Chương 1: Trình bày các lý thuyết tổng quan trong nghiên cứu hiệu năng của hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn. - Chương 2: Nghiên cứu ảnh hưởng và thiết kế bộ ADC đồng nhất độ phân giải thấp từ 1 đến 2 bit cho các hệ thống MIMO cỡ lớn. - Chương 3: Nghiên cứu giải pháp và thiết kế mã Protograph LDPC có tỉ lệ thích ứng cho hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn với bộ ADC đồng nhất độ phân giải thấp 1 bit. - Chương 4: Nghiên cứu và đề xuất thuật toán tách sóng MIMO và giải mã P-LDPC kết hợp cho hệ thống MIMO cỡ lớn với bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải hỗn hợp.
- Kết luận: Trình bày những đóng góp mới của luận án cũng như hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai của đề tài nghiên cứu thuật toán tách sóng và giải mã P- LDPC cho hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn với bộ ADC độ phân giải thấp. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP SỬ DỤNG MÃ P-LDPC Công nghệ đa đầu vào đa đầu ra cỡ lớn (LS-MIMO) là một trong những kỹ thuật quan trọng cho phép triển khai mạng không dây thế hệ thứ 5 (5G). Do sở hữu một số lượng lớn các ăng-ten tại trạm gốc (BS), các hệ thống MIMO lớn có thể mang lại những cải thiện đáng kể về hiệu suất phổ (SE). Tuy nhiên, số lượng ăng-ten tăng lên làm tăng đáng kể mức tiêu thụ năng lượng trên mạch tần số vô tuyến (RF).
Theo đó, một hướng nghiên cứu quan trọng là làm thế nào cải thiện hiệu quả năng lượng (EE) hay hiệu năng của hệ thống thông tin MIMO mà vẫn đảm bảo hiệu suất phổ và yêu cầu về độ trễ xử lý. Phần đầu của chương này trình bày các lý thuyết tổng quan về các khái niệm và vấn đề hiệu năng của hệ thống thông tin MIMO cỡ lớn. Phần tiếp theo của chương trình bày ngắn gọn các nghiên cứu và lý thuyết cơ sở về các đối tượng nghiên cứu chính của luận án. Trong phần cuối, các khảo sát và phân tích về các công trình nghiên cứu có liên quan trong và ngoài nước được xem xét để làm rõ các mục tiêu của luận án.
Công nghệ đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) Các mạng di động thương mại đã phát triển nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu dữ liệu ngày càng tăng trong nhiều thập kỷ kể từ khi hệ thống di động thế hệ đầu tiên (1G) ra đời vào năm 1980. Gần đây, sách trắng do Cisco phát hành đã khẳng định rằng mạng 4G hiện tại không thể đáp ứng nhu cầu dữ liệu không dây trong tương lai gần [33]. Một trong những thách thức chính trong thiết kế hệ thống di động thế hệ tiếp theo (5G) nằm ở việc cải thiện SE. Công nghệ MIMO đã được chuẩn hóa và thương mại hóa trong mạng 5G [34].
Để cải thiện hơn nữa SE, kỹ thuật MIMO cỡ lớn (còn được gọi là hệ thống ăng ten quy mô lớn, MIMO rất lớn, siêu MIMO, MIMO đầy đủ kích thước) sử dụng số lượng ăng ten BS lớn hơn nhiều so với trong các hệ thống MIMO truyền thống và đã được coi là một trong những tính năng chính trong 5G [4], [5], [24], [35]–[37]. Tuy nhiên, cho đến nay số lượng ăng ten quy chuẩn cho một hệ thống MIMO cỡ lớn vẫn chưa được quy định cụ thể. Ví dụ, vào tháng 8 năm 2016 Ericsson đã trình diễn hệ thống MIMO cỡ lớn phiên bản thương mại đầu tiên trên thế giới là Ericsson AIR 6468, với 64 ăng 7 ten thu [38]. Tiếp đó, HUAWEI và Samsung cũng xem xét sử dụng 32 và 64 ăng ten thu trong các ứng dụng 5G mới nhất của họ [39], [40].
Hơn nữa, để các kết quả so sánh là công bằng với các công trình nghiên cứu gần nhất, số lượng ăng ten trong các nghiên cứu của luận án được lựa chọn trong khoảng từ 10 cho đến 100, như đã được giới hạn ở trên. Một số khái niệm cơ sở trong một hệ thống MIMO cỡ lớn được xem xét trong luận án này được trình bày dưới đây. Dung lượng kênh Dung lượng kênh được định nghĩa là tốc độ tối đa mà thông tin có thể truyền qua kênh một cách đáng tin cậy. Khái niệm về dung lượng kênh được Shannon đưa ra lần đầu tiên vào năm 1948 [41], trong đó chỉ ra rằng có một giới hạn lý thuyết về dung lượng kênh.
Giới hạn này tương ứng với mức tối đa của thông tin tương hỗ 𝐼(𝑠, 𝑦) giữa tín hiệu truyền s và tín hiệu nhận được y: 𝐶 = 𝑚𝑎𝑥𝑝𝑠(𝑆) 𝐼(𝑠, 𝑦) (1.1) Trong đó, 𝑝𝑠 là hàm mật độ xác suất của tín hiệu truyền. Trong công trình [15], Telatar đưa ra biểu thức lý thuyết cho dung lượng kênh MIMO trong các kênh Rayleigh Fading. Ông chỉ ra rằng dung lượng này tăng tuyến tính với số lượng tối thiểu của ăng ten thu và ăng ten phát. Dung lượng này phụ thuộc phần lớn vào mô hình kênh, do vậy, dung lượng kênh tức thời được xem xét khi ma trận kênh H được xác định.
Kênh Rayleigh Fading được sử dụng trong các mô hình hệ thống MIMO, được xem xét trong các công trình nghiên cứu của luận án này. Mô hình hệ thống MIMO Xem xét một hệ thống truyền thông không dây được mã hóa MIMO, có M ăng ten phát (đầu vào) và N ăng ten thu (đầu ra) như Hình 1. Tại máy phát, một khối bit thông tin 𝑏 kích thước 𝐿𝑖 đầu tiên được mã hóa bởi bộ mã hóa thành một từ mã c với độ dài các bit được mã hóa là 𝐿𝑐. Giá trị của 𝐿𝑐 được biểu diễn thông qua 𝐿𝑖 thông qua tỉ lệ mã hóa 𝑅 = 𝐿𝑖 / 𝐿𝑐.
Bộ mã hóa kênh có thể là bộ mã hóa chập, bộ mã hóa turbo hoặc bộ mã hóa LDPC. Các bit được mã hóa 𝑐 ∈ {0, 1} được điều chế thông qua bộ điều chế pha nhị phân (BPSK) với các mức đầu ra thuộc tập 𝑠 = (−1)𝑐 ∈ {+1, −1}. Trong một lần sử dụng kênh, sử dụng 8 sơ đồ ghép kênh không gian [20], M tín hiệu được điều chế sẽ được truyền thông qua M ăng ten. Như vậy, nó đòi hỏi sử dụng kênh 𝐿 = [𝐿𝑐 / 𝑀] lần để truyền tất cả các bit được mã hóa 𝐿𝑐.
Mô hình tổng quan hệ thống thông tin MIMO mã hóa Như vậy, kênh MIMO được mô hình bằng toán học như sau: 𝑟 = 𝐻𝑥 + 𝑤 (1.2) Trong đó, 𝑥 = [x1 , x2 , … , x𝑚 ]𝑇 là tín hiệu MIMO được truyền đi với các phần tử thuộc 2 miền giá trị của bộ điều chế pha nhị phân. Năng lượng tín hiệu trung bình 𝐸𝑠 = 𝐸(||𝑥|| ) được chuẩn hóa về 1. Ma trận 𝐻 𝜖 ∁𝑁 𝑥 𝑀 là ma trận hệ số kênh chứa các thành phần ℎ[𝑛, 𝑚] tại hàng n và cột m của ma trận 𝐻.3) ⋮ … ⋮ ℎ𝑛1 ℎ𝑛2 ⋯ ℎ𝑛𝑚 Giả sử giá trị ℎ[𝑛, 𝑚] là các phần tử của ma trận H, có giá trị tuân theo phân phối Gauss phức với độ lệch chuẩn bằng 0 và phương sai đơn vị, được ký hiệu ∁𝒩 (0, 1). Như được giới hạn trong phần phạm vi luận án, các nghiên cứu trong luận án này được thực hiện với giả thiết rằng thông tin trạng thái kênh (CSI) là có ở phía thu nhưng không có ở phía phát.
Theo đó, vector nhiễu 𝑊 = [𝑤 [1], 𝑤[2],· · · , 𝑤[𝑁]]𝑇 T 𝜖 C N x 1 được giả sử là 9 vector nhiễu Gauss trắng cộng với các phần tử tuân theo phân phối chuẩn Gauss với trung bình không và phương sai N0, nghĩa là ∁𝒩 (0, 𝑁0 ). Cuối cùng, 𝑟 = [𝑟[1], 𝑟[2],· · · , 𝑟[𝑁]]T 𝜖 CN x 1 là vector tín hiệu nhận được với 𝑟[𝑛] là tín hiệu nhận được tại ăng ten thứ n. Tại máy thu, chúng ta có thể quan sát thấy tổng tuyến tính của các ký hiệu được truyền trong kênh MIMO bị nhiễu. Do vậy, một nhiệm vụ của bộ tách sóng MIMO là khôi phục lại được vector 𝑥 được truyền từ vector 𝑟 chứa nhiễu nhận được.
Tiếp đó, các hoạt động ngược lại được thực hiện để khôi phục thông tin đã truyền. Đầu tiên, tín hiệu nhận được tại mỗi ăng ten thu, 𝑟[𝑛] với 𝑛 = 1, 2, … , 𝑁 được chuyển đổi từ dạng tương tự sang dạng số thông qua một cặp ADC tại mô-đun tần số vô tuyến. Sau đó, các ký hiệu này được giải điều chế và giải mã LDPC. Quá trình này được thực hiện trong một tiến trình lặp liên tục, nhờ vậy hiệu năng của hệ thống được cải thiện.
Thuật toán tách sóng và giải mã phía thu này sẽ được trình bày chi tiết trong các nội dung nghiên cứu tại Chương 3 và Chương 4 của luận án. Phần tiếp theo sẽ trình bày về bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) độ phân giải ∑ 𝑏𝑖𝑡 tại phía thu. Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC) Ngày nay, bộ ADC được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau. Trong khi đó, tần số sóng mang cũng như băng thông ngày càng mở rộng, đòi hỏi tốc độ lấy mẫu cao hơn và tăng băng thông đầu vào tín hiệu tương tự.
Tuy nhiên, hiệu năng của các bộ thu kỹ thuật số, còn được gọi là bộ thu vô tuyến phần mềm, bị hạn chế bởi độ méo (distortion) do ADC tạo ra và các yêu cầu về dải tín hiệu điển hình khó đáp ứng với các bộ chuyển đổi hiện có trên thị trường [42]. Các bộ ADC được sử dụng tại trạm gốc để chuyển đổi tín hiệu tương tự nhận được thành tín hiệu số. Một bộ tách sóng sau đó được sử dụng để khôi phục các tín hiệu đã truyền. Hoạt động của bộ lượng tử hóa ADC được trình bày sau đây, để giải thích nguyên nhân sự ảnh hưởng nghiêm trọng của quá trình lượng tử hóa độ phân giải thấp đối với hiệu năng của các hệ thống MIMO cỡ lớn.
Hoạt động của bộ ADC Bộ chuyển đổi ADC trong thực tế là một thiết bị điện tử phức tạp. Tuy nhiên, lý thuyết hoạt động của một bộ chuyển đổi ∑-bit lý thuyết tương đối đơn giản để giải thích. Bộ chuyển 10 đổi có tín hiệu đầu vào thời gian liên tục, được ký hiệu là 𝑠(𝑡 ). Tín hiệu này có thể giả định bất kỳ giá trị thực nào, có thể bị giới hạn trong miền hữu hạn, tức là 𝑠(𝑡 ) là liên tục cả về biên độ và thời gian.