Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Thuật toán tách sóng giải mã P-LDPC cho hệ thống MIMO cỡ lớn ADC độ phân giải thấp - Đặng Ngọc Hùng

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- ĐẶNG NGỌC HÙNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TÁCH SÓNG VÀ GIẢI MÃ P-LDPC CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2022 BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- ĐẶNG NGỌC HÙNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN TÁCH SÓNG VÀ GIẢI MÃ P-LDPC CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP CHUYÊN NGÀNH : HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: 9.04 LUẬN ÁN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Trung Hiếu HÀ NỘI - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan dưới đây là luận án tốt nghiệp của riêng tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Văn Thủy – Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông và PGS. Nguyễn Trung Hiếu – Trường đại học Đông Nam Na Uy.

Tất cả những kết quả và số liệu trong luận án này là trung thực và có được từ những nghiên cứu mà tôi và nhóm thực hiện trong quá trình làm luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Nghiên cứu sinh Đặng Ngọc Hùng i LỜI CẢM ƠN Tôi tin rằng luận án này không thể hoàn thành nếu không có sự giúp đỡ tận tình của những cá nhân, tổ chức sau đây. Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất tới hai thầy hướng dẫn của tôi là PGS. Nguyễn Văn Thủy và PGS.

Nguyễn Trung Hiếu vì sự hướng dẫn tận tình, những lời khuyên, sự lắng nghe và khích lệ trong quá trình thực hiện luận án. Các thầy không chỉ truyền cho tôi các kiến thức chuyên môn mà còn giúp tôi cải thiện nhiều kỹ năng trong nghiên cứu khoa học và cuộc sống. Tôi sẽ không quên khoảng thời gian dài cùng các thầy thực hiện các thử nghiệm, thu thập kết quả và mô phỏng. Các buổi thảo luận thường xuyên vào mỗi tối và các buổi diễn tập cho bài thuyết trình bằng tiếng Anh.

Các thầy đã định hướng, hướng dẫn và giúp tôi chỉnh sửa các bài báo cũng như bản thảo luận án tiến sĩ này. Tôi đã học hỏi được rất nhiều điều, một lần nữa, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy hướng dẫn của tôi. Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo, các thầy, cô giáo của Khoa Đào tạo Sau đại học, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến Quỹ đổi mới sáng tạo VINGROUP (VINIF), Viện nghiên cứu dữ liệu lớn (VINBIGDATA), đã chấp nhận hồ sơ ứng tuyển và tài trợ học bổng đào tạo Tiến sĩ trong nước cho tôi.

Đây là nguồn kinh phí thiết thực, giúp tôi tập trung vào công việc nghiên cứu và hoàn thành đúng hạn chương trình nghiên cứu sinh của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo và các đồng nghiệp tại Khoa Công nghệ thông tin 1, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, đã giúp đỡ, tạo điều kiện công tác thuận lợi, giúp tôi tập trung hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình, đặc biệt là hai con nhỏ Kent và Bon đã luôn bên cạnh giúp tôi vượt qua những khó khăn, thách thức trong suốt quá trình làm luận án. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Nghiên cứu sinh ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT.v DANH MỤC KÝ HIỆU.vii DANH MỤC HÌNH VẼ.

x DANH MỤC BẢNG. xii MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP SỬ DỤNG MÃ P-LDPC. Công nghệ đa đầu vào đa đầu ra (MIMO).7 Dung lượng kênh.

8 Mô hình hệ thống MIMO. Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC).10 Hoạt động của bộ ADC. 10 Độ phân giải của bộ ADC.14 Hiệu năng của các mã protograph LDPC.16 Thiết kế mã protograph LDPC.18 Đánh giá hiệu năng giải pháp mã P-LDPC. Các nghiên cứu liên quan.

22 Bộ ADC độ phân giải thấp (1 đến 2 bit).23 Mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng.25 Thuật toán tách sóng và giải mã phía thu. Kết luận chương. ĐỀ XUẤT BỘ ADC ĐỒNG NHẤT ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP CHO HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN. Mô hình hệ thống.

Bộ ADC độ phân giải thấp. Bộ tách sóng tín hiệu kết hợp tỉ lệ tối đa (MRC). Tối ưu hóa lượng tử đồng nhất.37 Lượng tử hóa tối ưu đồng nhất cho ADC độ phân giải thấp.38 Lượng tử tối ưu hóa đồng nhất cho T-ADC. Mô phỏng và đánh giá.

Kết luận chương. THIẾT KẾ MÃ P-LDPC CHO HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP. Hiệu năng mã LDPC trong hệ thống truyền thông LS-MIMO.48 Mô hình hệ thống.48 Bộ ADC đồng nhất 1-bit tối ưu.49 Thuật toán tách sóng và giải mã P-LPDC kết hợp.51 Mô phỏng và đánh giá kết quả. Thiết kế mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng.61 Bài toán thiết kế mã P-LDPC.63 iii Thiết kế mã P-LDPC cho LS-MIMO với bộ ADC tối ưu 1-bit.65 Mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết luận chương. THUẬT TOÁN TÁCH SÓNG VÀ GIẢI MÃ P-LDPC CHO HỆ THỐNG LS-MIMO VỚI ADC HỖN HỢP. Mô hình hệ thống.72 Thông điệp 𝜶 được truyền từ nút giám sát tới nút ký hiệu. Thuật toán tách sóng và giải mã P-LDPC cho LS-MIMO với ADC hỗn hợp.75 Thông điệp 𝒂 được truyền từ nút biến tới nút kiểm tra.78 Thông điệp 𝒃 được truyền từ các nút kiểm tra tới nút biến.79 Thông điệp 𝜷 được truyền từ các nút ký hiệu tới nút giám sát.79 Thông điệp hậu nghiệm 𝚪 của các bít từ mã.

Thuật toán PEXIT đề xuất cho hệ thống LS-MIMO với ADC hỗn hợp.81 Đồ thị hai lớp MIMO và Protograph LDPC kết hợp.82 Luồng thông tin tương hỗ thuận.84 Luồng thông tin tương hỗ nghịch.87 Thông tin tương hỗ APP.89 Thuật toán PEXIT đề xuất cho các hệ thống truyền thông LS-MIMO với ADC hỗn hợp. Đánh giá thuật toán ADC-Mixed-LS-MIMO-PEXIT. Mô phỏng hệ thống với bộ thu tách sóng và giải mã P-LDPC kết hợp. Kết luận chương.

103 Những đóng góp chính. 103 Nghiên cứu trong tương lai.104 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.107 TÀI LIỆU THAM KHẢO.125 iv DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 1G 1𝑠𝑡 Generation Networks Mạng di động thế hệ đầu tiên 4G 4𝑡ℎ Generation Networks Mạng di động thế hệ thứ 4 5G 5𝑡ℎ Generation Networks Mạng di động thế hệ thứ 5 Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự ADC Analog To Digital Converter sang số APP A Posterior Probability Xác suất hậu nghiệm AQNM Addition Quantization Noise Model Mô hình nhiễu lượng tử cộng AR3A Accumulate Repeat-3 and Accumulate Mã tích lũy và lặp 3 AWGN Additive White Gauss Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BI-AWGN Binary Input AWGN Kênh AWGN đầu vào nhị phân BS Base Station Trạm gốc BP Belief Propagation Lan truyền độ tin cậy BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh Bộ chuyển đổi tín hiệu số sang DAC Digital to Analog Converter tương tự DE Density Evolution Tăng trưởng mật độ EE Energy Efficiency Hiệu quả năng lượng EXIT Extrinsic Information Transfer Truyền thông tin ngoại lai FER Frame Error Rate Tỷ lệ lỗi khung Institute of Electrical and Electronics IEEE Hội Kỹ sư Điện và Điện tử Engineers v LDPC Low Density Parity Check Code Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp vi LLR Log Likelihood Ratio Tỷ lệ hàm log độ tin cậy Large-Scale Multiple Input Multiple Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra cỡ LS-MIMO Output lớn Large-Scale Multiple Input Multiple Thuật toán truyền thông tin ngoại LS-MIMO- Output Protograph Extrinsic lai sử dụng protograph cho hệ PEXIT Information Transfer thống MIMO cỡ lớn Thuật toán truyền thông tin ngoại Mixed-ADC- Mixed ADC Large-Scale Multiple lai sử dụng protograph cho hệ LS-MIMO- Input Multiple Output Protograph thống MIMO cỡ lớn với ADC hỗn PEXIT Extrinsic Information Transfer hợp MIMO Multiple Input Multiple Output Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra MIMO-MU MIMO Multiple User Hệ thống MIMO đa người dùng MIMO-SU MIMO Single User Hệ thống MIMO đơn người dùng ML Maximum Likelihood Tách sóng hợp lệ tối đa Lỗi bình phương trung bình tối MMSE Minimum Mean Square Error thiểu PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất P-LDPC Protograph LDPC Mã LDPC dựa trên đồ thị cơ sở Thuật toán tăng trưởng cạnh lũy PEG Progressive edge-growth tiến Protograph Extrinsic Information Truyền thông tin ngoại lai dựa trên PEXIT Transfer protograph QC Quasi-Cyclic Bán tuần hoàn RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SE Spectrum Efficiency Hiệu suất phổ SNR Signal To Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu T-ADC Ternary-ADC Bộ ADC bậc ba Vertical – Bell Labs Layered Space- Phân lớp không gian thời gian theo V-BLAST Time chiều dọc của Bell Labs ZF Zero Forcing Tách sóng cưỡng bức về không vii DANH MỤC KÝ HIỆU 𝑎 Giá trị LLR ngoại lai từ nút biến đến nút kiểm tra 𝑏 Giá trị LLR ngoại lai từ nút kiểm tra nên nút biến 𝒃 Từ mã đầu vào bộ mã hóa 𝒃̂ Từ mã thông tin giải mã ở phía thu 𝑩 Ma trận cơ sở của mã Protograph LDPC 𝒄 Từ mã đầu ra bộ mã hóa 𝐶 Dung lượng kênh 𝒞𝑁 ×𝑀 Không gian phức 2 chiều 𝒞𝒩 (0, Phân phối Gauss phức với trung bình không và phương sai 𝑁0 𝑁0 ) 𝑒𝑠,𝑝 Số cạnh kết nối giữa nút kiểm tra s và nút biến b trong ma trận protograph 𝐸𝑏/𝑁𝑜 Tỷ lệ năng lượng bit trên nhiễu 𝑓𝑟(. ) Hàm ràng buộc trong bài toán tối ưu 𝑭 Số ma trận kênh trong thuật toán tìm kiếm 𝑮𝐿𝐷𝑃𝐶 Ma trận sinh của mã ℎ(𝑛, 𝑚) Hệ số kênh từ ăng ten phát m đến ăng ten thu n 𝑯 Ma trận kênh 𝑯𝑻 Ma trận chuyển vị của ma trận kênh H 𝑯𝐿𝐷𝑃𝐶 Ma trận kiểm tra chẵn lẻ 𝐼𝐴𝑃𝑃 Thông tin tương hỗ của xác suất hậu nghiệm 𝐼(𝑥, 𝑦) Thông tin tương hỗ của tín hiệu truyền đi x và tín hiệu nhận được y Thông tin tương hỗ ngoại lai giữa giá trị LLR được gửi bởi nút biến thứ 𝑝 𝐼𝑎[𝑝, 𝑠] tới nút kiểm tra thứ 𝑠 và bit mã hóa tương ứng thứ 𝑝 𝐼𝑏[𝑠, 𝑝] 𝑠 đến nút biến thứ 𝑝 và bit mã hóa tương ứng thứ 𝑝 Thông tin tương hỗ ngoại lai giữa giá trị LLR được gửi bởi nút kiểm tra thứ viii Thông tin tương hỗ ngoại lai giữa giá trị LLR được gửi bởi quan sát thứ 𝑛 𝐼𝛼[𝑛, 𝑚] nút đến nút biến thứ 𝑚 và bit mã hóa tương ứng thứ 𝑚. Thông tin tương hỗ ngoại lai giữa giá trị LLR được gửi bởi biến thứ 𝑚 𝐼𝛽[𝑚, 𝑛] đến nút quan sát thứ 𝑛 và bit mã hóa tương ứng thứ 𝑚 𝐼𝑡𝑒𝑟𝑚𝑎𝑥 Số lần lặp giải mã tối đa 𝐽(.

) Hàm tính thông tin tương hỗ xấp xỉ 𝐽(.