Nghiên cứu giải pháp mã hóa LDPC nâng cao hiệu năng hệ thống MIMO cỡ lớn

• Tác giả: Vũ Đức Hiệu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Hồng Quang
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
• Đề tài: Giải Pháp Mã Hóa LDPC Cho Hệ Thống MIMO Cỡ Lớn
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. LỜI MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do nghiên cứu
• 1.2. Mục đích nghiên cứu
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Những đóng góp của luận án
• 1.6. Cấu trúc luận án
• 2. TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN DẪN MIMO VÀ MÃ PROTOGRAPH LDPC
• 2.1. Hệ thống thông tin số
• 2.2. Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (Low-Density Parity Check Codes LDPC)
• 2.3. Giải mã LDPC dùng giản đồ Tanner (Thuật toán tổng tích)
• 2.4. Cách tạo từ mã Protograph LDPC
• 2.5. Mã không đục lỗ
• 2.6. Hiệu năng của mã Protograph LDPC trên kênh AWGN
• 2.7. Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (Multiple-Input Multiple-Output)
• 2.8. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án
• 2.8.1. Những nghiên cứu trong nước
• 2.8.2. Những nghiên cứu ngoài nước
• 2.9. Kết luận chương 1
• 3. TÁCH SÓNG TÍN HIỆU CHO KÊNH LS-MIMO DỰA TRÊN THUẬT TOÁN LAN TRUYỀN TIN CẬY
• 3.1. Mô hình kênh LS-MIMO với bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp ở phía thu
• 3.2. Thuật toán tách sóng tín hiệu dựa trên thuật toán lan truyền độ tin cậy
• 3.2.1. Cập nhật thông tin tại nút quan sát ON
• 3.2.2. Cập nhật thông tin ở nút ký hiệu SN
• 3.3. Kết quả mô phỏng
• 3.4. Kết luận chương 2
• 4. THIẾT KẾ MÃ PROTOGRAPH LDPC CHO KÊNH LS-MIMO
• 4.1. Mô hình máy thu kết hợp tách sóng và giải mã LDPC dựa trên giản đồ Tanner
• 4.2. Thuật toán LS-MIMO-PEXIT
• 4.3. Thiết kế mã Protograph LDPC cho kênh LS-MIMO
• 4.4. Hiệu năng các mã Protograph LDPC đề xuất cho các kênh LS-MIMO
• 4.5. Kết luận chương 3
• 5. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG LS-MIMO VỚI BỘ ADC CÓ ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP
• 5.1. Mô hình kênh thông tin LS-MIMO với Bộ ADC có độ phân giải thấp
• 5.2. Thuật toán tách sóng và giải mã Protophraph LDPC cho kênh LS-MIMO với bộ ADC có độ phân giải thấp
• 5.2.1. Thông tin truyền từ nút quan sát đến nút ký hiệu
• 5.2.2. Thông tin truyền từ nút biến đến nút kiểm tra
• 5.2.3. Thông tin truyền từ nút kiểm tra đến nút biến
• 5.2.4. Thông tin truyền từ nút ký hiệu đến nút quan sát
• 5.2.5. Thông tin hậu nghiệm của bit từ mã
• 5.3. Thuật toán tính ngưỡng giải mã cho kênh LS-MIMO với độ phân giải thấp
• 5.3.1. MIMO-LDPC Protograph liên hợp
• 5.3.2. Luồng thông tin tương hỗ chuyển tiếp
• 5.3.3. Luồng thông tin tương hỗ ngược lại
• 5.3.4. Thông tin tương hỗ APP
• 5.3.5. Thuật toán PEXIT đề xuất
• 5.4. Phân tích hiệu năng của các mã protograph LDPC phổ biến
• 5.5. Kết quả mô phỏng
• 5.6. Kết luận chương 4
• NHỮNG ĐÓ LUÂNNG CỐNG CỦA LUẬN ÁN
• Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
• NHỮNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN TIẾP THEO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về mã hóa LDPC và hệ thống MIMO

Mã hóa LDPC (mã hóa LDPC) là một trong những kỹ thuật mã hóa kênh tiên tiến, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống truyền thông hiện đại. Hệ thống MIMO (hệ thống MIMO) cho phép truyền tải nhiều tín hiệu đồng thời qua nhiều ăng-ten, từ đó nâng cao hiệu suất truyền dẫn. Việc kết hợp giữa mã hóa LDPC và hệ thống MIMO cỡ lớn (mã hóa kênh) mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt trong việc cải thiện khả năng chống nhiễu và tăng cường dung lượng kênh. Theo nghiên cứu, mã LDPC có khả năng đạt được hiệu suất gần với giới hạn Shannon, điều này làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu băng thông cao và độ tin cậy cao trong truyền thông không dây.

1.1. Tính năng của mã hóa LDPC

Mã LDPC được thiết kế với cấu trúc ma trận kiểm tra chẵn lẻ có mật độ thấp, cho phép thực hiện giải mã hiệu quả. Kỹ thuật này sử dụng thuật toán truyền lan tin cậy (kỹ thuật mã hóa) để cải thiện hiệu suất giải mã. Mã LDPC có thể được áp dụng cho nhiều loại kênh truyền khác nhau, bao gồm kênh AWGN và kênh MIMO. Việc sử dụng mã LDPC trong hệ thống MIMO giúp tối ưu hóa việc truyền tải thông tin, giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit (tín hiệu số) và tăng cường khả năng chống nhiễu. Nghiên cứu cho thấy rằng mã LDPC có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống MIMO, đặc biệt trong các điều kiện kênh khó khăn.

1.2. Hệ thống MIMO cỡ lớn

Hệ thống MIMO cỡ lớn (hệ thống truyền thông) sử dụng một số lượng lớn ăng-ten để truyền và nhận tín hiệu, từ đó tăng cường khả năng truyền tải dữ liệu. Công nghệ này cho phép tăng cường dung lượng kênh mà không cần tăng băng thông. Hệ thống MIMO cỡ lớn có thể đạt được hiệu suất cao hơn so với các hệ thống MIMO truyền thống nhờ vào việc sử dụng nhiều ăng-ten. Việc áp dụng mã LDPC trong hệ thống này giúp cải thiện khả năng truyền tải thông tin, đồng thời giảm thiểu độ phức tạp trong quá trình giải mã. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp mã LDPC với hệ thống MIMO cỡ lớn có thể mang lại hiệu suất truyền dẫn vượt trội, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu băng thông cao.

II. Phân tích hiệu năng của mã LDPC trong hệ thống MIMO

Phân tích hiệu năng của mã LDPC trong hệ thống MIMO cỡ lớn cho thấy rằng mã LDPC có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ lỗi bit và hiệu suất truyền dẫn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mã LDPC có thể đạt được hiệu suất gần với giới hạn Shannon trong các điều kiện kênh khác nhau. Việc sử dụng mã LDPC trong hệ thống MIMO giúp tối ưu hóa việc truyền tải thông tin, giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit và tăng cường khả năng chống nhiễu. Các mô phỏng cho thấy rằng mã LDPC có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống MIMO, đặc biệt trong các điều kiện kênh khó khăn.

2.1. Tỷ lệ lỗi bit và hiệu suất truyền dẫn

Tỷ lệ lỗi bit (tín hiệu số) là một trong những chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất của hệ thống truyền thông. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng mã LDPC trong hệ thống MIMO cỡ lớn có thể giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit một cách đáng kể. Các mô phỏng cho thấy rằng mã LDPC có thể đạt được hiệu suất gần với giới hạn Shannon, điều này cho thấy khả năng truyền tải thông tin hiệu quả trong các điều kiện kênh khác nhau. Việc tối ưu hóa mã LDPC cho hệ thống MIMO cỡ lớn không chỉ giúp cải thiện tỷ lệ lỗi bit mà còn tăng cường khả năng chống nhiễu, từ đó nâng cao hiệu suất truyền dẫn tổng thể của hệ thống.

2.2. Khả năng chống nhiễu và độ tin cậy

Khả năng chống nhiễu là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của hệ thống truyền thông. Mã LDPC có khả năng chống nhiễu tốt nhờ vào cấu trúc mã hóa hiệu quả. Việc áp dụng mã LDPC trong hệ thống MIMO cỡ lớn giúp cải thiện độ tin cậy của việc truyền tải thông tin. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mã LDPC có thể duy trì hiệu suất cao ngay cả trong các điều kiện kênh khó khăn, từ đó đảm bảo độ tin cậy của hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu băng thông cao và độ tin cậy cao trong truyền thông không dây.

III. Giải pháp mã hóa LDPC cho hệ thống MIMO cỡ lớn

Giải pháp mã hóa LDPC cho hệ thống MIMO cỡ lớn được đề xuất nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn và giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit. Việc kết hợp mã LDPC với hệ thống MIMO cỡ lớn không chỉ giúp cải thiện hiệu suất truyền tải thông tin mà còn tăng cường khả năng chống nhiễu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng mã LDPC trong hệ thống MIMO cỡ lớn có thể mang lại hiệu suất vượt trội, đặc biệt trong các điều kiện kênh khó khăn. Giải pháp này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong các hệ thống truyền thông hiện đại.

3.1. Thiết kế mã LDPC cho hệ thống MIMO

Thiết kế mã LDPC cho hệ thống MIMO cỡ lớn yêu cầu sự cân nhắc kỹ lưỡng về cấu trúc mã và thuật toán giải mã. Việc tối ưu hóa mã LDPC cho hệ thống MIMO cỡ lớn có thể giúp cải thiện hiệu suất truyền tải thông tin và giảm thiểu tỷ lệ lỗi bit. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng mã LDPC trong hệ thống MIMO cỡ lớn có thể mang lại hiệu suất vượt trội, đặc biệt trong các điều kiện kênh khó khăn. Giải pháp này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong các hệ thống truyền thông hiện đại.

3.2. Ứng dụng thực tiễn của mã LDPC trong hệ thống MIMO

Mã LDPC có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ truyền thông di động đến truyền thông vệ tinh. Việc áp dụng mã LDPC trong hệ thống MIMO cỡ lớn giúp cải thiện hiệu suất truyền tải thông tin và tăng cường khả năng chống nhiễu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mã LDPC có thể đạt được hiệu suất gần với giới hạn Shannon, điều này cho thấy khả năng truyền tải thông tin hiệu quả trong các điều kiện kênh khác nhau. Giải pháp này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong các hệ thống truyền thông hiện đại.