LỜI MỞ ĐẦU Lý do nghiên cứu Công nghệ viễn thông (đặc biệt thông tin vô tuyến di động) đã và đang đóng vai trò quan trọng trong đời sống xã hội. Công nghệ thông tin đã và đang làm thay đổi cách con người giao tiếp và tương tác với nhau trong xã hội, ví dụ như cách vận hành và quản lý nhà nước, cách tiếp cận khách hàng (hình thức kinh doanh). Theo số liệu thống kê hiện trên thế giới có khoảng 5 tỷ thuê bao di động và số thuê bao ước tính đến năm 2025 là khoảng 6 tỷ [1]. Trong đó, số thuê bao di động ở khu vực Châu Á - Thái Bình Dương chiếm tỷ trọng lớn nhất (Biểu đồ dưới đây).
Thống kê số thuê bao di động toàn cầu [1]. Các dịch vụ mà mạng thông tin vô tuyến di động cung cấp cũng thay đổi đáng kể trong vòng 15 năm qua. Nếu như các mạng di động thế hệ thứ 2 - 2G dùng công nghệ GSM - được triển khai đầu tiên ở Phần Lan vào năm 1991 cung cấp chủ yếu luan an 2 dịch vụ thoại, thì đến nay (11/2019) dịch vụ dữ liệu di động mới là dịch vụ chủ chốt và mang lại phần lớn doanh thu cho các nhà mạng 4G hiện nay. Xu hướng sắp tới của mạng thông tin vô tuyến di động đó là: các kết nối vô tuyến không chỉ phục vụ giữa con người với con người mà còn kết nối giữa con người và thiết bị, kết nối thiết bị với biết bị.
Mạng thông tin vô tuyến di động sẽ hướng đến kết nối bất kỳ thực thể nào miễn là những thực thể đó có thể chuyển mạch trạng thái thông qua thiết bị điện tử (Internet of Things). Với xu hướng phát triển của mạng viễn thông như đã nói ở trên, nhu cầu về tốc độ truyền dẫn sẽ không ngừng gia tăng để đáp ứng các dịch vụ thời gian thực và dịch vụ yêu cầu băng thông cao trong mạng vô tuyến di động. Hiện nay, mạng 5G vẫn đang trong giai đoạn đầu thử nghiệm và triển khai [2] nhưng cộng đồng nghiên cứu đã đưa ra tầm nhìn cho việc phát triển công nghệ tiếp theo của mạng vô tuyến không dây - mạng 6G - với nhiều đề xuất về công nghệ lõi cho giao diện vô tuyến, yêu cầu về chất lượng dịch vụ, cấu hình mạng lưới, v. Nếu tốc độ truyền dẫn tối đa của 4G là 100Mbps, thì người ta đang kỳ vọng tốc độ tối đa của 5G lên đến 20 Gb/s và lớn hơn 1 Tb/s đối với mạng 6G [3].
Bên cạnh đó, trễ xử lý tín hiệu (latency) cũng đặt ra yêu cầu khắt khe hơn đối với mạng vô tuyến di động trong tương lai. Ví dụ như mạng 4G yêu cầu độ trễ xử lý 10 ms thì mạng 5G yêu cầu độ trễ xử lý giảm xuống còn 1 ms. Đặc biệt, mạng 6G yêu cầu độ trễ ở mức 10-100 µs [3]. Những yêu cầu về tốc độ và độ trễ xử lý kéo theo sự thay đổi lớn ở giao diện vô tuyến của mạng không dây thế hệ mới.
Nếu như công nghệ đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) và mã sửa lỗi kênh Turbo được đề xuất sử dụng trong mạng 4G thì hệ thống MIMO cỡ lớn (Massive/Large-Scale MIMO – với số ăng-ten lên đến hàng trăm [3]) và mã LDPC/ Polar Codes được đề xuất cho mạng 5G. Đối với mạng 6G, công nghệ đa đầu vào đa đầu ra vẫn tiếp tục là một trong những công nghệ lõi và người ta đề xuất sử dụng hệ thống MIMO cực lớn (“super-massive MIMO) để có thể cung cấp tốc độ truyền dẫn lên đến Tb/s [3]. luan an 3 Những thay đổi mới về công nghệ vô tuyến như đã nói ở trên đòi hỏi phải có những nghiên cứu đề xuất những thuật toán mới cũng như để cải tiến các thuật toán xử lý tín hiệu hiện tại sao cho việc truyền dẫn trên kênh vô tuyến được hiệu quả - tiết kiệm năng lượng pin hoặc tăng dung lượng kênh. Tuy vậy, các nghiên cứu về việc kết hợp giữa mà Protograph LDPC với kênh MIMO cỡ lớn sử dụng bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp chưa được các nhà nghiên cứu trong nước và thế giới thực hiện.
Vì vậy, NCS lựa chọn chủ đề này làm nghiên cứu trong luận án của mình. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án này là: 1. Tìm giải pháp tách sóng tín hiệu MIMO cỡ lớn có độ phức tạp thấp và hoạt động của thuật toán hiệu quả khi kết hợp với mã Protograph LDPC. Việc lựa chọn mã Protograph LDPC trong luận án này vì đây là họ mã con của mã LDPC có hiệu năng tiệm cận với dung lượng của Shannon và độ phức tạp của việc thiết kế và tạo mã đơn giản hơn.
Loại mã này đã được đề xuất sử dụng trong các hệ thống vô tuyến thực tế. Thiết lập quy trình thiết kế mã protograph LDPC cho kênh MIMO cỡ lớn. Đánh giá và phân tích hiệu năng của hệ thống MIMO cỡ lớn với bộ chuyển đổi tương tự số (ADC) có độ phân giải thấp. Những kết quả nghiên cứu ở phần này có ý nghĩa thực tiễn vì khi số lượng ăng-ten thu tăng cao thì năng lượng tiêu thụ của khối cao tần của máy thu tỷ lệ với độ phân giải của bộ ADC.
Tuy vậy, khi giảm độ phân giải để cắt giảm tiêu thụ năng lượng ở khối cao tần thì méo dạng tín hiệu của bộ ADC lại gây ảnh hưởng đến hiệu năng của các thuật toán xử lý ở băng tần gốc. Hơn nữa, số lượng ăng-ten tăng cao cũng làm cho những thuật toán tách sóng tín hiệu cho hệ thống MIMO thông thường trở nên không còn phù hợp do độ phức tạp tăng cao. Phạm vi nghiên cứu Luận án nghiên cứu mô hình kênh truyền dẫn MIMO cỡ lớn điểm – điểm sử dụng mô hình kênh thống kê (Kênh pha đinh Rayleigh) giúp cho việc xây dựng các luan an 4 biểu thức toán học được thuận lợi để từ đó có những phân tích lý thuyết chặt chẽ. Trong nội dung luận án này, số lượng ăng-ten trong các thí nghiệm từ 10 đến 100.
Tuy vậy, các kết quả nghiên cứu trong luận án này hoàn toàn có thể áp dụng trực cho các cấu hình MIMO khác nhau với số lượng ăng-ten tùy ý và đủ lớn. Bên cạnh đó, khối điều chế tín hiệu sẽ chỉ sử dụng phương thức điều chế khóa nhị nhân (BPSK) để thuận tiện trong việc xây dựng các biểu thức toán học trong các thuật toán của luận án. Việc mở rộng lên các phương thức điều chế bậc cao không được đề cập trong luận án này vì đó là chủ đề phức tạp cần được thực hiện ở một nghiên cứu độc lập khác. Đối tượng nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu ba công nghệ lõi đó là: Hệ thống truyền dẫn MIMO cỡ lớn với số lượng ăng ten phát và ăng ten thu từ 10 đến 100 ăng ten, với phương thức điều chế BPSK; hệ thống sử dụng các bộ chuyển đổi ADC có phân giải thấp từ 2 đến 5 bít; và đặc biệt là nghiên cứu thiết kế mã hóa tiệm cận dung lượng kênh P-LDPC, đây là tập con của mã hóa kênh LDPC nhằm tăng hiệu năng cho hệ thống MIMO cỡ lớn.
Phương pháp nghiên cứu • Thiết lập mô hình toán học: Để có được một giải pháp xử lý tín hiệu tổng quát, những nghiên cứu trong luận án sử dụng phương pháp mô hình hóa các thành phần trên tuyến truyền dẫn bằng các mô hình toán học thống kê. Cụ thể: Mô hình quá trình biến đổi hệ số/độ lợi kênh truyền bằng một biến ngẫu nhiên theo phân bố Rayleigh. Nhiễu đầu vào tại máy thu do hệ số nhiệt của các linh kiện điện tử bằng nhiễu Gauss trắng cộng. Tổng nhiễu của các luồng tín hiệu được mô hình bằng nhiễu Gauss trắng cộng dựa trên định luật số lớn trong thống kê.
Ảnh hưởng của quá trình lượng tử cũng được mô hình hóa bằng hệ số suy giảm tín hiệu và nhiễu cộng. Tất cả những mô hình toán học đó đã được áp dụng trong các nghiên cứu của những nhà khoa học trên thế giới khi nghiên cứu các giải pháp xử lý tín hiệu lớp vật lý của giao diện vô tuyến. • Mô phỏng máy tính để kiểm nghiệm các kết quả phân tích toán học: Các mô luan an 5 phỏng máy tính được thực hiện để kiểm định lại những phân tích lý thuyết. Những đóng góp của luận án • Xây dựng bộ tách sóng tín hiệu MIMO cỡ lớn với bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp.
Kết quả nghiên cứu đã được công bố tại [CT1] phần Danh mục các công trình công bố của tác giả và được trình bày ở Chương 2. • Xây dựng giản đồ Tanner kép để mô hình hóa sự tương tác giữa thông tin của bộ tách sóng MIMO và thông tin của bộ giải mã LDPC. Từ đó tìm kiếm cấu trúc mã protograph LDPC tốt nhất cho mỗi cấu hình MIMO được để xuất. Đóng góp này của NCS được công bố tại [CT3] phần Danh mục các công trình công bố của tác giả và được trình bày ở Chương 3.
• Thiết kế lại thuật toán xử lý tín hiệu trên giản đồ Tanner kép ở Chương 3 cho trường hợp kênh MIMO với bộ ADC độ phân giải thấp. Thuật toán mới giúp đánh giá hiệu năng các họ mã protograph LDPC khác nhau trong hệ thống Massive-MIMO với bộ ADC có độ phân giải thấp. Kết quả nghiên cứu đã được công bố tại [CT2] và [CT4] phần Danh mục các công trình công bố của tác giả và được trình bày ở Chương 4. Cấu trúc luận án Nội dung luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chương và kết luận được bố cục như sau: • Chương 1: Trình bày tổng quan về mô hình thông tin số, mô hình kênh MIMO và mã tiệm cận dung lượng Protograph LDPC.
• Chương 2: Trình bày thuật toán tách sóng tín hiệu MIMO cỡ lớn dựa trên giản đồ Tanner và truyền lan độ tin cậy. • Chương 3: Trình bày quy trình thiết kế mã Protograph LDPC cho kênh MIMO cỡ lớn dùng giản đồ Tanner kép. • Chương 4: Trình bày quy trình đánh giá hiệu năng của hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn với bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp. luan an 6 • Phần kết luận: Tổng kết lại những đóng góp của luận án cũng như hướng phát triển tiếp theo của đề tài truyền dẫn MIMO cỡ lớn với bộ ADC có độ phân giải thấp.
luan an 7 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN DẪN MIMO VÀ MÃ PROTOGRAPH LDPC 1. Hệ thống thông tin số Luận án này tập trung nghiên cứu mô hình thông tin kết nối điểm-điểm.