Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Nghiên cứu thuật toán tách sóng và giải mã P-LDPC cho hệ thống MIMO cỡ lớn sử dụng ADC độ phân giải thấp

• Tác giả: Đặng Ngọc Hùng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Thủy – Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
• Trường học: Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
• Chuyên ngành: Công nghệ thông tin
• Đề tài: Nghiên cứu thuật toán tách sóng và giải mã P-LDPC cho hệ thống MIMO cỡ lớn với ADC độ phân giải thấp
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỤC LỤC
• 1.1. LỜI CAM ĐOAN
• 1.2. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1.3. DANH MỤC KÝ HIỆU
• 1.4. DANH MỤC HÌNH VẼ
• 1.5. DANH MỤC BẢNG
• 1.6. MỞ ĐẦU
• 1.7. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP SỬ DỤNG MÃ P-LDPC
• 1.7.1. Công nghệ đa đầu vào đa đầu ra (MIMO)
• 1.7.2. Dung lượng kênh
• 1.7.3. Mô hình hệ thống MIMO
• 1.7.4. Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC)
• 1.7.4.1. Hoạt động của bộ ADC
• 1.7.4.2. Độ phân giải của bộ ADC
• 1.7.5. Hiệu năng của các mã protograph LDPC
• 1.7.6. Thiết kế mã protograph LDPC
• 1.7.7. Đánh giá hiệu năng giải pháp mã P-LDPC
• 1.7.8. Các nghiên cứu liên quan
• 1.7.9. Bộ ADC độ phân giải thấp (1 đến 2 bit)
• 1.7.10. Mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng
• 1.7.11. Thuật toán tách sóng và giải mã phía thu
• 1.7.12. Kết luận chương
• 1.8. ĐỀ XUẤT BỘ ADC ĐỒNG NHẤT ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP CHO HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN
• 1.8.1. Mô hình hệ thống
• 1.8.2. Bộ ADC độ phân giải thấp
• 1.8.3. Bộ tách sóng tín hiệu kết hợp tỉ lệ tối đa (MRC)
• 1.8.4. Tối ưu hóa lượng tử đồng nhất
• 1.8.4.1. Lượng tử hóa tối ưu đồng nhất cho ADC độ phân giải thấp
• 1.8.4.2. Lượng tử tối ưu hóa đồng nhất cho T-ADC. Mô phỏng và đánh giá
• 1.8.5. Kết luận chương
• 1.9. THIẾT KẾ MÃ P-LDPC CHO HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN VỚI BỘ ADC ĐỘ PHÂN GIẢI THẤP
• 1.9.1. Hiệu năng mã LDPC trong hệ thống truyền thông LS-MIMO
• 1.9.2. Mô hình hệ thống
• 1.9.3. Bộ ADC đồng nhất 1-bit tối ưu
• 1.9.4. Thuật toán tách sóng và giải mã P-LPDC kết hợp
• 1.9.5. Mô phỏng và đánh giá kết quả
• 1.9.6. Thiết kế mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng
• 1.9.6.1. Bài toán thiết kế mã P-LDPC
• 1.9.6.2. Thiết kế mã P-LDPC cho LS-MIMO với bộ ADC tối ưu 1-bit
• 1.9.6.3. Mô phỏng và đánh giá kết quả
• 1.9.7. Kết luận chương
• 1.10. THUẬT TOÁN TÁCH SÓNG VÀ GIẢI MÃ P-LDPC CHO HỆ THỐNG LS-MIMO VỚI ADC HỖN HỢP
• 1.10.1. Mô hình hệ thống
• 1.10.2. Thuật toán tách sóng và giải mã P-LDPC cho LS-MIMO với ADC hỗn hợp
• 1.10.2.1. Thông điệp 𝜶 được truyền từ nút giám sát tới nút ký hiệu
• 1.10.2.2. Thông điệp 𝒂 được truyền từ nút biến tới nút kiểm tra
• 1.10.2.3. Thông điệp 𝒃 được truyền từ các nút kiểm tra tới nút biến
• 1.10.2.4. Thông điệp 𝜷 được truyền từ các nút ký hiệu tới nút giám sát
• 1.10.2.5. Thông điệp hậu nghiệm 𝚪 của các bít từ mã
• 1.10.3. Thuật toán PEXIT đề xuất cho hệ thống LS-MIMO với ADC hỗn hợp
• 1.10.3.1. Đồ thị hai lớp MIMO và Protograph LDPC kết hợp
• 1.10.3.2. Luồng thông tin tương hỗ thuận
• 1.10.3.3. Luồng thông tin tương hỗ nghịch
• 1.10.3.4. Thông tin tương hỗ APP
• 1.10.4. Thuật toán PEXIT đề xuất cho các hệ thống truyền thông LS-MIMO với ADC hỗn hợp
• 1.10.5. Đánh giá thuật toán ADC-Mixed-LS-MIMO-PEXIT
• 1.10.6. Mô phỏng hệ thống với bộ thu tách sóng và giải mã P-LDPC kết hợp
• 1.10.7. Kết luận chương
• 1.11. Những đóng góp chính
• 1.12. Nghiên cứu trong tương lai
• DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống MIMO cỡ lớn với bộ ADC độ phân giải thấp sử dụng mã P LDPC

Hệ thống MIMO cỡ lớn (LS-MIMO) đã trở thành công nghệ nền tảng trong các mạng không dây thế hệ mới, đặc biệt là 5G. Thuật toán tách sóng và giải mã P-LDPC đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất phổ (SE) và hiệu quả năng lượng (EE). Bộ ADC độ phân giải thấp (1-2 bit) được nghiên cứu nhằm giảm tiêu thụ năng lượng trong các hệ thống này. Mã P-LDPC với khả năng sửa lỗi cao và độ phức tạp giải mã thấp, phù hợp cho các hệ thống LS-MIMO. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc tối ưu hóa thuật toán tách sóng và giải mã để đạt được hiệu năng tối ưu trong điều kiện sử dụng ADC độ phân giải thấp.

1.1. Công nghệ đa đầu vào đa đầu ra MIMO

Công nghệ MIMO cho phép tăng dung lượng kênh và cải thiện hiệu suất phổ thông qua việc sử dụng nhiều anten phát và thu. Hệ thống MIMO cỡ lớn (LS-MIMO) với hàng trăm anten đã được triển khai trong các mạng 5G. Tuy nhiên, việc sử dụng ADC độ phân giải cao trong các hệ thống này dẫn đến tiêu thụ năng lượng lớn. ADC độ phân giải thấp (1-2 bit) được đề xuất như một giải pháp tiết kiệm năng lượng, nhưng đòi hỏi các thuật toán tách sóng và giải mã hiệu quả để duy trì hiệu năng hệ thống.

1.2. Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC

Bộ ADC là thành phần quan trọng trong các hệ thống MIMO, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số. ADC độ phân giải thấp (1-2 bit) giúp giảm đáng kể tiêu thụ năng lượng, nhưng cũng gây ra nhiễu lượng tử. Các nghiên cứu gần đây tập trung vào việc tối ưu hóa độ phân giải ADC và thuật toán tách sóng để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu lượng tử. Mã P-LDPC được sử dụng để cải thiện độ tin cậy đường truyền trong các hệ thống sử dụng ADC độ phân giải thấp.

II. Đề xuất bộ ADC đồng nhất độ phân giải thấp cho hệ thống MIMO cỡ lớn

Bộ ADC độ phân giải thấp (1-2 bit) được đề xuất như một giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống LS-MIMO. Thuật toán tách sóng tín hiệu kết hợp tỉ lệ tối đa (MRC) được sử dụng để tối ưu hóa hiệu năng hệ thống. Lượng tử hóa tối ưu đồng nhất được nghiên cứu để giảm thiểu nhiễu lượng tử trong các hệ thống sử dụng ADC độ phân giải thấp. Các kết quả mô phỏng cho thấy, bộ ADC độ phân giải thấp có thể đạt được hiệu năng tương đương với ADC độ phân giải cao khi kết hợp với các thuật toán tách sóng và giải mã hiệu quả.

2.1. Mô hình hệ thống

Mô hình hệ thống LS-MIMO với bộ ADC độ phân giải thấp được thiết kế để đánh giá hiệu năng của các thuật toán tách sóng và giải mã. Mã P-LDPC được sử dụng để cải thiện độ tin cậy đường truyền. Thuật toán tách sóng MRC được áp dụng để tối ưu hóa hiệu năng hệ thống trong điều kiện sử dụng ADC độ phân giải thấp. Các kết quả mô phỏng cho thấy, bộ ADC độ phân giải thấp có thể đạt được hiệu năng tương đương với ADC độ phân giải cao khi kết hợp với các thuật toán tách sóng và giải mã hiệu quả.

2.2. Tối ưu hóa lượng tử đồng nhất

Lượng tử hóa tối ưu đồng nhất được nghiên cứu để giảm thiểu nhiễu lượng tử trong các hệ thống sử dụng ADC độ phân giải thấp. Thuật toán tách sóng MRC được sử dụng để tối ưu hóa hiệu năng hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy, bộ ADC độ phân giải thấp có thể đạt được hiệu năng tương đương với ADC độ phân giải cao khi kết hợp với các thuật toán tách sóng và giải mã hiệu quả.

III. Thiết kế mã P LDPC cho hệ thống MIMO cỡ lớn với bộ ADC độ phân giải thấp

Mã P-LDPC được thiết kế để cải thiện hiệu năng của các hệ thống LS-MIMO sử dụng bộ ADC độ phân giải thấp. Thuật toán tách sóng và giải mã P-LDPC kết hợp được đề xuất để tối ưu hóa hiệu năng hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy, mã P-LDPC có thể cải thiện đáng kể độ tin cậy đường truyền trong các hệ thống sử dụng ADC độ phân giải thấp. Thiết kế mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng được nghiên cứu để đáp ứng các yêu cầu khác nhau của hệ thống.

3.1. Hiệu năng mã LDPC trong hệ thống truyền thông LS MIMO

Hiệu năng mã LDPC trong các hệ thống LS-MIMO được đánh giá thông qua các kết quả mô phỏng. Thuật toán tách sóng và giải mã P-LDPC kết hợp được đề xuất để tối ưu hóa hiệu năng hệ thống. Các kết quả cho thấy, mã P-LDPC có thể cải thiện đáng kể độ tin cậy đường truyền trong các hệ thống sử dụng ADC độ phân giải thấp. Thiết kế mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng được nghiên cứu để đáp ứng các yêu cầu khác nhau của hệ thống.

3.2. Thiết kế mã P LDPC có tỉ lệ mã thích ứng

Thiết kế mã P-LDPC có tỉ lệ mã thích ứng được nghiên cứu để đáp ứng các yêu cầu khác nhau của hệ thống. Thuật toán tách sóng và giải mã P-LDPC kết hợp được đề xuất để tối ưu hóa hiệu năng hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy, mã P-LDPC có thể cải thiện đáng kể độ tin cậy đường truyền trong các hệ thống sử dụng ADC độ phân giải thấp.