝑡) + 𝑖(𝑡) + 𝑛(𝑡) (2.42) 𝑥̇ (𝑡) = 𝐴𝑥(𝑡) + 𝑖(𝑡) + 𝑛(𝑡) (2.43) 𝑦(𝑡) = 𝑤 𝐻 𝑥(𝑡) (2.44) Trong đó, 𝑥(𝑡), 𝑖(𝑡), 𝑛(𝑡)là vector có M chiều, ma trận A tương ứng P nguồn tín hiệu đa búp sóng kích thước hố cách phù hợp ma trận A mơ tả tính chất động học hệ thống Hãy xác định mơ hình có bậc r, gọi mơ hình giảm bậc, 𝑞 ≤ 𝑟 < 𝑀 𝑥𝑟 (𝑡) = 𝐴𝑟 𝑠(𝑡) + 𝑖𝑟 (𝑡) + 𝑛𝑟 (𝑡) (2.45) 𝑥̇ 𝑟 (𝑡) = 𝐴𝑟 𝑥(𝑡) + 𝑖𝑟 (𝑡) + 𝑛𝑟 (𝑡) (2.46) 𝑦𝑟 (𝑡) = 𝑤𝑟𝐻 𝑥𝑟 (𝑡) (2.47) Thỏa mãn điều kiện sau đây: Tiêu chí L2 giảm bậc mơ hình: 𝐽2 (𝑤𝑟𝐻 ) = 𝐸{|𝑦𝑟 |2 } = 𝐸{|𝑤𝑟𝐻 𝑥𝑟 |2 } = 𝑤𝑟𝐻 𝑅̄𝑥 𝑤𝑟 (2.48) ràng buộc bởi: 𝑤𝑟𝐻 𝐴𝑟 (𝜃, 𝜔) = 𝑐 (2.49) tối thiểu hố Tính bền vững mơ hình giảm bậc: Có nhiều phương pháp tối ưu toán phát biểu, khuôn khổ nghiên cứu luận án này, phương pháp tối ưu sử dụng tối ưu theo trạng thái Đối với mơ hình tuyến tính, bất biến theo thời gian có bậc M hệ định hướng búp sóng, ln tồn phép biến đổi 𝑇𝑟 kích thước 𝑟 × 𝑀có hạng đủ theo hàng lên trạng thái mơ hình cho tham số tối ưu mơ hình giảm bậc tính sau: Chọn mơ hình giảm bậc (giả định) mẫu mô tả bởi: 𝑥̇ 𝑚 = 𝐴𝑚 𝑥𝑚 + 𝐵𝑚 𝑢(𝑡) (2.50) 𝑢(𝑡) = 𝑖(𝑡) + 𝑛(𝑡) (2.51) 𝑦𝑚 = 𝐶𝑚 𝑥𝑚 (2.52) Biến đổi thành tốn tối ưu khơng ràng buộc phương pháp Lagrange sau: 𝐿(𝑇𝑟 ; 𝑤𝑟𝐻 ) = 𝐸{|𝑤𝑟𝐻 𝑇𝑟𝐻 𝑥|2 } + 2𝑅[𝜆(𝑤𝑟𝐻 𝑇𝑟𝐻 𝐴𝑟 − 𝑐)] (2.60) Trong 𝜆 nhân tử Lagrange, cố định 𝑤𝑟 , tối thiểu hóa theo 𝑇𝑟 , giải nghiệm theo 𝜆, ta được: 𝑅𝑥−1 𝐴𝑟 𝑤𝑟𝐻 𝑅̄𝑥−1 (2.61) 𝑇𝑟 = 𝑐 𝐻 −1 −1 𝑤𝑟 𝑅̄𝑥 𝑤𝑟 𝐴𝐻 𝑟 𝑅𝑥 𝐴𝑟 2.1.2.3 Phương pháp tối ưu bền vững theo tiêu chí Min-Max Bài tốn tối ưu bền vững tìm kiếm nghiệm trọng số định hướng búp sóng cho tối thiểu hóa tình xấu (tốt điều kiện xấu nhất) tập tín hiệu 𝑟𝑓 (có thể miền thời gian miền tần số định hướng búp sóng theo tần số) theo tiêu chí 𝑀𝑆𝐸(𝑟𝑓 , 𝑟̂𝑓 )với số 𝑞 > 0và ma trận xác định dương Q Bài toán phát biểu dạng tối ưu Min-Max sau: 𝑤𝑀𝑁𝑀 = 𝑎𝑟𝑔 𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑎𝑥 𝑤𝑟 𝑟𝑓 : 𝑟 𝐻 𝑄𝑟𝑓 ≤𝑞2 𝑓 𝑀𝑆𝐸(𝑟𝑓 , 𝑟̂𝑓 ) (2.62) Nghiệm phương trình xác định phương pháp nhân tử Lagrange: 𝑅̄𝑥−1 𝐴𝑟 (2.64) 𝑤̄𝑀𝑁𝑀 = 𝑞 ̄ −1 + 𝑞 𝐴𝐻 𝑟 𝑅𝑥 𝐴𝑟 Giá trị MSE lý thuyết là: (2.65) ̄ −1 𝑞 𝐴𝐻 𝑟 𝑅𝑥 𝐴𝑟 + |𝑟𝑓 | 𝑀𝑆𝐸𝑀𝑁𝑀 = ̄ −1 (1 + 𝑞 𝐴𝐻 𝑟 𝑅𝑥 𝐴𝑟 ) Nghiệm gần (2.64) vector trọng số tìm theo phương pháp thích nghi thuật tốn độ dốc lớn nhất, hướng liên hợp, phương pháp Gradient, liên hợp thuật toán LMS (Least Mean Squares) thuật tốn đệ quy bình phương tối thiểu 2.1.3 Kết mơ Ước lượng tín hiệu SNR thay đổi Với mục đích đánh giá hiệu loại định hướng búp sóng trường hợp tín hiệu vượt trội nhiễu vùng tín hiệu yếu luận án thực khảo sát sai bình phương trung bình chuẩn hóa NRMSE theo tỉ số SNR biến đổi hai miền từ [−30𝑑𝐵 ÷ −10𝑑𝐵] [−10𝑑𝐵 ÷ 10𝑑𝐵] Kết mô với phương pháp tối ưu MVDR, LCMV, Frost Beamformer giảm bậc Min-Max trình bày hình 2.4 Từ kết mơ luận án nhận thấy, tỷ số tín hiệu nhiễu SNR thấp (trong khoảng từ -30 ÷ -15dB), tức miền tín hiệu yếu phương pháp định hướng búp sóng phương pháp tối thiểu hóa búp sóng dựa tối ưu Min-Max cho kết tốt Tức là, hệ thống bền vững Nhưng, miền tín hiệu có SNR lớn (trong khoảng từ -30 ÷ -15dB) phương pháp MVDR LCMV cho kết tốt Hình 2.4 Đồ thị biến thiên Hình 2.5 Đồ thị biến thiên NRMSE SNR thay NRMSE SIR thay đổi đổi từ -30 ÷10dB Ước lượng tín hiệu SIR thay đổi Kịch mô nhằm mục đích thay đổi tỉ số cơng suất tín hiệu can nhiễu để khảo sát hiệu hệ thống tác động can nhiễu Kết mơ trình bày hình 2.5 thể thay đổi NRMSE hệ thống sử dụng phương pháp tối ưu khác SIR thay đổi Trong trường hợp thay đổi SIR, đặc tính hệ thống định hướng búp sóng theo phương pháp MVDR LCMV cho kết tốt nhất, đó, phương pháp tối ưu bền vững theo tiêu chí MinMax lại cho kết xấu Ước lượng tín hiệu thay đổi góc sai lệch góc tới tín hiệu góc tới can nhiễu Trong kịch mơ này, thơng số tín hiệu, cấu hình hệ thống can nhiễu khơng thay đổi, thay đổi góc lệch góc tới tín hiệu góc tới can nhiễu nhằm khảo sát phụ thuộc hiệu hệ thống đặc biệt góc tới can khơng gian MIMO tận dụng lợi phân tập truyền không gian theo thời gian gây fading đa đường kết hợp với tín hiệu trực giao 2.2.3 Đề xuất tối ưu định hướng búp sóng cho hệ thống định hướng đa búp sóng Sơ đồ khối chức hệ thống định hướng đa búp sóng đề xuất trình bày hình 2.13 Các hàm tạo búp sóng phân chia tín hiệu RF thành chùm (P chùm) để cung cấp cho phần tử hoạt động dàn ăng-ten định pha Nó thực trọng số pha biên độ phân giải cao, cần thiết để tổng hợp mơ hình định hướng búp sóng nhiễu tiềm khơng thích ứng Mảng Ăng-ten #1 IFFT P/S CP DAC FFT S/P CP ADC LNA Mảng Ăng-ten #2 CHÙM #1 Chùm #1 IFFT P/S CP DAC FFT S/P CP ADC Chùm #2 LNA CHÙM #2 IFFT P/S CP DAC FFT S/P CP ADC Mảng Ăng-ten #Nt Chùm #P LNA CHÙM #P Hình 2.13 Đề xuất sơ đồ khối chức hệ thống định hướng đa búp sóng 2.2.4 Kết mơ Các kết mô sử dụng để so sánh hệ thống định hướng đa búp sóng đề xuất Hiệu hệ thống thực phương pháp mô Monte-Carlo Hiệu hệ thống massive MIMO đề xuất SNR thay đổi từ 50 ÷50dB với phương pháp tối ưu MVDR, LCMV Frost Beamformer minh họa hình 2.14 (a-b) Kết mơ 11 cho thấy hiệu hệ thống với phương pháp tối ưu có kết tương đương miền SNR thấp SNR cao Giá trị sai số tồn phương trung bình chuẩn hóa NRMSE miền SNR > -20dB với phương pháp cho giá trị < 0.6 minh chứng hệ thống đề xuất có hiệu tốt SNR tăng Khi thay đổi số lượng ăng-ten với phương pháp tối ưu minh họa hình 2.14c Kết mơ cho thấy giá trị sai số tồn phương trung bình chuẩn hóa NRMSE khơng chênh lệch nhiều (trong khoảng 0.37 – 0.42), phương pháp LCMV cho kết tốt phương pháp lại Kết minh chứng hệ thống đề xuất có hiệu đáng tin cậy (a) (b) Hình 2.14 NRMSE theo SNR (a,b), số lượng ăng-ten (c) hệ thống massive MIMO đề xuất (c) 2.3 Đề xuất thuật toán phân nhóm người dùng cách điều khiển băng thơng cho mạng truyền hình số mặt đất hệ 2.3.1 Mơ hình hệ thống Mơ hình tín hiệu 12 Luận án xem xét hệ thống truyền hình mặt đất sử dụng massive MIMO bao gồm trạm gốc (BS) trang bị nhiều ăng-ten phát cấu hình UCA phục vụ Nu trạm di động đơn ăng ten (MS) Hệ thống có khả đồng thời tạo nhiều chùm tia truyền Mỗi chùm trang bị số chuỗi RF hoạt động, Ni với Ni < N Số lượng chùm tia tối đa Nb tương ứng cho số nhóm người dùng di động Chùm #Nb Chùm #1 RF FrontEnd Bộ cân kên h RF FrontEnd Bộ cân kên h Chùm #1 w11 Chùm #Nb Chùm #1 w12 Bộ cân kên h RF FrontEnd N1 w1N1 Chùm #Nb Hình 2.16 Sơ đồ khối mơ hình hệ thống đề xuất Tín hiệu yk nhận người dùng k nhóm g biểu diễn sau: (2.93) Tỷ số tín hiệu can nhiễu tạp âm SINR cho người dùng thứ k phục vụ chùm g cho bởi: 𝐻 √𝑝𝑎 𝑁𝑔 |𝐡𝑘 𝐰𝑔 𝑥𝑘 | (𝑔) SINR 𝑘 = 2 ∑𝑖∈𝐺𝑔 ∖{𝑘} √𝑝𝑎 𝑁𝑔 |𝐡𝐻 𝑝 𝑁 𝐻 𝐰 𝑥 +𝑁0 𝑘 𝐰𝑔 𝑥𝑖 | +∑ 𝑗∈𝐺𝑔 ̅ , √ 𝑎 𝑗 |𝐡𝑘 𝑗 𝑗 | ̅ ∈𝐺∖{𝑔} 𝑔 (2.94) Tổng tốc độ là: 𝑁𝑏 ∑𝑘∈𝐺𝑔 𝑙𝑜𝑔2 (1 + SINR(𝑔) 𝑅 = ∑𝑔=1 𝑘 ) [b/s/Hz] (2.95) Mơ hình kênh 𝛽 𝐡𝑘 = 𝑘 ∑𝐿𝑙=1 𝑒 𝑗𝜑𝑘,𝑙 𝐚(𝜃𝑘 , 𝑙), (2.101) √𝐿 Trong 𝛽𝑘 đại diện cho suy hao đường truyền BS MS, L số lượng phân tán, 𝜑𝑘,𝑙 pha ngẫu nhiên ứng với phân tán l 13 2.3.2 Đề xuất thuật tốn phân nhóm người dùng Luận án đề xuất thuật tốn để nhóm MS thành Nb, mô tả Thuật toán Thuật toán Khởi tạo: 1: Tạo chùm 𝑁𝑏 với phần tử trung tâm chùm tia phân bố đồng tất UCA; 2: 𝑁𝑔 ← 𝑁𝑏_𝑚𝑖𝑛 , 𝑔 = 1,2, … 𝑁𝑏 ; 3: 𝐺 = {𝑧1 , 𝑧2 , … , 𝑧𝑁𝑢 }; 4: 𝐺1 = 𝐺2 = ⋯ = 𝐺𝑁𝑏 = ∅; 5: for 𝑖 = to 𝑁𝑢 6: for 𝑔 = to 𝑁𝑏 (𝑔) (𝑔) 7: Tính tốn 𝐡𝑖 , độ lợi kênh ‖𝐡𝑖 ‖ ; 8: 9: end (𝑔) Tìm 𝑔𝑖∗ = arg max ‖𝐡𝑖 ‖ ; 𝑔 10: Bổ sung MS nhóm 𝐺𝑔𝑖∗ = 𝐺𝑔𝑖∗ ∪ {𝑖}; 11: end 12: for 𝑔 = to 𝑁𝑏 13: for 𝑁𝑔 = 𝑁𝑏_𝑚𝑖𝑛 to 𝑁𝑏_𝑚𝑎𝑥 14: for ∀𝑖 ∈ 𝐺𝑔 (𝑔) 15: Tính 𝐡𝑖 ; 16: 17: 18: Tính SINR 𝑖 ; 19: 20: end (𝑔) Tìm 𝑖𝑔∗ = arg max SINR 𝑖 ; 𝑖 Thiết lập MS𝑖𝑔∗ người dùng trung tâm chùm tia g; for ∀𝑗 ∈ 𝐺𝑔 (𝑔) (𝑔) Tính ∠ (𝐡𝑗 𝐡𝑖𝑔∗ ), 𝑗 ≠ 𝑖𝑔∗ ; 21: 22: 23: 24: 25: (𝑔) end (𝑔) (𝑔) Tìm 𝑗𝑔∗ = arg max ∠ (𝐡𝑗 𝐡𝑖∗ ); 𝑔 𝑗 if (𝑔) SINR 𝑗𝑔∗ < 𝜖 break end 14 26: end Output: 𝑁𝑔 , tập MSs 𝐺1 , 𝐺2 , … , 𝐺𝑁𝑏 2.3.3 Kết mơ Hình 2.19 Tổng tốc độ so với Hình 2.20 Tổng tốc độ với số lượng chùm tia ban đầu số lượng người dùng kỹ thuật định hướng búp kỹ thuật định hướng búp sóng khác sóng khác Hiệu thuật tốn đề xuất tổng tốc độ so với số lượng MS kỹ thuật định hướng búp sóng khác minh họa hình 2.19 Tổng tốc độ so với số lượng chùm tia ban đầu minh họa hình 2.20 Khi khơng sử dụng thuật tốn phân nhóm người dùng băng thơng phân bố cho chùm tia, số lượng chùm tia tăng băng thơng cho nhóm giảm Dựa kết mơ thấy tổng tốc độ tăng theo số lượng chùm tia ba trường hợp SNR MS phục vụ hiệu với thuật tốn điều khiển băng thơng đề xuất 2.4 Kết luận chương Trong chương này, hệ định hướng đa búp sóng có quy mơ lớn phân tích thiết kế theo cách tiếp cận tối ưu hệ thống sở xem xét tác động có tính chất hệ thống Sau luận án đưa giải pháp nâng cao hiệu truyền dẫn hệ thống DVBNGH cách sử dụng mơ hình, kiến trúc hệ thống định hướng đa búp sóng với ăng-ten mảng cách hình trụ thuật tốn phân nhóm người dùng cách điều khiển băng thông Trong hệ thống định hướng đa búp sóng luận án sử dụng số tiêu chí tối ưu bền vững để khai thác kênh giảm thiểu can nhiễu người dùng tế bào Kết nghiên cứu đạt thực tế độ tin cậy, hiệu 15 định dựa mơ Matlab cho số mơ hình kênh truyền dẫn sử dụng phương pháp tối ưu MVDR, LCMV, Frost Beamformer Trong phần luận án đề xuất thuật tốn phân nhóm người dùng điều khiển băng thơng để tối ưu hóa tổng tốc độ hệ thống cách khai thác phụ thuộc độ rộng chùm tia theo phương thẳng đứng, phương nằm ngang độ định hướng mảng với số lượng phần tử ăng-ten Tổng tốc độ hệ thống định hướng đa búp sóng dựa thuật tốn đề xuất với phương pháp ZF, MRT Hybrid đánh giá thơng qua mơ Nó định hướng búp sóng ZF hiệu tổng tốc độ so với kênh tương quan định hướng búp sóng lai đánh đổi tốt độ phức tạp phần cứng hiệu hệ thống Các kết nghiên cứu công bố [1, 2, 4] danh mục cơng trình cơng bố luận án Chương 3: Giải pháp cải thiện dung lượng hệ thống DVBNGH phương pháp định hướng búp sóng lai ghép kênh không gian MIMO phân cực kép 3.1 Mô hình tín hiệu phát thu hệ thống DVB-NGH MIMO định hướng búp sóng lai số-tương tự Trong phần này, luận án mô tả sơ đồ định hướng búp sóng lai để cải thiện hiệu suất hệ thống phát sóng DVB-NGH ghép kênh khơng gian MIMO phân cực kép Sơ đồ khối MIMO phân cực kép ghép kênh khơng gian định hướng búp sóng tương tự cho hệ thống DVB-NGH trình bày hình 3.1 Vh BI DMUX (1) MAP Tiền mã hóa MIMO anten phân cực kép Xen kẽ T/C/F OFDM DAC RFh Xen kẽ T/C/F OFDM DAC RFv S MAP Vh M Tiền mã hóa số Tiền mã hóa tương tự (K) BI Vh MAP MAP Tiền mã hóa MIMO anten phân cực kép Xen kẽ T/C/F OFDM DAC Xen kẽ T/C/F OFDM DAC RFh S DMUX Khối BICM PLPK FEC d Luồng liệu Phân chia luồng liệu PLP1 FEC Khối BICM Vh RFv M (a) Bộ phát 16 Vh Giải mã BICM deMAP Giải mã OFDM Giải xen kẽ T/C/F ADC Giải mã OFDM Giải xen kẽ T/C/F ADC RFv BDI PLP1 PLPK Bộ giải mã MaximumLikelihood FEC Giải xen kẽ T/C/F deMAP FEC Giải mã OFDM Giải mã MaximumLikelihood MUX ADC Bộ định hướng búp sóng tương tự RFh Vh Giải xen kẽ T/C/F Giải mã BICM Giải mã MaximumLikelihood deMAP deMAP BDI RFv Vh Giải mã OFDM Vh ADC MUX RFh (b) Bộ thu Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống DVB-NGH MIMO định hướng búp sóng lai số-tương tự 3.2 Mơ hình định hướng đa búp sóng Tiền mã hóa theo phương thức định hướng đa búp sóng phát thực tổng tín hiệu có trọng số Vector tín hiệu phát thời điểm i là: ∗ 𝐻 (𝑘) (𝑘) (𝑘) (𝑘) 𝑠𝑛 [𝑖] = ∑𝑀−1 𝑚=0 (𝑤𝑛,𝑚 ) 𝑦𝑛 [𝑖] = (𝑤𝑛 ) 𝑦𝑢 [𝑖] (𝑘) (𝑘) (3.1) (𝑘) đó: 𝑊 (𝑘) = [𝑤0 , 𝑤1 , … , 𝑤𝑁𝑇 −1 ] biểu diễn ma trận hệ số định hướng người dùng k, vector định hướng: (𝑘) (𝑘) (𝑘) (𝑘) (𝑘) (𝑤𝑖 )𝐻 = [(𝑤𝑖,0 )∗ , (𝑤𝑖,1 )∗ , … , (𝑤𝑖,𝑀−1 )∗ ] = [(𝑤𝑖 )𝑇 ]∗ (3.2) 3.3 Mơ hình kênh Mơ hình kênh MIMO biểu diễn sau: ℎ1,1 𝑟1 𝑟2 ℎ [ ⋮ ] = 2,1 ⋮ 𝑟𝑁𝑅 [ℎ𝑁𝑅 ,1 ℎ1,2 … ℎ1,𝑁𝑇 𝑠1 𝑛1 𝑠2 𝑛2 ℎ2,𝑁𝑇 ℎ2,2 ⋯ [ ⋮ ]+[ ⋮ ] ⋮ ⋱ ⋮ 𝑛𝑁𝑅 ℎ𝑁𝑅 ,2 … ℎ𝑁𝑅 ,𝑁𝑇 ] 𝑠𝑁𝑇 𝑇 (3.3) 𝐫 = (𝑟1 , 𝑟2 , … , 𝑟𝑁𝑅 ) tập tín hiệu nhận từ NR anten thu người dùng di động MS (mobile station) 17 3.4 Phương pháp định hướng búp sóng lai ghép kênh không gian phân cực kép 3.4.1 Thiết kế tiền mã hóa số tương tự ứng dụng MIMO phân cực kép máy phát DMUX S(k) S2(k) MAP MAP Tiền mã hóa MIMO cos sin sin cos Hiệu chỉnh công suất S1(k) X1(k) X2(k) Hình 3.2 Bộ tiền mã hóa MIMO phân cực kép Các ký tự liệu mã hóa ST (Space-time) với cơng suất khơng viết là: 𝐱 (𝑘) = 𝚿𝚯𝐏𝐬 (𝑘) , (3.9) 3.4.2 Thiết kế máy thu ứng dụng mã hóa MIMO rate-2 3.4.2.1 Máy thu Tín hiệu nhận cho tất K ký tự liệu 𝒓 = [𝑟1 , 𝑟2 , … 𝑟𝐾 ]𝑇 , biểu diễn là: 𝒓 = √𝑆𝑁𝑅𝐇𝐀𝐃𝒙 + 𝐧 = √𝑆𝑁𝑅𝐇𝐆𝒙 + 𝐧 , ̅ 𝑘 = [ℎ11 , ℎ12 , … ℎ𝑘𝑀 ] ∈ ℂ1×𝑀 , 𝒉 ̅ 𝑘 , 𝟎1×𝑀(𝐾−𝑘) ] ∈ ℂ1×𝐾𝑀 , 𝒉𝑘 = [𝟎1×𝑀(𝑘−1) , 𝒉 𝐇 = [𝒉1 , 𝒉2 , … 𝒉𝐾 ] ∈ ℂ𝐾×𝐾𝑀 biểu diễn sau: (3.18) (3.19) Bộ tiền mã hóa tương tự A máy thu biểu diễn dạng ma trận sau: ̅1 𝟎 ⋯ 𝟎 𝒂 ̅2 ⋮ 𝟎 𝟎 𝒂 𝐀=[ (3.20) ] ⋱ ⋮ ⋮ ⋮ ̅𝐾 ⋮ 𝒂 𝟎 𝟎 18 3.4.2.2 Hiệu hệ thống Cơng suất ergodic biểu thị dạng chung [99] 𝐶𝐻 = 𝔼𝐇 [ max 𝐐:𝑇𝑟(𝐐)=𝑃 𝑙𝑜𝑔2 |𝐈𝑀 + 𝑆𝑁𝑅𝐇𝐐𝐇𝐻 |] (3.23) Trong hiệp phương sai liệu đầu vào, 𝐐 viết là: 𝐐 = 𝐆𝐆𝐻 (3.24) 3.4.2.3 Ứng dụng mã hóa MIMO rate-2 DVB-NGH Trong phần này, luận án mô tả ghép kênh không gian MIMO định DVB-NGH dạng mã hóa MIMO rate2 Thuật ngữ “rate-2” viết tắt việc truyền hai luồng độc lập Mã hóa MIMO rate-2 DVB-NGH sử dụng bố trí ăng ten phân cực chéo (ăng-ten có phân cực trực giao) với hai ăng-ten phát hai ăng-ten thu (hệ thống MIMO × 2) Khi hệ thống DVB-NGH MIMO sử dụng N ăng-ten phát M ăng-ten thu, tín hiệu thu phía máy thu biểu diễn dạng 𝑗𝜙𝑘−1 𝑟𝑘 = ∑𝑁 ℎ𝑖𝑘 𝑥 + 𝐴𝑘−1 𝑒 𝑗𝜙𝑘−1 𝑛𝑘 ), 𝑖=1(𝐴𝑘−1 𝑒 (3.30) đầu định hướng búp sóng tương tự thể 𝑦𝑘 = ∑𝑀 𝑖=1 𝑟𝑘 , (3.31) V y (h) r1 h 01 V Ăng-ten # y^ (h) MUX r2 A1 Giải mã Maximum-Likelihood Ăng-ten # ^ S h Hình 3.3 Sơ đồ thu DVB-NGH MIMO rate-2 3.5 Kết mô Trong phần luận án trình bày hiệu suất BER hệ thống đề xuất phương pháp mô Monte-Carlo Mô ước lượng tốc độ liệu hệ thống so với tỷ lệ tín hiệu nhiễu tỷ lệ lỗi bit (BER) so với Eb/No Bảng 3.3 cho thấy hai trường hợp nghiên cứu xem xét để đánh giá hiệu suất hệ thống đề xuất 19 Bảng 3.3 Các trường hợp mô STT Mô BER cho chế độ MIMO rate-2, FFT 8K/16K, chòm 64 256-QAM Tốc độ liệu cho chế độ MIMO rate-2 Ns = 4, chế độ 16k FFT, 64-QAM Tỷ lệ lỗi bit (BER) so với Eb/No với giá trị M khác biểu thị hình 3.4 Luận án đánh giá tất kết hợp chòm 64-QAM 256-QAM với kích thước FFT 8K 16K Dựa kết mô luận án nhận thấy tăng tỷ số Eb/No tỷ lệ lỗi bit BER giảm, rõ ràng hiệu hệ thống tăng đáng kể cơng suất tăng Ngồi ra, số liệu cho thấy với điều chế 64-QAM hay 256QAM số lượng ăng-ten, tăng kích thước FFT từ 8K lên 16K tỷ lệ lỗi bit BER giảm, điều thể rõ ràng đặc biệt mức tăng công suất khoảng 10dB với trường hợp M =1 Đối với trường hợp M =4 điều chế 64-QAM hiệu hệ thống tốt đạt mức tăng công suất khoảng 7,5dB cho trường hợp MIMO rate-2, kích thước 16 FFT Theo kết minh họa hình 3.4b hình 3.4c cho thấy tăng cơng suất đến mức độ định (khoảng dB hình 3.4c) việc tăng kích thước FFT lên 16K 256-QAM có tỷ lệ lỗi bit BER nhỏ 8K 64-QAM, điều xác suất lỗi bit có giới hạn, đến giá trị SNR ngưỡng SNR tăng xác suất lỗi bit không giảm cần tham số tăng kích thước FFT để giảm xác suất lỗi bit BER xuống Vì MIMO rate-2 hiệu hệ thống cải thiện đáng kể tăng số lượng ăng-ten kích thước FFT 20 a BER Eb/No cho sơ đồ điều chế khác nhau, ăng ten phát M=1 c BER Eb/No cho sơ đồ điều chế khác nhau, ăng ten phát M=4 b BER Eb/No cho sơ đồ điều chế khác nhau, ăng ten phát M=2 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 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, Hiệu hệ thống DVB-NGH MIMO rate-2 minh họa hình 3.5 đánh giá tỷ lệ lỗi BER với Eb / No cách sử dụng điều chế 256-QAM kích thước FFT 16K với 21 ăng-ten truyền khác Kết minh chứng hiệu hệ thống DVB-NGH tăng lên đáng kể số lượng ăngten phát sử dụng tăng Tiếp theo, luận án đánh giá hệ thống DVB-NGH sử dụng ghép kênh không gian MIMO phân cực kép đề xuất với cấu trúc eSM-PH Tốc độ liệu đạt với ăng-ten phát M = 1, 2, 4, khác chế độ MIMO rate-2 (Ns = 2) MIMO rate-4 (Ns = 4) với sơ đồ điều chế 64-QAM mã hóa LDPC 8/15 minh họa hình 3.6 hình 3.7 Các kết mô cho thấy tốc độ liệu hệ thống DVB-NGH hai trường hợp MIMO rate-2 MIMO rate-4 tăng số lượng ăng-ten phát tăng Hình 3.7 Tốc độ liệu đạt với ăng-ten phát khác chế độ MIMO rate-4 với sơ đồ điều chế 64QAM mã hóa LDPC 8/15 Cuối cùng, luận án mô mô hình búp sóng tạo búp sóng lai đề xuất với hai chuỗi RF (Ns = 2), số lượng ăng-ten MT = 8, MR = (Hình 3.8a) bốn chuỗi RF (Ns = 4), số lượng ăng-ten MT = 16, MR = (Hình 3.8b) Kết mơ minh chứng tạo búp sóng tối ưu hóa thơng qua có búp sóng chiếm ưu luồng liệu truyền thành cơng thơng qua chùm Hình 3.6 Tốc độ liệu đạt với ăng-ten phát khác chế độ MIMO rate-2 với sơ đồ điều chế 64QAM mã hóa LDPC 8/15 22 (b) (a) Hình 3.8 Mơ hình búp sóng sơ đồ tạo chùm tia đề xuất: (a) MT = 8, MR = cho chế độ MIMO rate-2; (b) MT = 16, MR = cho chế độ MIMO NS = 3.6 Kết luận chương Trong chương này, luận án phát triển sơ đồ định hướng búp sóng dựa định hướng búp sóng lai ghép kênh không gian MIMO phân cực kép cho hệ thống DVBNGH Trong phương pháp đề xuất, sơ đồ định hướng búp sóng tối đa hóa dung lượng kênh hệ thống DVB-NGH dựa MIMO Kết mô cho thấy định hướng búp sóng lai đề xuất hiệu để đạt công suất cao so với ghép kênh không gian MIMO phân cực kép có cho hệ thống DVB-NGH Việc đánh giá hiệu theo tỷ lệ lỗi bit, dung lượng kênh ergodic mẫu búp sóng cho thấy sơ đồ định hướng búp sóng lai đề xuất sử dụng phương pháp định hướng búp sóng số tương tự ghép kênh khơng gian MIMO phân cực kép cho hệ thống DVB-NGH tối ưu hóa thơng qua búp sóng chiếm ưu Mặc dù số kết đạt được, số vấn đề thách thức phải giải quyết, ví dụ, giảm kích thước vật lý Do đó, nghiên cứu thực tối ưu hóa định hướng búp sóng lai để áp dụng cho máy thu cầm tay hệ thống DVB-NGH Các kết nghiên cứu công bố [3] danh mục cơng trình cơng bố luận án 23 KẾT LUẬN Với mục đích nghiên cứu phương thức tối ưu hóa truyền dẫn ứng dụng hệ thống truyền hình số mặt đất hệ mới, nghiên cứu sinh hoàn thành mục tiêu nghiên cứu đề Trong trình thực luận án, nghiên cứu sinh có số đóng góp khoa học mới, cụ thể sau: (i) Đề xuất mơ hình, kiến trúc tối ưu hiệu suất hệ thống DVB-NGH định hướng đa búp sóng sử dụng ăng-ten mảng hình trụ (ii) Đề xuất thuật tốn phân nhóm người dùng cách điều khiển băng thơng cho mạng truyền hình số mặt đất hệ (iii) Đề xuất mơ hình, kiến trúc cải thiện dung lượng hệ thống DVB-NGH phương pháp định hướng búp sóng lai ghép kênh khơng gian MIMO phân cực kép Với đóng góp khoa học nêu trên, luận án sở để nghiên cứu, phát triển cho hệ thống truyền hình số mặt đất hệ tương lai Các vấn đề cần nghiên cứu tiếp Hiện nay, kết đạt luận án mô máy tính Để tiếp tục nghiên cứu, phát triển kết đạt được, mở rộng phạm vi nghiên cứu ứng dụng thực tế, thời gian tới hướng nghiên cứu luận án đề xuất sau: (i) Về mặt lý thuyết: Nghiên cứu định hướng búp sóng trường hợp ước lượng kênh không lý tưởng, vấn đề nâng cao độ bền vững định hướng búp sóng phát trường hợp thu dịch chuyển (ii) Về khía cạnh kỹ thuật ứng dụng: Ứng dụng kỹ thuật massive MIMO định hướng búp sóng lai vào thực tế để nâng cao hiệu truyền dẫn mạng truyền hình số mặt đất hệ 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyen Huu Trung, Nguyen Thuy Anh, Nguyen Minh Duc, Doan Thanh Binh, Le Trung Tan (2017), “System theory based Multiple-Beamforming”, Vietnam Journal of Science and Technology, vol 55, no 5, pp 637-649 DOI: 10.15625/2525-2518/55/5/9149 Le Trung Tan, Nguyen Huu Trung, Thai Trung Kien (2018), “Robust multiple beamforming massive MIMO system based on cylindrical antenna arrays”, Tạp chí nghiên cứu khoa học công nghệ quân sự, pp 83-95 http://www.jmst.info/archives/cac-so-nam2018/sodacsancnttthang11nam2018 Huu Trung Nguyen, Trung Tan Le and Trung Hien Nguyen (2020), “Capacity improvement for DVB-NGH with dual-polarized MIMO spatial multiplexing and Hybrid beamforming”, Hindawi, International Journal of Digital Multimedia Broadcasting, Volume 2020, Article ID 9578521 (Tạp chí ISI) https://doi.org/10.1155/2020/9578521 Trung Tan Le, Trung Hien Nguyen and Huu Trung Nguyen (2021), “User Grouping for Massive MIMO Terrestrial Broadcasting Networks”, 2020 IEEE Eighth International Conference on Communications and Electronics (IEEE ICCE 2020), pp 467-471, Article ID 1570640654 ... đa búp sóng ứng dụng cho truyền hình số mặt đất hệ (ii.) Nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao hiệu truyền dẫn, cải thiện dung lượng cho hệ thống truyền hình số mặt đất hệ Đối tượng, phạm vi nghiên... mơ hình định hướng búp sóng Căn vào phân tích chương này, luận án tiếp tục sâu nghiên cứu, phân tích, đánh giá giải pháp nâng cao hiệu hệ thống truyền hình số mặt đất hệ Chương 2: Giải pháp nâng. .. thiện hiệu lớp truyền dẫn hệ thống sở tham chiếu tới công bố luận án trước Sau đưa định hướng giải pháp nâng cao hiệu cải thiện dung lượng hệ thống truyền hình hệ sử dụng cơng nghệ MIMO, MIMO