BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
DOÃN THANH BÌNH
GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
MIMO-MC-CDMA QUY MÔ LỚN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Hà Nội – 2017
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
DOÃN THANH BÌNH
GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
MIMO-MC-CDMA QUY MÔ LỚN
Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 62520208
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. NGUYỄN HỮU TRUNG
Hà Nội – 2017
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là
thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa
từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và
trung thực.
Giáo viên hướng dẫn khoa học
Hà Nội, ngày…..tháng….năm 2017
Tác giả luận án
PGS. TS Nguyễn Hữu Trung
Doãn Thanh Bình
i
LỜI CẢM ƠN
Luận án tiến sỹ này được nghiên cứu sinh thực hiện tại Bộ môn Điện tử hàng không
vũ trụ, Viện Điện tử viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học
của PGS.TS. Nguyễn Hữu Trung. Nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối
với Thầy về định hướng khoa học, chỉ dẫn thực hiện những nhiệm vụ cần thiết cũng như
tạo mọi điều kiện thuận lợi để công trình nghiên cứu này được hoàn thành.
Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội, trường Đại học Điện lực, Viện Đào tạo Sau Đại học, Viện Điện tử viễn thông, Bộ
môn Điện tử hàng không vũ trụ và Phòng Khảo thí đảm bảo chất lượng đã tạo mọi điều
kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình, bạn bè đã thông cảm, động viên giúp đỡ
nghiên cứu sinh có thêm nghị lực để hoàn thành luận án này.
Tác giả luận án
DOÃN THANH BÌNH
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.......................................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................... vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ..................................................................... xi
MỞ ĐẦU............................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................. 6
1.1 Đặt vấn đề.................................................................................................................... 6
1.2 Mô hình hệ thống MIMO-MC-CDMA quy mô lớn. ................................................... 6
1.2.1 Hệ thống MIMO .................................................................................................. 6
1.2.2 Hệ thống MIMO quy mô lớn ............................................................................. 11
1.2.3 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã CDMA ............................................. 14
1.2.4 Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang MC-CDMA............... 15
1.2.4 Hệ thống MIMO-MC-CDMA ........................................................................... 17
1.3 Vấn đề giao thoa đa truy nhập trong các hệ thống MIMO-MC-CDMA ................... 20
1.4 Các giải pháp đã được đề xuất .................................................................................. 21
1.4.1 Giải pháp tiền mã hóa ........................................................................................ 21
1.4.2 Giải pháp dùng mã CI ........................................................................................ 22
1.4.3 Giải pháp tại bộ thu MIMO đa người dùng và ước lượng kênh ........................ 24
1.4.4 Giải pháp dùng mã hóa không gian-thời gian .................................................... 28
1.4.5 Những vấn đề còn tồn tại ................................................................................... 30
1.5 Kết luận chương ........................................................................................................ 31
CHƢƠNG 2 ĐỀ XUẤT KIẾN TRÚC ĐỊNH HƢỚNG ĐA BÚP SÓNG THEO LÝ
THUYẾT HỆ THỐNG...................................................................................................... 32
2.1 Đặt vấn đề.................................................................................................................. 32
2.2 Mô hình hệ thống ...................................................................................................... 33
2.2.1 Mô hình tín hiệu ................................................................................................. 33
2.2.2 Định hướng búp sóng tối ưu thống kê ............................................................... 36
2.3 Đề xuất định hướng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống ......................................... 41
2.3.1 Phát biểu bài toán ............................................................................................... 41
2.3.2 Giải bài toán ....................................................................................................... 41
2.3.3. Phương pháp tối ưu bền vững theo tiêu chí Min-Max ...................................... 43
2.4 Kết quả mô phỏng ..................................................................................................... 44
2.4.1 Phương pháp mô phỏng ..................................................................................... 44
2.4.2 Các kịch bản và kết quả mô phỏng .................................................................... 45
2.4.3 Đánh giá kết quả ................................................................................................ 52
iii
2.5 Kết luận chương ........................................................................................................ 53
CHƢƠNG 3 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIỀN MÃ HÓA CHO HỆ THỐNG MIMOCDMA ĐA SÓNG MANG QUY MÔ LỚN .................................................................... 54
3.1 Đặt vấn đề.................................................................................................................. 54
3.2 Cơ sở toán học ........................................................................................................... 55
3.2.1 Phân tích giá trị kỳ dị tổng quát-GSVD ............................................................. 55
3.2.2 Nghịch đảo suy rộng .......................................................................................... 56
3.3 Mô hình hệ thống ...................................................................................................... 56
3.3.1 Mô hình hệ thống MIMO kết hợp xử lý GSVD ................................................ 56
3.3.2 Hệ thống MIMO-CDMA đa sóng mang quy mô lớn kết hợp xử lý GSVD ...... 57
3.3.3 Mô hình kênh MIMO ......................................................................................... 61
3.3.4 Giải mã bằng giải thuật zero-forcing ................................................................. 64
3.4 Kết quả mô phỏng ..................................................................................................... 66
3.5 Kết luận chương ........................................................................................................ 70
CHƢƠNG 4 ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG ĐA TRUY NHẬP MIMO MC – CDMA QUY
MÔ LỚN HỖN HỢP ĐỊNH HƢỚNG ĐA BÚP SÓNG VÀ GHÉP KÊNH KHÔNG
GIAN ................................................................................................................................... 71
4.1 Đặt vấn đề.................................................................................................................. 71
4.2 Mô hình hệ thống ...................................................................................................... 72
4.2.1 Mô hình tín hiệu và bộ phát ............................................................................... 72
4.2.2 Mô hình định hướng đa búp sóng ...................................................................... 74
4.2.3 Mô hình kênh ..................................................................................................... 75
4.3 Tách đa người dùng ................................................................................................... 77
4.3.1 Kết hợp độ khuếch đại bằng nhau EGC ............................................................. 78
4.3.2 Cưỡng bức không ZF ......................................................................................... 78
4.3.3 Phương pháp kết hợp tỷ số cực đại MRC .......................................................... 79
4.4 Kết quả mô phỏng ..................................................................................................... 79
4.4.1 Mô phỏng đánh giá hiệu năng của hệ thống ...................................................... 80
4.4.2 Mô phỏng xây dựng đồ thị búp sóng của các thuật toán định hướng búp sóng 86
4.5 Kết luận chương ........................................................................................................ 89
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 90
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .......................... 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 92
iv
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Mô hình hệ thống MIMO ...................................................................................... 7
Hình 1.2. Mô hình hệ thống MIMO quy mô lớn ................................................................. 12
Hình 1.3. Sơ đồ khối hệ thống CDMA ................................................................................ 14
Hình 1.4. Nguyên tắc chung của MC-CDMA ..................................................................... 15
Hình 1.5. Bộ phát MC-CDMA ............................................................................................ 16
Hình 1.6. Bộ thu MC-CDMA .............................................................................................. 17
Hình 1.7. Mô hình bộ phát MIMO-MC-CDMA ................................................................. 18
Hình 1.8. Mô hình thu tín hiệu ............................................................................................ 20
Hình 1.9. Khái niệm về kỹ thuật CI..................................................................................... 23
Hình 1.10 .Cấu trúc bộ thu MIMO đa người dùng tiêu chuẩn ............................................ 26
Hình 1.11. Sơ đồ khối mã không gian-khời gian ................................................................ 29
Hình 1.12. Sơ đồ hệ thống MIMO và mã không gian thời gian .......................................... 30
Hình 2.1. Hệ định hướng búp sóng...................................................................................... 34
Hình 2.2 Bộ định hướng Frost beamformer ........................................................................ 39
Hình 2.3. Cầu hình của anten mảng ULA ........................................................................... 45
Hình 2.4. Đồ thị biến thiên của NRMSE khi SNR thay đổi từ -30 ÷10dB ......................... 47
Hình 2.5. Đồ thị biến thiên của NRMSE khi SIR thay đổi ................................................. 49
Hình 2.6. Đồ thị biến thiên của NRMSE khi góc sai lệch giữa hướng ............................... 50
sóng tới của tín hiệu và của can nhiễu thay đổi ................................................................... 50
Hình 2.7. Đồ thị biến thiên của NRMSE theo số lượng anten ........................................... 52
Hình 3.1.Mô hình hệ thống GSVD-MIMO ......................................................................... 57
Hình 3.2.Sơ đồ khối bộ phát MIMO - CDMA .................................................................... 57
Hình 3.3.Sơ đồ khối bộ thu MIMO - CDMA ...................................................................... 57
Hình 3.4. Cấu hình hệ thống gồm một BTS và hai người sử dụng U1 và U2 ...................... 61
Hình 3.5. Bộ phát MIMO-MC-CDMA kết hợp thuật toán GSVD ...................................... 62
Hình 3.6. Bộ thu MIMO-MC-CDMA kết hợp thuật toán GSVD ....................................... 62
Hình 3.7. So sánh dung lượng hệ thống MIMO-MC-CDMA (a) sử dụng phương pháp
GSVD, (b) SVD, (c) so sánh hai phương pháp với cấu hình MIMO 128x16. .................... 68
Hình 3.8. Mô phỏng tỉ lệ lỗi BER với hệ thống MIMO-MC-CDMA có sử dụng tiền mã hóa
............................................................................................................................................. 69
Hình 4.1. Mô hình hệ thống MIMO MC-CDMA quy mô lớn đề xuất ................................ 74
v
Hình 4.2.Mô hình bộ cân bằng MIMO và bộ tách MUD tại phía thu ................................. 77
Hình 4.3. Đồ thị xác suất lỗi bit (BER) theo SNR .............................................................. 81
Hình 4.4. Đồ thị xác suất lỗi bit BER theo số lượng người dùng........................................ 83
Hình 4.5. Đồ thị xác suất lỗi bit BER theo số lượng anten. ................................................ 84
Hình 4.6. Đồ thị xác suất lỗi bit BER theo công suất can nhiễu đa truy nhập MAI............ 86
Hình 4.7. Đồ thị búp sóng của thuật toán MVDR. .............................................................. 87
Hình 4.8. Đồ thị búp sóng của thuật toán LCMV. .............................................................. 87
Hình 4.9. Đồ thị búp sóng của thuật toán Frost. .................................................................. 88
Hình 4.10. Đồ thị búp sóng của thuật toán tối thiểu hóa búp song phụ bằng phương pháp
Min-Max .............................................................................................................................. 88
vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi SNR thay đổi ....... 46
Bảng 2.2. Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi SIR thay đổi ......... 48
Bảng 2.3. Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi SIR thay đổi ......... 49
Bảng 2.3. Các tham số mô phỏng ứng với kịch bản mô phỏng khi thay đổi số lượng anten ...........51
Bảng 4.1. Các tham số mô phỏng ứng với kịch bản mô phỏng khi SNR thay đổi ............. 80
Bảng 4.2. Các tham số mô phỏng ứng với kịch bản mô phỏng khi SNR thay đổi ............. 82
Bảng 4.3. Các tham số mô phỏng ứng với kịch bản mô phỏng khi số lượng anten thay đổi .......83
Bảng 4.4. Các tham số mô phỏng ứng với kịch bản mô phỏng khi SNR thay đổi ............. 85
vii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
The Third Generation Partnership Project
Dự án của đối tác thế hệ thứ 3
Additive White Gaussian Noise
Nhiễu Gauss trắng cộng
BC
Broadcast Channel
Kênh quảng bá
BER
Bit Error Rate
Tỷ lệ lỗi bit
BIBO
Bounded Input-Bounded Output
Giới hạn đầu vào - giới hạn đầu ra
BS
Base Station
Trạm gốc
BTS
Base Transceiver Station
Trạm thu phát gốc
CAGR
Compound Annual Growth Rate
Tốc độ tăng trưởng hàng năm
CCI
Co-Channel Interference
Nhiễu đồng kênh
CDMA
Code Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CI
Channel Interference
Nhiễu kênh
CR
Cognitive Radio
Vô tuyến thông minh
CSI
Channel State Information
Trạng thái kênh
CSIR
Co-Channel Interference Receiver
Nhiễu đồng kênh thu
CSIT
Co-Channel Interference Transmit
Nhiễu đồng kênh phát
DPC
Dirty Paper Coding
Mã hóa giấy bẩn
DS-CDMA
Direct-Sequence Code Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
trải phổ chuỗi trực tiếp
DSP
Digital Signal Processing
Bộ xử lý tín hiệu số
3GPP
A
AWGN
B
C
D
E
EB
Exabytes
EGC
Equal Gain Combining
Kết hợp độ khuếch đại cân bằng
FDMA
Frequency-Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo tần
số
FFT
Fast Fourier Transform
Biến đổi Fourier nhanh
Generalized Singular Value
Decomposition
Phân tích giá trị kỳ dị tổng quát
F
G
GSVD
viii
H
HDTV
High-Definition Television
Truyền hình độ nét cao
IFFT
Inverse Fast Fourier Transform
Biến đổi Fourier ngược
INR
Interference to Noise Ratio
Tỷ số can nhiễu trên nhiễu
IoT
Internet of Things
Mạng lưới vạn vật kết nối Internet
IPTV
Internet Protocol Television
Truyền hình giao thức Internet
ISI
Intersymbol Interference
Nhiễu liên ký hiệu
ISR
Interference to Signal Ratio
Tỷ số can nhiễu trên tín hiệu
IF
Intermediate Frequency
Tần số trung tần
LCMV
Linearly Constrained Minimum Variance
Beamforming
Tối thiểu hóa phương sai có ràng
buộc tuyến tính
LS-MIMO
Large Scale-Multiple Input Multi Output
Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu
ra quy mô lớn
LS-MIMOMC-CDMA
Large Scale-Multiple Input Multiple
Output Multi-Carrier Code-Division
Multiple Access
Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu
ra quy mô lớn kết hợp đa truy
nhập phân chia theo mã đa sóng
mang
LTE-A
Long Term Evolution Advanced
Hệ thống thông tin dài hạn đã
nâng cấp
M
M2M
Machine to Machine
Máy đến máy
MAI
Multiple Access Interference
Nhiễu đa truy nhập
MC-CDMA
Multi-Carrier Code-Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
đa sóng mang
MC-SSMA
Multi-Carrier Spread Spectrum Multiple
Access
Đa truy nhập phổ rộng đa sóng
mang
MIMO
Multiple Input Multiple Output
Nhiều đầu vào nhiều đầu ra
MLSE
Minimal Least-Square Errors
Sai số bình phương tối thiểu
MMSE
Minimum Mean Squared Error
Sai số bình phương trung bình tối
thiểu
MRC
Maximum Ratio Combining
Kết hợp tỷ số cực đại
MUD
Multi User Detector
Bộ tách đa người dùng
MRT
Maximum Ratio Transmit
Phát tỷ số cực đại
MU-MIMO
Multi User- Multiple Input Multiple
Output
Hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu
ra đa người dùng
MVDR
Minimum Variance Distortionless
Response
Đáp ứng phương sai tối thiểu
không méo dạng
I
L
ix
N
Normalized Root Mean Square Error
Sai số toàn phương trung bình
chuẩn hóa.
Open Systems Interconnection Reference
Model
Mô hình tham chiếu kết nối các hệ
thống mở
Probability-Density-Function
Hàm mật độ xác suất
QAM
Quadrature amplitude modulation
Điều chế pha cầu phương
QoS
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
RMSE
Root-Mean-Square Error
Sai số toàn phương trung bình
SDMA
Space-Division Multiple-Access
Đa truy nhập phân chia theo
không gian
SGA
Standard Gaussian Approximation
Xấp xỉ Gauss tiêu chuẩn
SHF
Super High Frequency
Tần số siêu cao
SISO
Single Input Single Output
Đơn đầu vào đơn đầu ra
SNR
Signal to Noise Ratio
Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SSMA
Spread Spectrum Multiple Access
Đa truy nhập trải phổ
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
Time Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia theo thời
gian
UCA
Uniform Circular Array
Dàn anten đồng dạng tròn đều
UHF
Ultra High Frequency
Tần số cực cao
ULA
Uniform Linear Array
Dàn anten đồng dạng tuyến tính
URA
Uniform Rotation Array
Dàn anten đồng dạng xoay đều
Vector Perturbation
Vector nhiễu loạn
Zero Forcing
Cưỡng bức không
NRMSE
O
OSI
P
PDF
Q
R
S
T
TDMA
U
V
VP
Z
ZF
x
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
Ký hiệu
Ý nghĩa
A
Ma trận nghịch đảo suy rộng của ma trận A
A*
Ma trận chuyển vị phức của ma trận A
H-
Ma trận nghịch đảo của ma trận H
PG
Chiếu trực giao lên không gian không
x̂
Ước lượng của x
x t
Vi phân của x t
E
.
Trị trung bình hay kỳ vọng
wH
Ma trận Hermite
Wki
Trọng số của bộ lọc phối hợp.
Ma trận đường chéo
xi
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
1.1. Mạng thông tin vô tuyến đƣơng đại và những thách thức
Quá trình phát triển mạng thông tin đáp ứng đích “Ba bất kỳ” (any time, any where,
any form) không đồng đều trên phạm vi toàn cầu; phụ thuộc vào trình độ khoa học, công
nghệ và tiềm lực kinh tế của mỗi quốc gia và vùng lãnh thổ. Tuy nhiên, mạng thông tin vô
tuyến đang thực hiện truyền thông giữa người - người, giao tiếp người - máy, liên kết tích
hợp máy - máy (M2M) qua các dịch vụ dữ liệu đa phương tiện tốc độ cao.
Cùng với sự bùng nổ về số lượng các thiết bị thông minh, sự hội tụ của lĩnh vực
IoT, rất nhiều thiết bị được kết nối, tương tác thời gian thực, dẫn đến khái niệm “Xã hội kết
nối - Networked Society”. Cụ thể, lưu lượng dữ liệu đa phương tiện truyền qua mạng
thông tin di động tăng đột biến (dữ liệu lưu lượng di động toàn cầu tăng 0,82 exabytes
tương đương 81% trong 2013, dự báo tăng 11 lần từ năm 2013 đến 2018 ứng với mức tăng
trưởng 61% hàng năm, ước tính đạt 15,9 EB mỗi tháng) [18], và sự dịch chuyển từ lưu
lượng thoại sang các dịch vụ và ứng dụng dựa trên dữ liệu đang diễn ra mạnh mẽ bởi sự
tăng trưởng vượt bậc ở số lượng các thiết bị di động thông minh.
Nguồn tài nguyên phổ vô tuyến lại rất hạn chế (hầu như phổ tần số vô tuyến có sẵn
đã được phân bổ cho ứng dụng khác nhau) gây ra sự khan hiếm phổ tần [42, 101]. Điều đó,
đòi hỏi các kiến trúc của thiết bị, mạng phải có sự cải thiện về hiệu quả sử dụng phổ và sử
dụng năng lượng. Và, mạng thông tin di động thế hệ thứ 4 (the Fourth Generation, 4G,
cellular communication network) dựa trên chuẩn Long Term Evolution Advanced (LTE-A)
phát triển bởi the Third Generation Partnership Program (3GPP) được xác nhận đang cải
thiện đáng kể hiệu quả sử dụng phổ (các mạng hiện nay đã đạt tới ngưỡng lý thuyết, đặc
biệt trong các khu vực đông dân cư) [4, 32, 43].
1.2. Về sự phát triển thông tin di động tƣơng lai
Trong các tài liệu chuyên ngành có hai hướng căn bản để tăng dung lượng của
mạng vô tuyến di động là tăng hiệu suất sử dụng phổ và tăng băng thông khả dụng của hệ
thống. Tuy nhiên, các hệ thống thông tin di động hiện nay đang sử dụng dải tần UHF từ
450MHz đến 3GHz, gần như đã được cấp phép cho các ứng dụng. Một trong các giải pháp
đang được phát triển hiện nay nhằm tăng hiệu suất sử dụng phổ là truyền thông kết hợp
trên nền Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio, CR). Đây là hệ thống vô tuyến xây dựng
trên cơ sở hệ thông minh tương tự hệ truyền thông đa bước không dây, có khả năng quản
lý phổ tần động, ước lượng và thay đổi thông số cấu hình hệ truyền thông thứ cấp (không
đăng ký) trên cơ sở những hiểu biết về các kênh vô tuyến lân cận để tận dụng phổ tần của
hệ thống truyền thông đã được cấp phép (sơ cấp). Tuy có sự cải thiện đáng kể hiệu quả sử
dụng phổ tần về mặt phân tích tín hiệu trên lớp truyền dẫn (mô hình OSI), nhưng truyền
1
thông trên nền vô tuyến nhận thức chưa minh chứng về khả năng ứng dụng trong hệ thống
thông tin di động tương lai vì sự phức tạp trong hiện thực hóa hệ thông minh [16, 99].
Bên cạnh việc tận dụng thông minh nguồn phổ tần có sẵn, nhiều nghiên cứu tiến
hành trên cơ sở khai thác băng tần mm (từ 3-300GHz) [6, 22, 86, 115], lớn hơn nhiều so
với băng tần của hệ thống 3G/4G. Việc sử dụng băng tần lớn, bước sóng ngắn hơn nhiều,
công nghệ mm cho phép sử dụng số lượng lớn những phần tử anten trong kích thước nhỏ.
Và, vùng bao phủ của bước sóng mm nhỏ hơn đáng kể so với vùng bao phủ của hệ thống
3G/4G, dẫn đến công nghệ kiến trúc cell nhỏ.
1.3. Hệ thống CDMA đa sóng mang và truyền dẫn (lớp vật lý) nhiều
chiều
Hệ thống Đa truy nhập phân chia theo mã - Đa sóng mang (Multicarrier-Code
division multiple access, MC-CDMA) là sự kết hợp kỹ thuật CDMA với điều chế đa sóng
mang nhằm đáp ứng yêu cầu về tốc độ truyền dẫn, tính bền vững với pha-đinh chọn lọc tần
số, sử dụng băng thông hiệu quả cho các hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo [7, 56,
83, 90, 91]. Bên cạnh đó, kỹ thuật nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO) sử dụng kiến trúc
đa anten ở cả phía phát và phía thu, bổ sung chiều không gian, tăng bậc tự do hệ thống,
khai thác độ khuếch đại phân tập, nâng cao tốc độ cũng như dung lượng hệ thống. Điều chế
đa sóng mang thực hiện điều chế các luồng dữ liệu song song tốc độ thấp trên các sóng
mang con làm giảm giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) gây ra trong môi trường pha-đinh
Rayleigh và dễ dàng hiện thực hóa trên DSP [5, 9, 112]. Hệ thống MIMO MC-CDMA khai
thác triệt để sự phân tập lần lượt theo không gian, tần số và theo mã, nâng cao dung lượng
do sử dụng kỹ thuật MIMO đối với thông tin đa người dùng ở đường xuống điểm-đa điểm
được thực hiện nhờ phương thức ghép kênh theo không gian (spatial multiplexing) [70].
Trạm BTS sử dụng nhiều anten có thể truyền đồng thời các luồng thông tin độc lập tới một
số thiết bị di động ở các vị trí khác nhau (hiện hệ thống 4G LTE cho phép tới tám phần tử
anten tại trạm gốc; nhà điều hành NTT Docomo đã thử nghiệm thành công truyền dẫn gói
dữ liệu đường lên ở tốc độ 10Gbps, cấu hình hệ thống MIMO-(16x8) [95]). Vậy, nhằm
nâng cao hiệu quả phổ và hiệu quả năng lượng, đáp ứng sự tăng trưởng lưu lượng trong bối
cảnh khan hiếm phổ tần, hệ thống thông tin di động sẽ phải sử dụng công nghệ MIMO quy
mô lớn (LS-MIMO) với số lượng lớn các phần tử anten.
Có thể xem LS-MIMO là công nghệ truyền dẫn lớp vật lý nhiều chiều có số chiều
lớn (high multi-dimensional) ở miền không gian (spatial domain), thì công nghệ truyền
thông sóng millimet (mm) đạt nhiều chiều ở miền tần số. Và, hệ thống thông tin di động
tương lai sẽ được xây dựng trên cơ sở công nghệ LS-MIMO, truyền sóng mm, công nghệ
cell nhỏ [30, 60, 65, 85]. Vậy, nghiên cứu, đặc trưng hóa hệ thống thông tin di động đương
đại, đề xuất kiến trúc mô hình trên cơ sở mở rộng quy mô hệ thống và đề xuất các giải
2
pháp tương ứng nhằm nâng cao hiệu năng, tính bền vững của hệ thống có tính cấp thiết
phục vụ phát triển hệ thống thông tin di động tương lai.
2. Tính cấp thiết của đề tài
Mạng thông tin di động đang trong quá trình phát triển nhanh chóng với tầm nhìn
đa kết nối, đa tương tác thời gian thực, hỗ trợ các dịch vụ di động tốc độ siêu cao, dung
lượng siêu cao. Trong đó, các hệ nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) quy mô lớn kết hợp
với phương thức điều chế đa sóng mang, đa truy nhập theo mã đóng vai trò rất quan trọng
trong việc tối ưu tín hiệu trước khi truyền, tăng hiệu suất trong khi truyền, khôi phục tín
hiệu tối ưu tại bộ thu, khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao trong môi trường đa đường
(chẳng hạn, trong môi trường indoor),…
Độ phức tạp do mối quan hệ tương hỗ giữa các khâu của quá trình xử lý tín hiệu
của hệ MIMO quy mô lớn tăng theo số lượng các anten; nhất là khi hệ thống làm việc
trong môi trường thay đổi phức tạp, nhiễu động và phải thỏa hiệp giữa hiệu năng của hệ
thống với chất lượng phục vụ (QoS) người dùng. Từ đó, việc tối ưu hóa hệ thống thực hiện
riêng rẽ theo tiêu chí, phân đoạn theo các khâu, thường không dẫn đến kết quả tối ưu như
mong muốn. Vì vậy, cần thiết phải xây dựng một mô hình mang tính tổng quát theo lý
thuyết hệ thống để phát triển hệ thống MIMO quy mô lớn kết hợp với phương thức điều
chế đa sóng mang, đa truy nhập theo mã ứng dụng cho các hệ thống thông tin di động thế
hệ sau.
3. Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu
3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận án nhằm vào các mục tiêu chính sau đây:
Nghiên cứu đề xuất mô hình định hướng đa búp sóng quy mô lớn ứng dụng cho các
hệ thống thông tin di động thế hệ sau.
Nghiên cứu đề xuất thuật toán tối ưu chất lượng hệ thống MIMO-MC-CDMA quy
mô lớn.
Nghiên cứu phát triển kiến trúc, mô hình hệ thống truyền dẫn cho hệ MC-CDMA
nhiều đầu vào nhiều đầu ra với số lượng lớn anten (LS-MIMO) và mô hình toán
học tương ứng nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ dưới tác động của nhiễu đa
anten và nhiễu đa người dùng.
3.2. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của công trình này tập trung chủ yếu vào mô hình hệ thống
MC-CDMA nhiều đầu vào nhiều đầu ra quy mô lớn (LS-MIMO-MC-CDMA) và các thuật
toán cải thiện hiệu năng phục vụ các hệ thống thông tin di động thế hệ sau.
3
3.3. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các kiến trúc và mô hình hệ thống MIMO-MC-CDMA quy mô lớn áp
dụng cho hệ thống thông tin di động thế hệ sau.
Nghiên cứu các thuật toán trên cơ sở các kiến trúc và mô hình đề xuất để nâng cao
hiệu năng hệ thống dựa trên lý thuyết hệ thống và tiêu chí tối ưu đa biến.
3.4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận án bao gồm việc nghiên cứu lý thuyết, xây dựng
mô hình, đề xuất, cải tiến các thuật toán kết hợp với đánh giá hiệu năng của hệ thống thông
qua mô phỏng trên máy tính.
4. Các đóng góp khoa học của luận án
Đề xuất mô hình định hướng đa búp sóng quy mô lớn theo lý thuyết hệ thống trên
cơ sở mô hình giảm bậc ứng dụng cho các hệ thống thông tin di động thế hệ sau.
Đề xuất cấu trúc mô hình hệ thống MIMO-CDMA đa sóng mang quy mô lớn trên
cơ sở phân tích giá trị kỳ dị tổng quát (nghịch đảo suy rộng) nhằm tối ưu chất lượng
hệ thống.
Đề xuất kiến trúc MIMO-MC-CDMA quy mô lớn (LS) áp dụng cho hệ thống thông
tin di động thế hệ sau sử dụng cấu trúc anten mảng trụ kết hợp tiền mã hóa định
hướng búp sóng phát theo mỗi mode riêng tổng quát và ghép kênh theo không gian.
Đề xuất thuật toán hỗn hợp tiền mã hóa theo phương thức định hướng búp sóng
phát theo mỗi mode riêng tổng quát và ghép kênh theo không gian tối ưu theo lý
thuyết hệ thống.
5. Bố cục của luận án
Cấu trúc của luận án gồm có 04 chương với các nội dung được tóm tắt như sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, trình bày 3 nội dung chính. Thứ
nhất, làm rõ bản chất công nghệ MIMO, kỹ thuật quy mô lớn (LS-MIMO) trong các hệ
thống MC-CDMA, hệ thống đóng vai trò chủ chốt trong mạng thông tin di động băng rộng
tương lai (LS-MIMO-MC-CDMA) và những thách thức. Thứ hai, khái quát về các đề xuất
cải thiện hiệu năng trên lớp truyền dẫn của hệ thống LS-MIMO-MC-CDMA trên cơ sở
tham chiếu tới những công bố của các tác giả trước và hệ thống hóa những hạn chế tồn tại
theo cấu trúc vật lý và lý thuyết. Thứ ba, về định hướng giải quyết nâng cao hiệu năng lớp
truyền dẫn, hiệu suất sử dụng năng lượng trên cơ sở mô hình, cấu trúc hệ thống và xử lý tín
hiệu.
Chƣơng 2: Đề xuất kiến trúc định hƣớng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống,
với quy trình phân tích và thiết kế các hệ định hướng đa búp sóng có quy mô lớn theo cách
4
tiếp cận của lý thuyết hệ thống trên cơ sở xem xét tác động của các tham số hệ thống bằng
tập các hàm mục tiêu áp dụng trong những điều kiện tới hạn, khó truy cập dữ liệu đo hoặc
dữ liệu đo có kích thước lớn được trình bày. Quy trình bao gồm việc xây dựng mô hình
giảm bậc tối ưu và xác định nghiệm bền vững đối với hệ thống định hướng búp sóng. Cuối
cùng, trình bày sự thống nhất giữa kết quả mô phỏng với lý thuyết, minh chứng tính ưu
việt của mô hình đề xuất.
Chƣơng 3: Đề xuất giải pháp tiền mã hóa cho hệ thống MIMO-CDMA đa sóng
mang quy mô lớn, trình bày hệ thống đa truy nhập theo mã (CDMA) đa sóng mang
(multicarrier) là phương pháp đa truy nhập theo mã kết hợp với điều chế đa sóng mang
nhằm tăng cường tính bền vững của hệ thống trước pha-đinh chọn lọc tần số, giao thoa
băng hẹp và tận dụng tối ưu băng tần có sẵn. Chương này trình bày mô hình hệ thống
MIMO-CDMA đa sóng mang quy mô lớn xây dựng trên cơ sở thuật toán phân tích giá trị
kỳ dị tổng quát (GSVD) và nghịch đảo suy rộng với phép chiếu trực giao trên cơ sở phân
tách ma trận kênh kích thước lớn nhằm tối ưu chất lượng hệ thống và kiểm chứng kết quả
mô phỏng trên Matlab. Từ đó rút ra kết luận về khả năng thực thi của hệ thống MIMOCDMA đa sóng mang quy mô lớn.
Chƣơng 4: Đề xuất hệ thống đa truy nhập MIMO MC-CDMA quy mô lớn hỗn
hợp định hƣớng đa búp sóng và ghép kênh không gian, trình bày đề xuất kiến trúc hệ
thống đa truy nhập theo mã đa sóng mang nhiều đầu vào nhiều đầu ra quy mô lớn (Massive
/ Large scale MIMO MC-CDMA) ứng dụng cho hệ thống thông tin di động thế hệ 5 (5G).
Hệ thống có kiến trúc hỗn hợp sử dụng cấu trúc anten mảng trụ thực hiện kết hợp tiền mã
hóa theo phương thức định hướng đa búp sóng và ghép kênh theo không gian. Hệ thống
được tối ưu theo tiêu chí lý thuyết hệ thống Min-Max nhằm tối thiểu hóa búp sóng phụ,
nén tối đa tổn hao truyền sóng. Kết quả mô phỏng thống nhất với giải tích hiệu năng theo
lý thuyết.
Phần kết luận và hƣớng nghiên cứu tiếp theo của luận án: Phần này trình bày
tóm tắt các kết quả đạt được của luận án và nêu ra hướng phát triển tiếp theo của đề tài,
cũng như các nghiên cứu dự kiến sẽ được thực hiện trong tương lai.
5
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Đặt vấn đề
Đã có nhiều giải pháp nhằm nâng cao chất lượng (tốc độ dữ liệu, độ tin cậy của
thông tin, tính bền vững của tín hiệu…) bao gồm: Nâng cấp chất lượng đường truyền,
nghiên cứu các phương thức điều chế mới, tăng công suất thu/phát của hệ thống... Tuy
nhiên để đạt được giải pháp tối ưu (vừa đảm bảo chất lượng thông tin, vừa đảm bảo hiệu
quả kinh tế) thì việc nghiên cứu phát triển các loại mã, các phương pháp điều chế, xử lý tín
hiệu mới là các giải pháp thích hợp.
Dung lượng yêu cầu ngày càng lớn, tốc độ dữ liệu ngày càng cao trong khi băng tần
lại hạn chế. Yêu cầu này dẫn đến việc nghiên cứu áp dụng hệ thống nhiều đầu vào nhiều
đầu ra (MIMO) cho các hệ thống thông tin di động thế hệ mới. Trong những năm gần đây,
việc nghiên cứu phát triển các hệ thống MIMO đạt nhiều thành tựu đáng kể. Hệ thống
MIMO sử dụng nhiều anten phát, nhiều anten thu trên cơ sở áp dụng kỹ thuật phân tập và
mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu quả sử dụng phổ mà không phải
tăng công suất phát hay băng tần. Hệ thống MIMO quy mô lớn (LS-MIMO) với việc sử
dụng số lượng lớn các phần tử anten cả phía phát và phía thu sẽ phát huy tối đa những ưu
thế về dung lượng kênh, tốc độ đường truyền cũng như hiệu quả sử dụng phổ [30].
Tốc độ truyền dẫn tăng cao, đồng nghĩa với việc làm tăng đáng kể tốc độ lỗi bit
(BER), tăng ảnh hưởng của pha-đinh chọn lọc tần số, nhiễu xuyên ký hiệu ISI… Nhưng
yêu cầu về chất lượng dịch vụ cũng không vì thế mà giảm. Để giải quyết vấn đề này, kỹ
thuật điều chế đa sóng mang được áp dụng trong các hệ thống thông tin di động thế hệ
mới, đó là kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang MC-CDMA [7, 56, 83,
91, 108].
Sự kết hợp giữa kỹ thuật MIMO quy mô lớn và MC-CDMA đem lại những tiềm
năng to lớn cho hệ thống thông tin thế hệ tiếp theo [30, 70]. Chương một tập trung nghiên
cứu về những vấn đề cơ bản của hệ thống MIMO MC- CDMA quy mô lớn làm nền tảng
cho những nghiên cứu ở các chương tiếp theo.
1.2 Mô hình hệ thống MIMO-MC-CDMA quy mô lớn.
1.2.1 Hệ thống MIMO
Hệ thống MIMO (Multi input – Multi output), nhiều đầu vào nhiều đầu ra là các hệ
thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten ở bộ phát và bộ thu như biểu diễn
trên hình 1.1. Chuỗi tín hiệu phát được mã hóa theo cả hai miền không gian (theo hướng
các anten phát) và thời gian nhờ bộ mã hóa không gian-thời gian (STE: Space-Time
Encoder). Tín hiệu sau khi được mã hóa không gian-thời gian x được phát đi nhờ NT anten
6
phát. Bộ thu sử dụng phân tập thu với N R anten thu. Kênh tổng hợp giữa bộ phát (TX) và
bộ thu (RX) có NT và N R đầu ra, được gọi là kênh vô tuyến MIMO NT x N R .
Quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống MIMO được biểu diễn như sau [51]:
y1 h11 h12
y h h
2 21 22
yN R hN R 1 hN R 2
h1NT x1 n1
h2 NT x2 n2
hN R NT xNT nNT
(1.1)
Trong đó:
T
x x1 , x2 ,..., xNT là tín hiệu phát.
y y1 , y2 ,..., yNR là tín hiệu nhận được.
n là vectơ nhiễu AWGN N R chiều.
H là ma trận kênh truyền.
hi , j là các hệ số kênh truyền giữa anten phát thứ i và anten thu thứ j.
T
Hình 1.1. Mô hình hệ thống MIMO
1.2.2.1 Dung lượng hệ thống MIMO
Dung lượng kênh truyền được định nghĩa là tốc độ truyền dẫn tối đa có thể đạt
được với một xác suất lỗi bit tương đối nhỏ tùy ý. Đối với mô hình thu phát truyền thống
một anten phát và một anten thu (hệ thống SISO) thì theo định lý Shanon [112] dung lượng
của hệ thống trong môi trường tạp âm AWGN được biểu diễn như sau:
CSISO B log2 (1
P
)
BN0
7
(1.2)
- Xem thêm -