Luận án tiến sĩ kỹ thuật tách tín hiệu đường lên trong hệ thống Massive MIMO - Học viện Kỹ thuật Quân sự

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN THANH BÌNH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TÁCH TÍN HIỆU ĐƯỜNG LÊN TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2020 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN THANH BÌNH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TÁCH TÍN HIỆU ĐƯỜNG LÊN TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 9 52 02 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ MINH TUẤN TS NGUYỄN VĂN GIÁO HÀ NỘI - 2020 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày 26 tháng 5 năm 2020 Tác giả Nguyễn Thanh Bình luan an LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, nghiên cứu sinh đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu.

Lời đầu tiên nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng cảm ơn đặc biệt đến các Thầy giáo hướng dẫn khoa học là TS Lê Minh Tuấn và TS Nguyễn Văn Giáo. Các Thầy đã luôn kiên nhẫn, tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu và giúp đỡ nghiên cứu sinh hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh xin ghi nhớ công ơn, sự tận tình giúp đỡ và hỗ trợ về chuyên môn của TS Ngô Vũ Đức. Nhóm nghiên cứu do Thầy và Thầy Lê Minh Tuấn tổ chức tại Trung tâm Nghiên cứu và phát triển, tập đoàn Mobifone đã tạo môi trường nghiên cứu khoa học tuyệt vời, giúp nghiên cứu sinh từng bước tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học, trau dồi khả năng tư duy một cách khoa học.

Nghiên cứu sinh cũng chân thành cảm ơn các Thầy giáo trong Bộ môn Thông tin, Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong thời gian nghiên cứu sinh nghiên cứu tại đây. Tiếp theo Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Phòng Sau đại học - Học viện Kỹ thuật Quân sự, Trường Sĩ Quan Thông Tin, Binh chủng Thông Tin Liên Lạc đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để nghiên cứu sinh học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận án. luan an MỤC LỤC MỤC LỤC.

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. v DANH MỤC HÌNH VẼ. ix DANH MỤC BẢNG. xiv DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC.

xv MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VỀ MASSIVE MIMO. Mô hình hệ thống. Nguyên lý làm việc.

Phân biệt Massive MIMO và MIMO đa người dùng. Tách tín hiệu trong các hệ thống Massive MIMO. Tách tín hiệu tuyến tính. Tách tín hiệu dựa trên kỹ thuật phân rã QR.

Tách tín hiệu triệt nhiễu nối tiếp BLAST. Độ phức tạp tính toán của bộ tách tín hiệu. Bối cảnh nghiên cứu. Các thách thức cần giải quyết.

30 i luan an ii 1. ĐỀ XUẤT CÁC BỘ TÁCH TÍN HIỆU DỰA TRÊN THUẬT TOÁN TÁCH TÍN HIỆU THEO NHÓM. Đề xuất thuật toán tách tín hiệu theo nhóm GD. Xây dựng các bộ tách tín hiệu dựa trên thuật toán tách tín hiệu theo nhóm.

Bộ tách tín hiệu ZF-GD và MMSE-GD. Bộ tách tín hiệu ZF-IGD và MMSE-IGD. Bộ tách tín hiệu BLAST-GD và BLAST-IGD. Phân tích độ phức tạp.

Độ phức tạp của bộ tách ZF-GD và BLAST-GD. Độ phức tạp của các bộ tách ZF-IGD và BLAST-IGD. So sánh phẩm chất lỗi bít. ĐỀ XUẤT CÁC BỘ TÁCH TÍN HIỆU XÂY DỰNG TRÊN HỆ THỐNG MỞ RỘNG TƯƠNG ĐƯƠNG.

Xây dựng các bộ tách tín hiệu dựa trên thuật toán tách tín hiệu theo nhóm suy rộng-GGDex. Đề xuất thuật toán GGDex. Xây dựng các bộ tách tín hiệu dựa trên thuật toán GGDex. Phân tích độ phức tạp.

65 luan an iii 3. So sánh phẩm chất lỗi bít. Xây dựng các bộ tách tín hiệu dựa trên thuật toán tách tín hiệu theo nhóm song song. Đề xuất các bộ tách tín hiệu dựa trên thuật toán PGD.

Phân tích độ phức tạp tính toán. So sánh phẩm chất lỗi bít. XÂY DỰNG CÁC BỘ TÁCH TÍN HIỆU CÓ SỰ HỖ TRỢ CỦA RÚT GỌN DÀN. Tổng quan về tách tín hiệu có sự hỗ trợ của rút gọn dàn.

Định nghĩa dàn và rút gọn dàn. Tách tín hiệu tuyến tính có sự hỗ trợ của rút gọn dàn. Xây dựng bộ tách MMSE trên mô hình kết hợp GGD-SLV. Thuật toán GGD.

Bộ tách tín hiệu MMSE- GGD-SLV. Phân tích độ phức tạp. So sánh phẩm chất lỗi bít. Xây dựng các bộ tách dựa trên mô hình kết hợp PGD-SLB.

Bộ tách ZF-PGD-SLB. Bộ tách QRD-PGD-SLB. Phân tích độ phức tạp. 110 luan an iv 4.

So sánh phẩm chất lỗi bít. 117 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI. 120 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 129 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

131 luan an DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc ECDF Empirical Cummulative Hàm phân bố tích lũy kinh Distribution Function nghiệm ELR Element based Lattice Re- Rút gọn dàn dựa trên các duction phần tử FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số flop Float Point Operation Phép tính dấu phẩy động GD Group Detection Tách tín hiệu theo nhóm GGD Generalized Group Detec- Tách tín hiệu theo nhóm tion suy rộng GGDex Generalized Group Detec- Tách tín hiệu theo nhóm tion on extended system suy rộng trên hệ thống mở rộng tương đương v luan an vi GSM Generalized Spatial Modu- Điều chế không gian suy lation rộng i.d identical independent dis- Độc lập và phân bố đồng tributed nhất IGD Iterative Group Detection Tách tín hiệu theo nhóm lặp LOS Line Of Sight Tầm nhìn thẳng LR Lattice Reduction Rút gọn dàn LRA Lattice Reduction Aided Hỗ trợ rút gọn dàn LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MCMC Markov Chain Monte Chuỗi Markov Monte Carlo Carlo MIMO Multiple Input Multiple Đa đầu vào, đa đầu ra Output ML Maximum-Likelihood Hợp lẽ cực đại MMSE Minimum Mean Squared Sai số bình phương trung Error bình tối thiểu MRC Maximal-Ratio Combining Kết hợp tỉ số cực đại MSE Mean Squared Error Sai số bình phương trung bình MU-MIMO Multiple-User MIMO MIMO đa người dùng OSTBC Orthogonal Space Time Mã hóa không gian- thời Block Code gian trực giao luan an vii PGD Parallel Group Detection Tách sóng theo nhóm song song QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu Modulation phương Dof Degree of freedom Bậc tự do QPSK Quadrature Phase Shift Điều chế pha cầu phương Keying QRD QR decomposition aided Tách tín hiệu dựa trên Detection phân rã QR RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SD Sphere Decoder Bộ tách sóng cầu SDM Spatial Division Multi- Ghép kênh phân chia theo plexing không gian SIC Successive Interference Khử nhiễu nối tiếp Cancellation SLB Shortest Longest Basis Tối thiểu cơ sở dài nhất SLV Shortest Longest Vector Tối thiểu véc tơ dài nhất SM Spatial Modulation Điều chế không gian SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số công suất tín hiệu/tạp âm SQRD Sorted QR Decomposition Phân tích QR sắp xếp V-BLAST Vertical-Bell Laboratories Tách sóng không gian-thời Layered Space-Time gian tuần tự theo lớp của phòng thí nghiệm Bell luan an viii ZF Zero Forcing Cưỡng bức không TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian TSNR Total Sinal to Noise Ratio Tổng công suất tín hiệu trên tạp âm luan an DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Mô hình hệ thống Massive MIMO .2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống TDD Massive MIMO [1] .3 ECDF của MSE cho bởi bộ tách ZF trong 103 vòng lặp khi N = 64, Nr = [64 : 64 : 264]; pu/σ2 = 27dB, d0 = 100m, 2 100m ≤ di ≤ 990m, σShadow = 8dB và γ = 3, 5 .1 So sánh độ phức tạp của các bộ tách tín hiệu theo l trong hai cấu hình khác nhau của hệ thống là Nr = 70,N = 60 và Nr = 170, N = 160 .2 So sánh độ phức tạp của các bộ tách theo số ăng ten khi Nr = N = [60 : 20 : 200], NT = 4 và l = 21 K .3 Phẩm chất BER của các bộ tách tín hiệu ZF, MMSE, BLAST, ZF-GD, ZF-IGD, MMSE-GD và MMSE-IGD với Nr = 70, K = 15, NT = 4,4 − QAM , các bộ tách ZF-GD, ZF-IGD, MMSE-GD và MMSE-IGD có l = 2, 8, 12.4 Phẩm chất BER của các bộ tách tín hiệu ZF, MMSE, BLAST, BLAST-GD và BLAST-IGD với Nr = 70, K = 15, NT = 4,4 − QAM , các bộ tách BLAST, BLAST-GD và BLAST- IGD có l = 2, 8, 12. 51 ix luan an x 2.5 Phẩm chất BER của các bộ tách ZF, MMSE, BLAST, ZF-GD, ZF-IGD, MMSE-GD và MMSE-IGD, BLAST-GD, BLAST- IGD với Nr = 70, K = 15, NT = 4,4 − QAM , l = 8.6 Phẩm chất BER của các bộ tách ZF, MMSE, BLAST và các bộ tách đề xuất theo β khi SNR=13 dB , Nr = 100, 4−QAM , Các bộ tách đề xuất có l = dK/2e .1 Sơ đồ khối thuật toán tách tín hiệu theo nhóm tổng quát GGDex 58 3.2 TSNR của hệ thống con thứ nhất theo pu /σ 2 khi có và không có sắp xếp kênh truyền trong 104 vòng lặp cho hệ thống có cấu hình như sau Nr = N = 64 và L = 2, 4, 8 .3 Độ phức tạp của các bộ tách tuyến tính, SQRD, BLAST, ZF-GD, ZF-GGDex, SQRD-GGDex, ZF-Presorted GGDex và SQRD-Presorted GGDex khi Nr = 64,K = 16, NT = 4, L = [2 : 2 : 16] .4 Độ phức tạp của bộ tách MMSE, SQRD, BLAST, ZF-GD và SQRD-Presorted GGDex khi Nr = N = [60 : 20 : 200] , L = 2, 4, 8 .5 Phẩm chất BER của các bộ tách ZF, MMSE, BLAST, ZF-GD, MMSE-GD, ZF-GGDex và ZF-Presorted GGDex khi Nr = 64,K = 16,NT = 4; L = 2, 4, 8 .6 Phẩm chất BER của các bộ tách tín hiệu MMSE, BLAST truyền thống, SQRD-GGDex và SQRD-Presorted GGDex khi Nr = 64, K = 16, NT = 4, L = 2, 4, 8. 74 luan an xi 3.7 Sơ đồ khối tách tín hiệu bằng thuật toán tách tín hiệu theo nhóm song song .8 Độ phức tạp của các bộ tách tín hiệu MMSE, QRD, BLAST, ZF-GGDex, ZF-PGD, QRD-PGD và SQRD-PGD khi Nr = N = [60 : 20 : 200] .