Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tách tín hiệu giải mã cầu định hướng thực thi trên FPGA cho hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:124

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu tách tín hiệu giải mã cầu định hướng thực thi trên FPGA cho hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về hệ thống chuyển tiếp thông tin vô tuyến; Thuật toán tách và xử lý tín hiệu cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO; Thiết kế kiến trúc phần cứng tách và xử lý tín hiệu cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu tách tín hiệu giải mã cầu định hướng thực thi trên FPGA cho hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN MINH THƯỜNG NGHIÊN CỨU TÁCH TÍN HIỆU GIẢI MÃ CẦU ĐỊNH HƯỚNG THỰC THI TRÊN FPGA CHO HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN MIMO HAI CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2024
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN MINH THƯỜNG NGHIÊN CỨU TÁCH TÍN HIỆU GIẢI MÃ CẦU ĐỊNH HƯỚNG THỰC THI TRÊN FPGA CHO HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN MIMO HAI CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9.52.02.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS. Trần Xuân Nam 2. TS. Ngô Vũ Đức Hà Nội – 2024
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, các kết quả trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Nguyễn Minh Thường
ii LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, nghiên cứu sinh (NCS) đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, các ý kiến đóng góp quý báu và những lời động viên của các thầy hướng dẫn, các nhà khoa học, đồng nghiệp và gia đình. Trước hết, NCS xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc tới hai thầy giáo hướng dẫn là GS.TS. Trần Xuân Nam và TS. Ngô Vũ Đức, các thầy đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ NCS trong quá trình nghiên cứu. Các thầy không chỉ truyền thụ những tri thức, kinh nghiệm quý báu mà còn tạo nguồn cảm hứng và cũng như xây dựng tính kiên trì và lòng say mê trong nghiên cứu khoa học cho NCS. NCS xin trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Viện KH-CNQS, Phòng Đào tạo, Viện Điện tử đã hỗ trợ giúp đỡ các thủ tục và tạo điều kiện thuận lợi cho NCS hoàn thành Luận án. NCS xin trân trọng cảm ơn tới cá nhân và nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Trịnh Quang Kiên đã có những trao đổi, ý kiến đóng góp và hỗ trợ NCS trong quá trình thực hiện luận án. NCS cũng xin chân thành cảm ơn các cán bộ Phòng KTHT/Viện Công nghệ thông tin, Đảng ủy, chỉ huy Viện CNTT đã hỗ trợ, giúp đỡ chia sẻ những khó khăn với NCS kề từ những ngày bắt đầu nghiên cứu. Cuối cùng, NCS xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thành viên trong gia đình đã luôn động viên, cùng chia sẻ những khó khăn trong cuộc sống giúp tác giả hoàn thành luận án. Tác giả luận án Nguyễn Minh Thường
iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP THÔNG TIN VÔ TUYẾN 10 1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến đương đại . . . . . 10 1.2 Thông tin vô tuyến chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.1 Các kỹ thuật chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.2 Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến MIMO . . . . . . . . . . . . 17 1.3 Kỹ thuật tách và xử lý tín hiệu cho hệ thống vô tuyến MIMO . . 20 1.3.1 Kỹ thuật tách và xử lý tín hiệu MIMO tuyến tính . . . . . 21 1.3.2 Kỹ thuật tách và xử lý tín hiệu MIMO phi tuyến . . . . . 22 1.3.3 Kỹ thuật tách và xử lý hiệu áp dụng phương pháp giải mã cầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.4 Kỹ thuật tách và xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.5 Định hướng nghiên cứu của luận án . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.6 Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 CHƯƠNG 2. THUẬT TOÁN TÁCH VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN MIMO HAI CHIỀU 34 2.1 Khảo sát thuật toán giải mã cầu trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.1.1 Ảnh hưởng của bán kính cầu tìm kiếm đến độ phức tạp của thuật toán giải mã cầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.1.2 Ảnh hưởng phân bố thống kê của nút hợp lệ đến hiệu năng của thuật toán giải mã cầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
iv 2.1.3 Lựa chọn nút bằng thuật toán sắp xếp đệ quy . . . . . . . 56 2.1.4 Sự phụ thuộc của BER vào bán kính cầu tìm kiếm . . . . 59 2.2 Đề xuất thuật toán EHSD tách và xử lý tín hiệu . . . . . . . . . 60 2.3 Ứng dụng thuật toán EHSD tại máy thu cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO điểm-điểm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.4 Đề xuất thuật toán V-KBD tách và xử lý tín hiệu . . . . . . . . . 66 2.5 Ứng dụng thuật toán V-KBD tại trạm chuyển tiếp cho hệ thống vô tuyến MIMO hai chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.6 Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ KIẾN TRÚC PHẦN CỨNG TÁCH VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN MIMO HAI CHIỀU 75 3.1 Đề xuất kiến trúc phần cứng tối ưu thực thi thuật toán EHSD tại máy thu cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO điểm-điểm . 75 3.1.1 Khối tách và xử lý tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.1.2 Khối lựa chọn nút . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.1.3 Kiến trúc EHSD tổng thể . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.1.4 Thực thi và mô phỏng chức năng của kiến trúc đề xuất tại máy thu cho hệ thống vô tuyến MIMO điểm-điểm . . . 82 3.1.5 Đánh giá tính khả thi của kiến trúc đề xuất trên FPGA . 84 3.2 Đề xuất kiến trúc phần cứng tối ưu thực thi thuật toán V-KBD tại trạm chuyển tiếp cho hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.2.1 Khối tách và xử lý tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.2.2 Khối tổng hợp tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.2.3 Mô phỏng chức năng của kiến trúc đề xuất tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.2.4 Đánh giá tính khả thi của kiến trúc đề xuất trên FPGA . 93 3.3 Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 KẾT LUẬN 96 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT H H là một ma trận hij Phần tử hàng thứ i cột thứ j của ma trận H HT Chuyển vị của ma trận H HH Chuyển vị liên hợp phức của ma trận H H −1 Nghịch đảo của ma trận H I Ma trận đơn vị x x là biến số x x là một véc tơ ⊗ Phép toán XOR ∥y∥ Chuẩn hóa Ơ-cơ-lit của véc-tơ y (C)N ×N Ma trận phức có kích thước N × N D(˜ , y ) y ˆ Khoảng cách Euclid giữa hai véc-tơ y , y ˜ ˆ H = (hij )NR ×NT Ma trận kênh truyền của mô hình MIMO NR × NT M(.) Hàm ánh xạ biểu tượng vào chòm sao tín hiệu N∼ CN (µ, σ 2 I) Ma trận N có các phần thử thuộc phân phối chuẩn phức với kỳ vọng µ và phương sai σ 2 ℜ(a) Phép toán lấy phần thực của số phức a ℑ(a) Phép toán lấy phần ảo của số phức a ∥A∥2 F Chuẩn Frobenius của ma trận A E(.) Hàm lấy giá trị trung bình x(n) Véc-tơ của điểm nút n N xi Tổng tất cả các phần tử xi với i = m, m + 1, .., N i=m x Ước lượng cho véc tơ x O(M, N ) Độ phức tạp thuật toán theo giá trị M, N 3G Thế hệ thứ ba (Third Generation) 3GPP Dự án hợp tác thế hệ thứ ba (Third Generation Partnership Project) 4G Thế hệ thứ tư (Fourth Generation) 5G Thế hệ thứ năm (Fifth Generation) AF Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward) AI Trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence)
vi AWGN Tạp âm Gauss trắng cộng tính (Additive White Gaussian Noise) ASIC Vi mạch tích hợp với chức năng chuyên dụng (Application-Specific Integrated Circuit) BER Tỉ lệ lỗi bít (Bit Error Rate) BFS-SD Giải mã cầu tìm kiếm theo chiều rộng (Breadth First Search-SD) BPSK Khóa dịch pha nhị phân (Binary Phase Shift Keying) BS Trạm gốc (Base Station) BUFG Bộ đệm toàn cục (Global Buffer) CSW So sánh và tráo đổi (Compare and Swap) CU Người dùng di động (Cellular User) CV Véc-tơ cấu hình (Configuration Vector) D2D Thiết bị kết nối trực tiếp đến thiết bị không thông qua trạm gốc (Device-to-Device) DF Giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward) DFS-SD Giải mã cầu tìm kiếm theo chiều sâu (Depth First Search-SD) DL Học máy (Deep Learning) DSP Bộ xử lý tín hiệu số (Digital Signal Processor) DU Thiết bị kết nối (Device User) EDA Sắp xếp hướng trị riêng (Eigen-Direction Alignment EHSD Giải mã cầu lai cải tiến (Enhanced Hybrid Sphere Decoding) FF Phần tử nhớ Flip-Flop trong FPGA FPGA Vi mạch chứa các cổng lô-gic khả trình (Field- Programmable Gate Arrays) FSD Giải mã hình cầu có độ phức tạp cố định (fixed-complexity sphere decoder) GS Sắp xếp toàn cục (Global Sorting) LPB Khối xử lý lớp cơ sở (Basic Layer Processing Block) LLR Tỉ số hợp lệ theo hàm lô-ga-rít (Log Likelihood Ratio) LS Sắp xếp cục bộ (Local Sorting) LTE Tiến hóa dài hạn (Long Term Evolution)
vii LUT Bảng tra cứu (Lookup Table) MeL Học siêu việt (Meta Learning) MIMO Nhiều đầu vào-nhiều đầu ra (Multiple Input- Multiple Output) ML Hợp lệ cực đại (Maximum Likelihood) MMSE Sai số bình phương trung bình nhỏ nhất (Minimum Mean Square Error) NC Mã hóa mạng (Network Coding) NSB Khối lựa chọn các điểm nút hợp lệ (Valid Node Selection Block) PEP Xác suất lỗi cặp (Pairwise Error Probability) PF Xử lý và chuyển tiếp (Processing and Forward) PNC Mã hóa mạng lớp vật lý (Physical Layer Network Coding) QAM Điều chế biên độ cầu phương (Quadrature Amplitude Modulation) QRD Phân tích QR (QR Decomposition) QPSK Khóa dịch pha cầu phương(Quadrature Amplitude Modulation) RTL Mô tả lớp thanh ghi truyền tải (Register transfer level design) SD Giải mã cầu (Sphere Decoding) SDE Phần tử tính toán giải mã cầu cơ bản (SD-Element) SER Tỉ lệ lỗi sắp xếp (Sorting Error Rate) SDM Ghép kênh phân chia theo không gian (Spatial Division Multiplexing) SNR Tỉ số tín hiệu trên tạp âm (Signal to Noise Ratio) RVD Phân tích giá trị thực (Real-valued Decomposition) RS Trạm chuyển tiếp (Relay Station) TWRC Kênh chuyển tiếp hai chiều (Two-Way Relay Channel) ZF Cưỡng bức về không (Zero Forcing) V-BLAST Vertical Bell-Labs Layered Space-Time
viii V-KBD Tách K-Best với hệ số K biến đổi (Variable K-Best Detection) VHDL Ngôn ngữ đặc tả phần cứng cho vi mạch tích hợp tốc độ cao (Very high-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1 Số lượng nút tốt nhất giữ lại tại các mức áp dụng cho thuật toán EHSD áp dụng cho hệ thống vô tuyến MIMO điểm-điểm 4 × 4, 16-QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Bảng 2.2 Một số cấu hình của thuật toán V-KBD cho trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều 4 × 4 16-QAM . . . . . . . . . . . . 72 Bảng 3.1 So sánh kết quả thực thi EHSD với các công trình tương đương. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Vai trò của trạm chuyển tiếp trong hệ thống thông tin vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Hình 1.2 Mô hình chuyển tiếp thông tin vô tuyến một chiều . . . . . . 15 Hình 1.3 Mô hình mạng chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều . . . . 15 Hình 1.4 Chuyển tiếp thông tin vô tuyến hai chiều lớp vật lý . . . . . 16 Hình 1.5 Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến MIMO điểm-điểm . . 20 Hình 1.6 Mô hình hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều theo PNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Hình 1.7 Phẩm chất BER của bộ tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều áp dụng thuật toán ZF . . 30 Hình 1.8 Phẩm chất BER của bộ tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều sử dụng thuật toán MMSE 31 Hình 2.1 Cây tìm kiếm của thuật toán giải mã cầu theo chiến lược tìm kiếm theo chiều rộng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Hình 2.2 Hệ số phẩm chất BER của các thuật toán tách và xử lý tín hiệu trong hệ thống vô tuyến MIMO 4 × 4 sử dụng điều chế 16-QAM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Hình 2.3 Hệ số phẩm chất BER của thuật toán giải mã cầu trong hệ thống vô tuyến MIMO 6 × 6 sử dụng điều chế 16-QAM. . . . . . . 39 Hình 2.4 Hệ số phẩm chất BER của thuật toán giải mã cầu trong hệ thống vô tuyến MIMO 8 × 8 sử dụng điều chế 16-QAM. . . . . . . 40 Hình 2.5 Kỳ vọng của số lượng các điểm nút nằm trong hình cầu tìm kiếm tại mỗi mức thuộc cây tìm kiếm của bộ giải mã cầu áp dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 4 × 4 với điều chế 16-QAM 44 Hình 2.6 Phương sai của số lượng các điểm nút nằm trong hình cầu tìm kiếm tại mỗi mức thuộc cây tìm kiếm của bộ giải mã cầu áp dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 4 × 4 với điều chế 16-QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Hình 2.7 Kỳ vọng của số lượng các điểm nút nằm trong hình cầu tìm kiếm tại mỗi mức thuộc cây tìm kiếm của bộ giải mã cầu áp dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 6 × 6 với điều chế 16-QAM 46
xi Hình 2.8 Phương sai của số lượng các điểm nút nằm trong hình cầu tìm kiếm tại mỗi mức thuộc cây tìm kiếm của bộ giải mã cầu áp dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 6 × 6 với điều chế 16-QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Hình 2.9 Kỳ vọng của số lượng các điểm nút nằm trong hình cầu tìm kiếm tại mỗi mức thuộc cây tìm kiếm của bộ giải mã cầu áp dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 8 × 8 với điều chế 16-QAM 48 Hình 2.10 Phương sai của số lượng các điểm nút nằm trong hình cầu tìm kiếm tại mỗi mức thuộc cây tìm kiếm của bộ giải mã cầu áp dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 8 × 8 với điều chế 16-QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Hình 2.11 Số điểm nút tại các mức tính toán nhạy cảm nhất cho các hệ thống MIMO 4 × 4, 6 × 6, 8 × 8 được đưa ra từ CDF bao phủ 99, 999% số điểm nút tìm kiếm trong hình cầu . . . . . . . . . . . . 51 Hình 2.12 Số lượng các điểm nút đạt 99, 999% điểm nút nằm trong hình cầu tìm kiếm tại các mức của cây tìm kiếm của bộ giải mã cầu áp dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 4 × 4 với điều chế 16-QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Hình 2.13 Số lượng các điểm nút đạt 99, 999% điểm nút nằm trong hình cầu tìm kiếm tại các mức của cây tìm kiếm của bộ giải mã cầu áp dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 6 × 6 với điều chế 16-QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Hình 2.14 Số lượng các điểm nút đạt 99, 999% điểm nút nằm trong hình cầu tìm kiếm tại các mức của cây tìm kiếm của bộ giải mã cầu áp dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO 8 × 8 với điều chế 16-QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Hình 2.15 Tỉ lệ lỗi sắp xếp tại lớp thứ tư sử dụng hai phương pháp: sắp xếp cục bộ lựa chọn 4 điểm nút cục bộ tốt nhất và sắp xếp toàn cục lựa chọn 4 điểm toàn cục tốt nhất cho hệ thống MIMO 4 × 4 với điều chế 16−QAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Hình 2.16 Tỉ số của tỉ lệ lỗi sắp xếp với rsph = 3 cho hai mô hình sắp xếp LS và GS tại các mức quan trọng. . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Hình 2.17 Sự phụ thuộc của hệ số phẩm chất BER vào bán kính hình cầu lựa chọn cho hệ thống MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Hình 2.18 Cây tìm kiếm của thuật toán giải mã EHSD cho hệ thống MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
xii Hình 2.19 So sánh hệ số phẩm chất BER của các cấu hình EHSD với các thuật toán: ZF, MMSE, SD và ML . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Hình 2.20 Cây tìm kiếm cho thuật toán tách tín hiệu V-KBD . . . . . 69 Hình 2.21 Mô hình áp dụng thuật toán V-KBD cho hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Hình 2.22 Hệ số phẩm chất BER của bộ tách tín hiệu và chuyển tiếp vô tuyến MIMO 4 × 4 hai chiều áp dụng V-KBD . . . . . . . . . . 73 Hình 3.1 Sơ đồ khối của kiến trúc EHSD đề xuất cho MIMO N × N . 76 Hình 3.2 Kiến trúc phần cứng chi tiết cho thực thi khối LPB . . . . . 77 Hình 3.3 Kiến trúc phần cứng chi tiết cho thực thi khối NSB . . . . . 79 Hình 3.4 Kiến trúc EHSD tổng thể . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Hình 3.5 Sơ đồ kiểm tra chức năng của kiến trúc EHSD . . . . . . . . 83 Hình 3.6 Phẩm chất BER của bộ tách và tín hiệu EHSD thực thi trên FPGA và các thuật toán: ML, SD . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Hình 3.7 Bộ tách và xử lý tín hiệu EHSD: tài nguyên sử dụng và thông lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Hình 3.8 Kiến trúc phần cứng của bộ tách và xử lý tín hiệu V-KBD cho trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO N × N . . . . . . . . . . . . 88 Hình 3.9 Sơ đồ kiểm tra chức năng của kiến trúc V-KBD . . . . . . . 91 Hình 3.10 Hệ số phẩm chất BER của kiến trúc phần cứng V-KBD cho trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều . . . . . . . . . . . . . 92 Hình 3.11 Kết quả thực thi bộ tách và xử lý tín hiệu V-KBD cho trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO 4 × 4 hai chiều trên FPGA . . . . . . 94
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Hệ thống thông tin vô tuyến nhiều đầu vào và nhiều đầu ra MIMO (MIMO: Multiple-Input and Multiple-Output) giúp nâng cao dung lượng truyền dẫn thông tin vô tuyến bằng cách sử dụng nhiều ăng-ten truyền và nhận để khai thác sự lan truyền sóng đa đường trong không gian. Hệ thống thông tin vô tuyến MIMO là nền tảng cốt lõi trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G: Fourth- Generation), thế hệ thứ 5 (5G: Fifth-Generation), cũng như các thế hệ thông tin di động trong tương lai. Theo sự phát triển của mạng viễn thông thế hệ mới, các dịch vụ viễn thông như dịch vụ Internet vạn vật (IoT: Internet of Things), các dịch vụ phát triển trên nền tảng công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI: Artificial Intelligence) đã có sự phát triển bùng nổ và mạnh mẽ. Đến nay, sự phát triển các nền tảng và dịch vụ viễn thông đã tạo ra áp lực ngược lại với sự phát triển của các mạng thông tin vô tuyến, với các nhu cầu nâng cao tốc độ đường truyền, số lượng kết nối, vùng phủ sóng, độ tin cậy, độ lớn gói tin... Để đảm bảo các nhu cầu này, các thiết bị trao đổi thông tin trong mạng cần có các bộ xử lý tín hiệu tại máy thu và máy phát có tốc độ xử lý tính toán nhanh. Các khối tính toán và xử lý tín hiệu phải có độ tin cậy tính toán với các kiến trúc phần cứng xử lý được tối ưu. Tuy nhiên, chúng ta cũng cần phải cân bằng giữa các yêu cầu hệ số phẩm chất hệ thống với các chi phí phải trả giá đáp ứng cho thiết bị. Nhu cầu cung cấp dịch vụ viễn thông vô tuyến chất lượng cao cho các nhà máy, khu vực sản xuất, và cá nhân người dùng không chỉ ở các khu vực thành thị, mà ngày càng mở rộng và phát triển ở nhiều khu vực ở nông thôn, rừng núi và các khu vực xa trung tâm. Do đó, nhà cung cấp dịch vụ viễn thông cần phải không ngừng mở rộng hơn nữa vùng phủ sóng. Tuy nhiên, song song với nhu cầu đó, yêu cầu nâng cao tốc độ truyền dữ liệu vẫn cần phải được đảm bảo. Để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu, các thế hệ thông tin di động mới thường có xu hướng tăng tần số mang ở các vùng tần số rất cao (tần số của 4G lên đến 6Ghz và 5G lên đến 60Ghz). Do độ suy hao của sóng tín hiệu vô tuyến được truyền đi trong không gian tỉ lệ thuận với tần số sóng mang, nên khi nâng cao tần số sóng mang ảnh hưởng nhiều đến khả năng mở rộng cự ly vùng phủ sóng. Để khắc phục vấn đề này, trong mạng thông tin 4G và đặc biệt đối với mạng 5G cần thiết lập thêm các trạm chuyển tiếp thông tin vô tuyến vào trong mạng. Sự
2 bổ sung các trạm chuyển tiếp trong mạng, giúp cho mạng thông tin vô tuyến nâng cao chất lượng, độ tin cậy và tốc độ trao đổi thông tin. Tại các trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều, xử lý tín hiệu tại các bộ tách và xử lý tín hiệu là một vấn đề phức tạp và ảnh hưởng trực tiếp đến các hệ số phẩm chất trong hệ thống. Một trong các kỹ thuật chuyển tiếp được sử dụng cho hệ thống vô tuyến MIMO là kỹ thuật mã hóa mạng tại lớp vật lý (PNC: Physical layer Network Coding) được đưa ra bởi Zhang và các cộng sự [109, 110]. PNC có thể được coi như kỹ thuật tiềm năng thay thế cho kỹ thuật mã hóa mạng (NC: Network Coding) đã được áp dụng cho hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều. Kỹ thuật PNC do Zhang đề xuất có thể cho phép tăng 100% thông lượng hệ thống so với chuyển tiếp vô tuyến một chiều và 33, 33% so với mô hình chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều sử dụng kỹ thuật NC. Do vậy, chuyển tiếp vô tuyến sử dụng kỹ thuật PNC đã thu hút nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học. Hiệp và các cộng sự đã đề xuất thuật toán tách và xử lý tín hiệu trên cơ sở thuật toán tách tín hiệu ZF (Zero Forcing) và MMSE (MMSE: Minimum Mean Square Error ) cho trạm chuyển tiếp kết hợp với phương pháp tỉ số hợp lệ theo hàm lô-ga-rít (LLR: Log-Likelihood Ratio) và chọn lọc vào năm 2013 [96]. Sau đó, năm 2016, thuật toán này được Thiện và cộng sự đưa ra thiết kế kiến trúc phần cứng và thực thi cho hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều 2 × 2 sử dụng điều chế khóa dịch pha nhị phân (BPSK: Binary Phase Shift Keying) [54]. Kiến trúc này có độ phức tạp thấp, phù hợp với cài đặt trên các nền tảng công nghệ vi mạch chứa các cổng lô-gic khả trình (FPGA: Field-programmable Gate Array) và các vi mạch tích hợp chức năng chuyên dụng (ASIC: Application Specific Integrated ). Tuy nhiên, kiến trúc của các bộ tách và xử lý tín hiệu dừng lại ở mức chỉ có thể áp dụng được cho hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều có cấu hình 2 × 2 sử dụng điều chế BPSK với hiệu năng thấp, mà không thể khi áp dụng cho hệ thống MIMO có cấu cấu hình lớn hơn 2 × 2 sử dụng điều chế biên độ cầu phương (QAM: Quadrature Amplitude Modulation). Mô hình chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều sử dụng tách tín hiệu phi tuyến VBLAST được Zhang và công sự công bố năm 2013 áp dụng cho mô hình chuyển tiếp vô tuyến MIMO 2 × 2 sử dụng điều chế khóa dịch pha cầu phương (QPSK: Quadrature Phase-Shift Keying) nhưng giải pháp này có tỉ lệ lỗi bít lớn [56]. Trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO, thuật toán giải mã cầu (thuật toán SD: Sphere Decoding) cho hệ số phẩm chất tỉ lệ lỗi bít sau giải mã tốt, độ phức tạp thấp hơn thuật toán hợp lệ cực đại (ML: Maximum Likelihood ) và có
3 thể tùy chỉnh bán kính cầu tìm kiếm tương ứng với hệ số phẩm chất BER theo yêu cầu của hệ thống [16, 44, 84, 94, 95]. Vì vậy, thuật toán giải mã cầu có thể là một ứng viên tiềm năng cho xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp vô tuyến hai chiều thông thường và chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều. Với cấu hình hệ thống vô tuyến MIMO lớn, thuật toán giải mã cầu có ưu điểm là có độ phức tạp nhỏ hơn nhiều so với độ phức tạp của thuật toán giải mã ML [30, 37, 94]. Dù độ phức tạp của thuật toán SD nhỏ hơn nhiều so với thuật toán ML, nhưng hệ số phẩm chất BER của thuật toán SD có giá trị tiệm cận đến BER của thuật toán ML trong điều kiện lựa chọn bán kính cầu phù hợp hoặc hệ thống có tỉ số tín trên tạp đủ lớn [12, 103]. Mô hình phần cứng đề xuất thực hiện thuật toán SD lý thuyết tìm kiếm theo chiều sâu được cài đặt trên FPGA và đánh giá tính khả thi áp dụng thuật toán SD cho hệ thống vô tuyến MIMO trên phần cứng chuyên dụng [95, 101, 104] và hệ thống MIMO lớn [36]. Thuật toán SD có bán kính cầu lựa chọn phụ thuộc vào độ phẩm chất yêu cầu và nhiễu tạp tác động vào hệ thống. Trong quá trình duyệt cây tìm, nếu thuật toán SD không tìm được véc-tơ tín hiệu thỏa mãn nằm trong siêu cầu tìm kiếm, thì thuật toán SD thực hiện mở rộng bán kính cầu tìm kiếm và tiến hành duyệt cây tìm kiếm lại từ đầu [95]. Do đó, số lượng điểm nút được duyệt trên cây tìm kiếm và thời gian tách và xử lý tín hiệu không có giá trị cố định, số lượng các phép tính của thuật toán SD biến đổi theo số lượng các điểm nằm trong cầu tìm kiếm gây ra khó khăn trong xử lý tín hiệu thời gian thực, đặc biệt khi truyền thông tại tốc độ cao. Những vấn đề này gây khó khăn trong đồng bộ khi triển khai trên các hệ thống thực tế. Thuật toán giải mã cầu với độ phức tạp cố định (FSD: Fixed-Complexity Sphere Decoder ) [10] có độ phức tạp thấp, khắc phục được sự biến đổi của độ trễ tính toán của thuật toán SD lý thuyết. FSD được thực thi trên FGPA với các luồng xử lý song song cho hiệu năng tính toán cao và thông lượng tính toán cố định [11, 19, 21, 47, 49, 80]. Hệ số phẩm chất BER của FSD cho kết quả tốt hơn so với các thuật toán giải mã tuyến tính MMSE, ZF, V-BLAST, nhưng FSD có BER cao hơn khá nhiều so với thuật toán SD. Nguyên nhân là do sau tầng vét cạn, mỗi nhánh của cây tìm kiếm FSD chỉ chọn duy nhất một nút tốt nhất và loại bỏ tất cả các điểm nút còn lại trong nhánh đó. Phương pháp tìm kiếm này không là giải pháp tối ưu, nhiều trường hợp nút trong nhánh được giữ lại không phải là nút tốt hơn so với các nút ở nhánh khác bị loại. K-Best [99] được đề xuất có độ phức tạp thấp, cố định trong chu trình xử lý hướng đến thực thi triển khai thuật toán SD trên FPGA và ASIC [8, 13, 66, 72, 73, 93, 99]. Tại mỗi mức của
4 cây tìm kiếm thuật toán lựa chọn K điểm tốt nhất cố định đã được xác định trước đó. Với số lượng K nút cố định đưa xuống mức tiếp theo của cây tìm kiếm cho phép kiến trúc phần cứng thiết kế có thể được giữ nguyên cho xử lý tín hiệu tại các mức. Tương tự FSD, K-BEST có độ trễ xử lý tính toán cố định, xử lý theo các luồng tính toán song song, cho phép thiết kế tăng tốc độ bộ xử lý áp dụng theo kiến trúc đường ống sâu và đồng bộ giúp tăng thông lượng hệ thống. SD lý thuyết kết hợp với mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp được áp dụng cho chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều trong công trình [38] cho phép truyền tín hiệu tin cậy với SNR thấp. Trong [35], SD áp dụng cho chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều với bán kính cầu khởi tạo theo SNR có độ phức tạp thấp cho hệ số phẩm chất BER cao tiệm cận đến ML. Các công trình chỉ ra tính hiệu quả khi áp dụng SD cho chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều. Vì các thuật toán đề xuất cải tiến thuật toán SD trong các công trình trên tách và giải mã tín hiệu theo phương pháp giải mã cầu truyền thống nên độ phức tạp thuật toán không cố định. Điều này gây ra những khó khăn về đồng bộ hệ thống. Vì vậy, các thuật toán này không hiệu quả khi triển khai cài đặt thuật toán trên phần cứng FPGA. Đến thời điểm hiện tại, theo hiểu biết của NCS: - Thứ nhất, các công trình nghiên cứu chủ yếu áp dụng thuật toán SD thực hiện tách và xử lý tín hiệu cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO điểm- điểm, chưa có các công trình nghiên cứu áp dụng SD kết hợp với kỹ thuật PNC tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều hướng đến thiết kế và thực thi chúng trên FPGA. Đây vẫn còn là vấn đề có tính mở cho phép tiếp tục nghiên cứu và phát triển. - Thứ hai, các nghiên cứu về thuật toán tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều đã được công bố chủ yếu dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết và kiểm chứng đánh giá hiệu quả thuật toán. Các nghiên cứu hướng đến triển khai trên các nền tảng công nghệ FPGA, tiệm cận đến triển khai trên các hệ thống thực, có các tham số hiệu năng còn thấp. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển giải pháp cải tiến, tối ưu, và nâng cao chất lượng của thuật toán tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển cần tiếp tục được đầu tư nghiên cứu. Với các vấn đề tồn tại được trình bày ở trên, nghiên cứu về tách và xử lý tín hiệu trên cơ sở thuật toán giải mã cầu hướng tới thực thi trên nền tảng công nghệ FPGA áp dụng cho các trạm chuyển tiếp trong hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều vẫn là một vấn đề mở và cần tiếp tục được đầu tư nghiên
5 cứu. Việc nghiên cứu, thiết kế kiến trúc phần cứng thực thi các thuật toán tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp trên nền tảng công nghệ FPGA sẽ góp phần đưa các nghiên cứu lý thuyết tiến gần hơn với triển khai vào thực tiễn. Chính vì những lý do này, NCS đã lựa chọn đề tài "Nghiên cứu tách tín hiệu giải mã cầu định hướng thực thi trên FPGA cho hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều", với mong muốn được nghiên cứu sâu hơn và đóng góp về mặt khoa học đối với lĩnh vực nghiên cứu các thuật toán, các kỹ thuật tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều cho hệ thống vô tuyến MIMO nói riêng và hệ thống thông tin viễn thông nói chung. Kết quả nghiên cứu của luận án góp phần nâng cao năng lực triển khai sản xuất các thiết bị truyền thông tốc độ cao bằng nội lực trong nước, đóng góp hiệu quả cho các hoạt động đời sống kinh tế xã hội của đất nước. 2. Mục tiêu nghiên cứu Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết hệ thống thông tin vô tuyến MIMO, các kỹ thuật, giao thức chuyển tiếp trong hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều và phân tích, đánh giá thuật toán giải mã cầu áp dụng cho hệ thống MIMO vô tuyến. Mục tiêu của luận án là đề xuất thuật toán tách và xử lý tín hiệu có độ phức tạp thấp, có thể triển khai trên nền tảng phần cứng và đề xuất phương án thiết kế các kiến trúc phần cứng phù hợp trên FPGA. Các mục tiêu cụ thể của luận án như sau: - Đề xuất thuật toán tách và xử lý tín hiệu có độ phức tạp thấp cho hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều. Thuật toán đề xuất có thể triển khai cài đặt trên nền tảng công nghệ phần cứng FPGA cho tỉ lệ lỗi bít (BER: Bit-Error Rate) thấp, xấp xỉ giá trị BER của thuật toán giải mã cầu và tiệm cận đến giá trị BER của thuật toán giải mã Hợp lệ cực đại. - Đề xuất kiến trúc phần cứng thực thi thuật toán tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp trên nền tảng công nghệ vi mạch phần cứng FPGA đạt thông lượng cao, độ trễ xử lý và tỉ lệ lỗi bít thấp. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: - Luận án tập trung nghiên cứu các thuật toán tách và xử lý tín hiệu được thực hiện trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO. Nghiên cứu các kỹ thuật, giải pháp chuyển tiếp tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO đã được công bố. Đề xuất mô hình, thuật toán tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều hướng tới triển khai thực thi trên nền tảng công
6 nghệ FPGA. - Nghiên cứu nền tảng công nghệ FPGA, phương pháp thiết kế và thực thi các bộ tách và xử lý tín hiệu trên nền tảng công nghệ FPGA. Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung vào nghiên cứu hệ thống thông tin vô tuyến MIMO với giới hạn: - Nghiên cứu thuật toán tách và xử lý tín hiệu được sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO, tập trung nghiên cứu, đánh giá độ phức tạp thuật toán, mối liên hệ giữa hệ số phẩm chất BER với bán kính cầu tìm kiếm được lựa chọn, phân bố các điểm nút hợp lệ trên cây tìm kiếm của thuật toán giải mã cầu. - Nghiên cứu công nghệ FPGA, phương pháp thiết kế kiến trúc tối ưu thực thi các thuật toán đề xuất trên nền tảng công nghệ vi mạch phần cứng FPGA. Mô phỏng, đánh giá kết quả thực thi kiến trúc phần cứng của các thuật toán đề xuất theo các tham số: phẩm chất BER, thông lượng hệ thống, độ trễ xử lý, tài nguyên chiếm dụng. 4. Nội dung nghiên cứu: Luận án nghiên cứu các thuật toán tách và xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp tín hiệu trong hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều nhằm đạt được thông lượng truyền dẫn cao, hướng tới đề xuất các thuật toán tách và xử lý cải tiến có độ phức tạp thấp cho hệ số phẩm chất BER tiệm cận đến BER của thuật toán ML. Triển khai các thuật toán đề xuất trên phần cứng FPGA và tối ưu hiệu năng để có thể sử dụng trên các trạm chuyển tiếp vô tuyến có tài nguyên hạn chế. Đánh giá hiệu năng của các thuật toán đề xuất và so sánh với các thuật toán phổ biến khác. Các nội dung nghiên cứu cụ thể như sau: - Nghiên cứu các thuật toán tách và xử lý tín hiệu trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO, tập trung nghiên cứu cải tiến thuật toán giải mã cầu. - Nghiên cứu, đề xuất thuật toán EHSD (Enhanced Hybrid Sphere Decoding) tách và xử lý tín hiệu tại máy thu trong hệ thống MIMO điểm-điểm có độ phức tạp thấp. Thuật toán EHSD phù hợp cài đặt trên nền tảng công nghệ vi mạch phần cứng FPGA. - Nghiên cứu, đề xuất kiến trúc phần cứng tối ưu thực thi thuật toán EHSD tách và xử lý tín hiệu tại máy thu trong hệ thống MIMO điểm-điểm trên công nghệ FPGA đảm bảo thông lượng lớn, phẩm chất BER cao, tài nguyên chiếm dụng nhỏ, phù hợp cài đặt trên các dòng FPGA thương mại hiện có.