Nghiên cứu phát triển kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý trong hệ thống chuyển tiếp vô tuyến hai chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN HỮU MINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN HAI CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN HỮU MINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN HAI CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 9 52 02 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM VĂN BIỂN PGS. TRẦN XUÂN NAM HÀ NỘI - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong Luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự dẫn dắt của các cán bộ hướng dẫn. 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 22 tháng 3 năm 2019 Tác giả Nguyễn Hữu Minh LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án này, Nghiên cứu sinh đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu. Người đầu tiên Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc là các Thầy giáo hướng dẫn TS. Phạm Văn Biển và PGS.

Trần Xuân Nam. Các Thầy không chỉ là người hướng dẫn, giúp đỡ Nghiên cứu sinh hoàn thành Luận án này mà còn là người định hướng, truyền thụ động lực trên con đường nghiên cứu khoa học chông gai và nhiều gian khổ. Nghiên cứu sinh cũng chân thành cám ơn các Thầy giáo trong Bộ môn Thông tin, Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự, nơi Nghiên cứu sinh làm việc, đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo trong thời gian Nghiên cứu sinh nghiên cứu tại đây. Nghiên cứu sinh chân thành cám ơn các anh chị nhân viên kỹ thuật ở Bộ môn Thông tin, các đồng nghiệp và nhóm nghiên cứu đã luôn giúp đỡ chia sẻ những khó khăn trong quá trình hoàn thành Luận án này.

Cuối cùng, Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và người thân đã luôn kịp thời động viên và chia sẻ những khó khăn để giúp Nghiên cứu sinh hoàn thành nội dung nghiên cứu của mình. MỤC LỤC MỤC LỤC. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. v DANH SÁCH HÌNH VẼ.

vii DANH SÁCH BẢNG. x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC. xiii MỞ ĐẦU. KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN CƠ BẢN TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN HAI CHIỀU.

Mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều. Khái quát chung. Ứng dụng của chuyển tiếp vô tuyến hai chiều. Một số kỹ thuật truyền dẫn cơ bản trong mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều.

Chuyển tiếp hai chiều truyền thống. Chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật mã hóa mạng. Kỹ thuật mã hóa mạng kết hợp truyền dẫn MIMO cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều. Kỹ thuật mã hóa mạng kết hợp điều chế không gian cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều.

Bối cảnh nghiên cứu. Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật PNC. Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật PNC kết hợp MIMO 34 1. Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật PNC kết hợp SM.

Kết luận chương. MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ ÁNH XẠ PHI TUYẾN CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU. Mã hóa mạng lớp vật lý sử dụng ánh xạ phi tuyến. Tổng quan về chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã hóa mạng dựa trên ước lượng ML.

Đề xuất phương pháp ước lượng và ánh xạ mã hóa mạng. Kết quả mô phỏng và so sánh phẩm chất. Kết hợp mã hóa mạng lớp vật lý ánh xạ phi tuyến với chuyển tiếp hai chiều MIMO. Mô hình chuyển tiếp hai chiều MIMO-STBC kết hợp PNC.

Cấu hình STBC kết hợp PNC. Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp dựa trên cực tiểu công suất nhiễu dư. Nghiên cứu độ phức tạp tính toán. Đánh giá phẩm chất.

Kết luận chương. 65 iii Chương 3. MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ ÁNH XẠ TUYẾN TÍNH CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU. Mô hình hệ thống.

Mã hóa mạng lớp vật lý kết hợp giữa lượng tử hóa kênh và ước lượng dựa trên loại bỏ nhiễu SIC. QSIC-PNC cho nút chuyển tiếp đơn ăng-ten. QSIC-PNC cho nút chuyển tiếp đa ăng-ten. Phân tích ảnh hưởng của thành phần nhiễu lx2 đến quyết định tín hiệu (x1 + Lx2 ).

Trường hợp K = 1. Trường hợp K ≥ 2. Nghiên cứu độ phức tạp tính toán của ước lượng. Kết quả mô phỏng và phân tích phẩm chất.

So sánh phẩm chất SER. So sánh thông lượng trong pha MA. So sánh các phương pháp ánh xạ khác nhau. So sánh độ phức tạp xử lý.

Kết luận chương. KẾT HỢP MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ ÁNH XẠ TUYẾN TÍNH VỚI ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN CHO CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU. Tổng quan về kỹ thuật SM kết hợp PNC ánh xạ tuyến tính dựa trên ước lượng ML cho chuyển tiếp hai chiều. Mã hóa mạng dựa vào ước lượng độ phức tạp thấp tại nút chuyển tiếp.

Đề xuất phương pháp ước lượng độ phức tạp thấp SM-QSIC 95 4. Thiết kế chòm sao (x(1) + Lx(2) ) và hàm quyết định Q̂(·). Nghiên cứu độ phức tạp tính toán của ước lượng. Nghiên cứu độ phức tạp của hàm quyết đinh Q̂(·) và Q(·) 104 4.

Xác định độ phức tạp của các phương pháp ước lượng. Kết quả mô phỏng và phân tích phẩm chất. Kết luận chương. 112 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI.

116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ. 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 123 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt 1G the first Generation Thế hệ thứ nhất 4G the fourth Generation Thế hệ thứ tư 5G the fifth Generation Thế hệ thứ năm AWGN Additive White Gaussian Tạp âm trắng chuẩn cộng Noise tính AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp ANC Analog Network Coding Mã hóa mạng tương tự BC Broadcast Quảng bá BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít BM Beamforming Tạo dạng búp sóng BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc CQ Channel Quantization Lượng tử hóa kênh CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp DNC Digital Network Coding Mã hóa mạng số DNF Denoise-and-Forward Hạn chế tạp âm và chuyển tiếp FD Full Duplex Song công hoàn toàn FER Frame Error Rate Tỷ lệ lỗi khung GSM Generalized Spatial Modu- Điều chế không gian tổng lation quát v vi IAS Inter Antenna Synchroniza- Đồng bộ giữa các ăng-ten tion ICI Inter Channel Interference Nhiễu đồng kênh IoT Internet of Things Kết nối vạn vật MA Multiple Access Đa truy nhập IEEE Institute of Electrical and Hiệp hội các kĩ sư điện và Electronic Engineers điện tử LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MIMO Multiple Input Multiple Đa đầu vào đa đầu ra Output ML Maximum Likelihood Hợp lẽ cực đại MMSE Minimum Mean Square Er- Sai số bình phương trung ror bình cực tiểu MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ cực đại NC Network Coding Mã hóa mạng OSTBC Orthogonal Space-Time Mã khối không gian thời Block Code gian trực giao PAM Pulse Amplitude Modula- Điều chế biên độ xung tion PNC Physical-layer Network Mã hóa mạng lớp vật lý Coding QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu Modulation phương QPSK Quadrature Phase Shift Khóa dịch pha cầu phương Keying QSM Quadrature Spatial Modu- Điều chế không gian cầu lation phương QOSTBC Quasi-Orthogonal Space- Mã khối không gian thời Time Block Code gian cận trực giao R Relay Chuyển tiếp vii SDM Spatial Division Multiplex- Ghép kênh phân chia theo ing không gian SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu SIC Successive Interference Loại bỏ nhiễu nối tiếp Cancellation SIMO Single Input Multiple Out- Đơn đầu vào - đa đầu ra put SINR Signal to Interference and Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm Noise Ratio và nhiễu SM Spatial Modulation Điều chế không gian SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm STBC Space Time Block Code Mã khối không gian thời gian STC Space Time Code Mã không gian thời gian STTC Space Time Trellis Code Mã lưới không gian thời gian SVD Singular Value Decomposi- Phân giải giá trị singular tion TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời gian TS Traditional Scheme Sơ đồ truyền thống TWRN Two Way Relay Network Mạng chuyển tiếp hai chiều UE User Equipment Thiết bị người dùng V-BLAST Vertical-Bell Laboratories Tách sóng không gian - thời Layered Space-Time gian tuần tự theo lớp của Phòng thí nghiệm Bell WiMAX Worldwide Interoperability Chuẩn tương tác mạng diện for Microwave Access rộng bằng sóng vô tuyến ZF Zero Forcing Cưỡng bức không DANH SÁCH HÌNH VẼ 1.1 Mô hình tổng quan về mạng chuyển tiếp vô tuyến [2].2 Sơ đồ chuyển tiếp hai chiều không sử dụng mã hóa mạng.3 Mô tả kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp.4 Mô tả kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp.5 Sơ đồ chuyển tiếp hai chiều sử dụng 3 pha.6 Sơ đồ chuyển tiếp hai chiều sử dụng 2 pha.7 Pha đa truy nhập của chuyển tiếp hai chiều sử dụng STBC kết hợp PNC.8 Pha quảng bá của chuyển tiếp hai chiều sử dụng STBC kết hợp PNC.9 Chòm sao không gian ba chiều với 4 ăng-ten phát và điều chế 4-QAM [42].10 Pha đa truy nhập của chuyển tiếp hai chiều sử dụng SM kết hợp PNC.11 Pha quảng bá của chuyển tiếp hai chiều sử dụng SM kết hợp PNC.1 Mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều.2 Chòm sao A của tín hiệu x1 + Lx2 với L ∈ {±1, ±j}.3 Chòm sao của tín hiệu x1 + Lx2 và Lx2 , với L ∈ {±1 ± j} [67].4 So sánh phẩm chất SER tại nút chuyển tiếp của các phương pháp khác nhau.5 So sánh thông lượng tại nút chuyển tiếp của các hệ thống khác nhau.6 Mô hình chuyển tiếp hai chiều kết hợp PNC và STBC.7 So sánh phẩm chất SER của các đề xuất STBC-CQ-PNC so với các cấu hình liên quan đến chuyển tiếp hai chiều MIMO-STBC.8 So sánh phầm chất SER của các phương pháp đề xuất STBC- CQ-PNC so với CQ-PNC trong [67].9 Phẩm chất SER của cấu hình đề xuất STBC-CQ-PNC với lựa chọn nút chuyển tiếp.10 Phẩm chất SER của cấu hình đề xuất STBC-CQ-PNC thích nghi với lựa chọn nút chuyển tiếp.1 Mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều.2 Chòm sao AL̄ của tín hiệu (x1 + Lx2 ) với M = 4, L ∈ {0, ±1, ±j, ±1 ± j}.3 So sánh phẩm chất SER trong trường hợp M = 4.4 Thông lượng trong pha MA khi M = 4.