Luận án Giải pháp nâng cao hiệu năng hệ thống mimo - Mc - Cdma quy mô lớn

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 i 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 PGS. TS Nguyễn Hữu Trung Hà Nội, ngày..tháng.năm 2017 Tác giả luận án Doãn Thanh Bình ii 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 iii 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 iv 2.5 Kết luận chương ........................................................................................................ 53 CHƢƠNG 3 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP TIỀN MÃ HÓA CHO HỆ THỐNG MIMO- CDMA 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 v 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 vi 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 vii 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 viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 3GPP The Third Generation Partnership Project Dự án của đối tác thế hệ thứ 3 A AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng B 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 C 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 D 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 E EB Exabytes EGC Equal Gain Combining Kết hợp độ khuếch đại cân bằng F FDMA Frequency-Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh G GSVD Generalized Singular Value Decomposition Phân tích giá trị kỳ dị tổng quát ix H HDTV High-Definition Television Truyền hình độ nét cao I 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 L 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-MIMO- MC-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 x N NRMSE Normalized Root Mean Square Error Sai số toàn phương trung bình chuẩn hóa. O OSI Open Systems Interconnection Reference Model Mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở P PDF Probability-Density-Function Hàm mật độ xác suất Q QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế pha cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ R RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RMSE Root-Mean-Square Error Sai số toàn phương trung bình S 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 T TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian U 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 V VP Vector Perturbation Vector nhiễu loạn Z ZF Zero Forcing Cưỡng bức không xi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa A Ma trận nghịch đảo