Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Giải pháp nâng cao hiệu năng hệ thống mimo mc cdma quy mô lớn....

Tài liệu Giải pháp nâng cao hiệu năng hệ thống mimo mc cdma quy mô lớn.

.PDF
114
328
106

Mô tả:

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 -

Tài liệu liên quan