Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Viễn thông: Giải pháp nâng cao hiệu năng và cải thiện dung lượng hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:119

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích của Luận án là nghiên cứu đề xuất kiến trúc định hướng đa búp sóng ứng dụng cho truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo. Nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao hiệu năng truyền dẫn, cải thiện dung lượng cho hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Viễn thông: Giải pháp nâng cao hiệu năng và cải thiện dung lượng hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ TRUNG TẤN GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG VÀ CẢI THIỆN DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THẾ HỆ TIẾP THEO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ TRUNG TẤN GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG VÀ CẢI THIỆN DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN HÌNH SỐ MẶT ĐẤT THẾ HỆ TIẾP THEO Ngành: Kỹ thuật Viễn thông Mã số: 9520208 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN HỮU TRUNG Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Giáo viên hướng dẫn khoa học Hà Nội, ngày…..tháng….năm 2021 Tác giả luận án PGS. TS Nguyễn Hữu Trung Lê Trung Tấn i
LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sĩ này được nghiên cứu sinh thực hiện tại Bộ môn Điện tử hàng không vũ trụ, Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Nguyễn Hữu Trung. Nghiên cứu sinh xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với Thầy về định hướng khoa học, chỉ dẫn thực hiện những nhiệm vụ cần thiết cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi để công trình nghiên cứu này được hoàn thành. Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Điện tử - Viễn thông, Bộ môn Điện tử hàng không vũ trụ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng là sự biết ơn tới gia đình, bạn bè đã thông cảm, động viên giúp đỡ nghiên cứu sinh có thêm nghị lực để hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Lê Trung Tấn ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................... ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ............................................................. xiv MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề ......................................................................................................................... 1 2. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................................. 2 3. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu ......................................... 3 3.1 Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................... 3 3.2 Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................ 3 3.3 Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................... 3 3.4 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 3 4. Các đóng góp khoa học của luận án ............................................................................... 4 5. Bố cục của luận án............................................................................................................ 4 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................ 6 1.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................................... 6 1.2 Tổng quan về truyền hình số mặt đất và các kỹ thuật đã đề xuất ............................. 6 1.2.1 Tổng quan về truyền hình số mặt đất ............................................................. 6 1.2.2 Các giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất để tiêu chuẩn hóa truyền hình số thế hệ tiếp theo............................................................................................................... 7 1.2.2.1 Cấu hình cơ sở ......................................................................................... 7 1.2.2.2 Cấu hình MIMO .................................................................................... 12 1.2.2.3 Cấu hình lai mặt đất và vệ tinh .............................................................. 12 1.2.2.4 Cấu hình lai mặt đất vệ tinh MIMO ...................................................... 13 1.2.3 Những vấn đề còn tồn tại .............................................................................. 14 1.3 Định hướng giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn của truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo .................................................................................................................... 14 1.3.1 Hệ thống MIMO ........................................................................................... 14 1.3.1.1 Dung lượng hệ thống MIMO ................................................................ 15 1.3.1.2 Ưu điểm hệ thống MIMO ...................................................................... 16 1.3.2 Hệ thống MIMO quy mô lớn ........................................................................ 17 iii
1.3.2.1 Yêu cầu về số lượng vùng phát sóng độc lập ........................................ 19 1.3.2.2 Lắp đặt số lượng ăng-ten lớn ................................................................. 19 1.3.2.3 Nhận tín hiệu/ Ước lượng kênh ............................................................. 19 1.3.3 Kỹ thuật định hướng búp sóng (Beamforming) ........................................... 20 1.3.3.1 Kỹ thuật định hướng búp sóng tương tự ............................................... 20 1.3.3.2 Kỹ thuật định hướng búp sóng số .......................................................... 22 1.3.3.3 Kỹ thuật định hướng búp sóng lai ......................................................... 23 1.3.4 Định hướng giải pháp nâng cao chất lượng truyền dẫn của truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo .......................................................................................... 26 1.5 Kết luận chương ........................................................................................................... 26 CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG TRUYỀN DẪN HỆ THỐNG DVB-NGH BẰNG ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG VÀ PHÂN NHÓM NGƯỜI DÙNG............................................................................................................. 28 2.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................................... 28 2.2. Mô hình kiến trúc định hướng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống ..................... 30 2.2.1 Mô hình hệ thống.......................................................................................... 30 2.2.1.1 Mô hình tín hiệu .................................................................................... 30 2.2.1.2 Định hướng búp sóng tối ưu thống kê ................................................... 32 2.2.2 Định hướng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống ........................................ 37 2.2.2.1 Mô tả bài toán giảm bậc ........................................................................ 37 2.2.2.2 Phát biểu bài toán giảm bậc và xử lý bài toán ....................................... 37 2.2.2.3. Phương pháp tối ưu bền vững theo tiêu chí Min-Max ......................... 39 2.2.3 Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 40 2.2.3.1 Phương pháp mô phỏng ......................................................................... 40 2.2.3.2 Các kịch bản và kết quả mô phỏng........................................................ 41 2.3 Đề xuất hệ thống định hướng đa búp sóng ứng dụng cho hệ thống DVB-NGH .... 48 2.3.1 Các cấu hình MIMO trong mạng đơn tần .................................................... 48 2.3.2 Mô hình tín hiệu ........................................................................................... 51 2.3.3 Mô hình kênh massive MIMO ..................................................................... 53 2.3.4 Đề xuất tối ưu định hướng búp sóng cho hệ thống định hướng đa búp sóng55 2.3.5 Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 56 2.4 Đề xuất thuật toán phân nhóm người dùng bằng cách điều khiển băng thông cho mạng truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo ................................................................. 61 2.4.1 Mô hình hệ thống ...................................................................................... 61 2.4.1.1 Mô hình tín hiệu .................................................................................... 61 2.4.1.2 Mô hình kênh ......................................................................................... 62 iv
2.4.2 Đề xuất thuật toán phân nhóm người dùng .................................................. 64 2.4.3 Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 68 2.5 Kết luận chương ........................................................................................................... 71 CHƯƠNG 3 GIẢI PHÁP CẢI THIỆN DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG DVB-NGH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG BÚP SÓNG LAI VÀ GHÉP KÊNH KHÔNG GIAN MIMO PHÂN CỰC KÉP................................................................ 72 3.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................................... 72 3.2 Mô hình tín hiệu bộ phát và thu hệ thống DVB-NGH MIMO định hướng búp sóng lai số-tương tự ..................................................................................................................... 73 3.3 Mô hình định hướng đa búp sóng ............................................................................... 76 3.4 Mô hình kênh ................................................................................................................ 76 3.5 Phương pháp định hướng búp sóng lai và ghép kênh không gian phân cực kép... 78 3.5.1 Thiết kế bộ tiền mã hóa số và tương tự ứng dụng MIMO phân cực kép ở máy phát ................................................................................................................ 78 3.5.2 Thiết kế máy thu ứng dụng mã hóa MIMO rate-2 ....................................... 80 3.5.2.1 Máy thu .................................................................................................. 80 3.5.2.2 Hiệu năng hệ thống ................................................................................ 81 3.5.2.3 Ứng dụng mã hóa MIMO rate-2 trong DVB-NGH............................... 81 3.6 Kết quả mô phỏng ..................................................................................................... 84 3.7 Kết luận chương ........................................................................................................... 89 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 91 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .................... 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 94 v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Cấu hình DVB-NGH cơ sở BICM [9].............................................................8 Hình 1.2. Ví dụ kịch bản điều chế phân cấp [9] ............................................................10 Hình 1.3. Mô hình hệ thống MIMO ..............................................................................15 Hình 1.4. Mô hình hệ thống MIMO quy mô lớn ...........................................................18 Hình 1.5. Mô hình kỹ thuật tạo búp sóng tương tự [45]................................................21 Hình 1.6. Mô hình kỹ thuật tạo búp sóng số [45] ..........................................................23 Hình 1.7. Mô hình kỹ thuật tạo búp sóng lai [45] ......................................................... 24 Hình 2.1. Hệ định hướng búp sóng ...............................................................................30 Hình 2.2. Bộ định hướng Frost Beamformer.................................................................35 Hình 2.3. Cầu hình của ăng-ten mảng ULA ..................................................................41 Hình 2.4. Đồ thị biến thiên của NRMSE khi SNR thay đổi từ -30 ÷10dB ...................43 Hình 2.5. Đồ thị biến thiên của NRMSE khi SIR thay đổi ...........................................45 Hình 2.6. Đồ thị biến thiên của NRMSE khi góc sai lệch giữa hướng .........................46 Hình 2.7. Đồ thị biến thiên của NRMSE theo số lượng ăng-ten ...................................48 Hình 2.8. Truyền dẫn MIMO một trạm gốc ..................................................................49 Hình 2.9. Truyền dẫn MISO phân tán ...........................................................................50 Hình 2.10. Sơ đồ truyền dẫn MIMO hai trạm gốc ........................................................50 Hình 2.11. Kiến trúc MIMO kết hợp vệ tinh .................................................................51 Hình 2.12. Kịch bản định hướng đa búp sóng dựa trên nhiều ăng-ten mảng hình trụ ..52 Hình 2.13. Đề xuất sơ đồ khối chức năng hệ thống định hướng đa búp sóng. .............55 Hình 2.14. NRMSE theo SNR (a,b), số lượng ăng-ten (c) của hệ thống massive MIMO được đề xuất ..................................................................................................................58 Hình 2.15. Đồ thị búp sóng kép và búp sóng đơn với MVDR (a, b), búp sóng kép với Frost Beamformer (c,d) của hệ thống massive MIMO được đề xuất ............................61 Hình 2.16. Sơ đồ khối của mô hình hệ thống đề xuất ...................................................62 Hình 2.17. Nhóm người dùng bằng điều khiển băng thông. .........................................64 Hình 2.18. Lưu đồ thuật toán phân nhóm người dùng ..................................................66 Hình 2.19. Tổng tốc độ so với số lượng người dùng bằng các kỹ thuật định hướng búp sóng khác nhau ..............................................................................................................69 Hình 2.20. Tổng tốc độ với số lượng chùm tia ban đầu bằng các kỹ thuật định hướng búp sóng khác nhau ....................................................................................................... 70 Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống DVB-NGH MIMO định hướng búp sóng lai số- tương tự..........................................................................................................................74 Hình 3.2. Bộ tiền mã hóa MIMO phân cực kép ............................................................78 Hình 3.3. Sơ đồ bộ thu DVB-NGH MIMO rate-2 ........................................................82 Hình 3.4. Hiệu năng của hệ thống DVB-NGH MIMO Rate-2 bằng cách sử dụng các sơ đồ điều chế 64-QAM và 256-QAM với kích thước FFT là 8K và 16K cho số lượng phần tử ăng-ten phát M khác nhau ở bộ tiền mã hóa tương tự. .....................................86 vi
Hình 3.5. Hiệu năng của hệ thống DVB-NGH MIMO Rate-2 bằng cách sử dụng sơ đồ điều chế 256-QAM và kích thước FFT là 16K cho các ăng-ten phát khác nhau M = 1, 2, 4, 8. ............................................................................................................................87 Hình 3.6. Tốc độ dữ liệu đạt được với các ăng-ten phát khác nhau ở chế độ MIMO rate-2 với sơ đồ điều chế 64-QAM và mã hóa trong LDPC 8/15. ................................88 Hình 3.7. Tốc độ dữ liệu đạt được với các ăng-ten phát khác nhau ở chế độ MIMO rate-4 với sơ đồ điều chế 64-QAM và mã hóa trong LDPC 8/15. ................................88 Hình 3.8. Mô hình búp sóng của sơ đồ tạo chùm tia được đề xuất: (a) M T = 8, MR = 2 cho chế độ MIMO rate-2, (b) MT = 16, MR = 4 cho chế độ MIMO NS = 4. .................89 vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Các cấu hình hybrid MIMO [9] .................................................................... 14 Bảng 2.1. Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi SNR thay đổi .42 Bảng 2.2. Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi SIR thay đổi ...44 Bảng 2.3. Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi SIR thay đổi ...45 Bảng 2.4. Các tham số mô phỏng ứng với các kịch bản mô phỏng khi thay đổi số lượng ăng-ten .................................................................................................................47 Bảng 2.5. Các tham số mô phỏng ..................................................................................56 Bảng 2.6. Các tham số mạng mô phỏng ........................................................................ 69 Bảng 3.1. Tham số mã hóa dữ liệu cho DVB-NGH [11] ..............................................74 Bảng 3.2. Các chế độ chòm sao xoay trong DVB-NGH [11] .......................................75 Bảng 3.3. Các trường hợp nghiên cứu ...........................................................................84 Bảng 3.4. Các tham số mô phỏng ..................................................................................84 viii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt A Advanced Television System Uỷ ban hệ thống truyền hình tiên ATSC Committee tiến AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng B BCH Bose–Chaudhuri–Hocquenghem Mã hóa BCH BER Bit Error Ratio Tỷ lệ lỗi bit BI Bit Interleaving Xen kẽ bit BICM Bit Interleaved Coded Modulation Điều chế mã hóa có xáo trộn bít BS Base Station Trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc C CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh CI Channel Interference Nhiễu kênh Ratio of RF or IF signal power to Tỉ số công suất tín hiệu IF /Công C/N noise power suất tạp âm CNR Carrier to Noise Ratio Tỷ số sóng mang trên tạp âm Coded Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo tần số COFDM Division Multiplexing mã hóa trực giao CP Cyclic Prefix Tiền tố lặp CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra độ dư thừa vòng CSI Channel State Information Trạng thái kênh D DAC Digital-to-Analog Converter Bộ chuyển đổi số sang tương tự DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc Nhóm chuyên gia quảng bá số của DiBEG Digital Broadcasting Expert Group Nhật DPC Dirty Paper Coding Mã hóa giấy bẩn DTT Digital Terrestrial Television Truyền hình số mặt đất DVB Digital Video Broadcasting Truyền hình số DVB-C Digital Video Broadcasting Cable Truyền hình số qua cáp DVB- Digital Video Broadcasting Next Truyền hình số cho thiết bị cầm NGH Generation Hand-held tay thế hệ tiếp theo Digital Video Broadcasting DVB-S Truyền hình số cho thiết bị vệ tinh Satellite ix
Từ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt DVB- Digital Video Broadcasting Truyền hình số cho thiết bị vệ tinh SH Satellite Hand-held cầm tay Digital Video Broadcasting DVB-T Truyền hình số mặt đất Terrestrial Digital Video Broadcasting – Truyền hình số mặt đất thế hệ thứ DVB-T2 Second Generation Terrestrial hai E enhanced Single Frequency eSFN Mạng đơn tần nâng cao Networks eSM enhanced Spatial Multiplexing Ghép kênh không gian nâng cao European Telecommunication Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu ETSI Standard Institute Âu F Frequency-Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo tần FDMA Access số FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh H HDTV High-Definition Television Truyền hình độ nét cao HBF Hybrid Beamforming Định hướng búp sóng lai Hierarchical Local Service HLSI Chèn dịch vụ cục bộ phân cấp Insertion I Biến đổi Fourier rời rạc nghịch IDFT Inverse Discrete Fourier Transform đảo IF Intermediate Frequyency Tần số trung tần IFFT Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh ngược INR Interference-to-Noise Ratio Tỷ số tạp âm trên nhiễu IPTV Internet Protocol Television Truyền hình giao thức Internet Các thành phần đồng pha /vuông IQ In-phase/Quadrature components góc ISI Intersymbol Interference Nhiễu liên ký tự Integrated Service Digital ISDB-T Quảng bá số đa dịch vụ - mặt đất Broacasting – Terrestrial International Organization for ISO Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế Standardization x
Từ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt ISR Interference-to-Signal Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu Intrenational Telecommunication ITU Hiệp hội viễn thông quốc tế Union L Linearly Constrained Minimum Tối thiểu hóa phương sai có ràng LCMV Variance Beamforming buộc tuyến tính LDPC Low-Density Parity-Check Code Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp LNA Low-Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp LOS Line OF Sight Tầm nhìn thẳng LS- Large Scale-Multiple Input Multi Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra MIMO Output quy mô lớn Massive- Massive-Multiple Input Multi Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra MIMO Output quy mô lớn M MFN Multi-Frequency Network Mạng đa tần MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra MISO Multiple Input Single Output Đa đầu vào đơn đầu ra ML Maximum-Likelihood decoder Bộ giải mã hợp lý cực đại decoder MLSE Minimal Least-Square Errors Sai số bình phương tối thiểu Sai số bình phương trung bình tối MMSE Minimum Mean Squared Error thiểu MRT Maximum Ratio Transmission Phát tỷ số cực đại MS Mobile Station Trạm di động MSE Mean Squared Error Sai số toàn phương trung bình MU- Multi User- Multiple Input Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra đa MIMO Multiple Output người dùng Minimum Variance Distortionless Đáp ứng phương sai tối thiểu MVDR Response không méo dạng N Normalized Root Mean Square Sai số toàn phương trung bình NRMSE Error chuẩn hóa. O Orothogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số OFDM Multiplex trực giao xi
Từ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt OLSI Orthogonal Local Service Insertion Chèn dịch vụ cục bộ trực giao P PAL Phase Alternating Line Pha thay đổi theo dòng PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỷ số công suất đỉnh trung bình PDF Probability-Density-Function Hàm mật độ xác suất PH Phase Hopping Nhảy pha PLP Physical Layer Pipe Ống lớp vật lý PS Parallel to Serial Song song sang nối tiếp Q QAM Quarature Amplitude Modulation Điều biên cầu phương QEF Quasi error free Gần như không lỗi QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ QPSK Quadature Phase Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương R RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RMSE Root Mean Square Error Sai số toàn phương trung bình RoHC Robust Header Compression Nén tiêu đề mạnh S SFN Single Frequency Network Mạng đơn tần SC- Single Carrier OFDM Đơn sóng mang OFDM OFDM SISO Single Input Single Output Đơn đầu vào đơn đầu ra Signal to Interference plus Noise Tỷ số tín hiệu trên nhiễu và tạp SINR Ratio âm SIR Signal-to-Interference Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SM Spactial Multiplexing Ghép kênh không gian SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm STBC Space – Time Block Code Mã khối không gian - thời gian SVC Scalable Video Coding Mã hóa video có thể mở rộng T T/C/F-I Time/Cell/Frequency Interleaver Xen kẽ thời gian/tế bào/tần số Đa truy nhập phân chia theo thời TDMA Time Division Multiple Access gian xii
Từ viết Tiếng Anh Tiếng Việt tắt TDS- Time Domain Synchronous OFDM OFDM đồng bộ thời gian OFDM TFS Time Frequency Slicing Phân chia tần số thời gian TS Transport Stream Dòng truyền tải TV Television Truyền hình U UCA Uniform Circular Array Dàn ăng-ten đồng dạng tròn đều UHTV Ultra High Definition Television Truyền hình độ nét cực cao UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao ULA Uniform Linear Array Dàn ăng-ten đồng dạng tuyến tính Mảng ăng-ten hình chữ nhật đồng URA Uniform Rectangular Array nhất V VHF Very High Frequency Tần số rất cao (30-300 Mhz) Z ZF Zero Forcing Cưỡng bức không xiii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa (∙)+ Ma trận nghịch đảo suy rộng (∙)𝑇 Ma trận chuyển vị (∙)∗ Ma trận chuyển vị phức ̅̅̅ (∙) Ma trận nghịch đảo 𝑤𝐻 Ma trận Hermite Diag(a) Ma trận đường chéo với giá trị đường chéo bằng véctơ a 𝑥̂ Ước lượng của x 𝑥̇ (𝑡 ) Vi phân của 𝑥 (𝑡 ) 𝐸 {∙ } Trị trung bình hay kỳ vọng ‖𝐴‖𝐹 Định mức Frobenius của A ‖. ‖2 Định mức Euclide ̃𝑘 ‖ ‖𝑊 Trọng số của bộ lọc phối hợp. 𝑖 xiv
MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề 1.1. Quá trình số hóa truyền hình Ngày nay, thế giới đang bước vào một kỷ nguyên mới của truyền hình. Các dịch vụ truyền hình mới như truyền hình ba chiều (3DTV-3D Television) [1], truyền hình độ phân giải cực cao (UHDTV) trên truyền hình số mặt đất và truyền hình di động sẽ ngày càng được cung cấp rộng rãi hơn trong tương lai gần. Các dịch vụ mới đang phát triển nhanh chóng đặt ra nhu cầu lớn về hiệu năng cũng như độ tin cậy của hệ thống phát sóng truyền hình. Số hóa truyền hình, còn được gọi là tắt sóng tương tự (ASO-Analog Switch Off) là quá trình chuyển đổi và ngưng phát sóng truyền hình analog để chuyển sang phát sóng kỹ thuật số, chủ yếu bắt đầu từ năm 2006 trên thế giới. Mục tiêu chính là chuyển đổi phát sóng analog mặt đất sang phát sóng số mặt đất. Tuy nhiên, việc chuyển đổi này cũng bao hàm sự chuyển đổi từ truyền hình cáp analog sang truyền hình cáp số cũng như chuyển đổi từ truyền hình vệ tinh analog sang truyền hình vệ tinh kỹ thuật số. Mỗi quốc gia có kế hoạch số hóa truyền hình khác nhau. Tại Việt Nam, theo lộ trình số hóa truyền hình mặt đất (analog) theo tiêu chuẩn DVB-T2 của Bộ Thông tin và Truyền thông, tính đến thời điểm hiện nay các thành phố trực thuộc trung ương và các tỉnh thuộc nhóm I, II, III đã tắt sóng Analog. Các tỉnh còn lại thuộc nhóm IV dự kiến hoàn thành số hóa trước tháng 12 – 2020 bao gồm: Hà Giang, Cao Bằng, Bắc Kạn, Tuyên Quang, Lào Cai, Yên Bái, Lạng Sơn, Điện Biên, Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Kon Tum, Gia Lai, Đắk Lắk, Đắk Nông. Cả nước sẽ hoàn thành tắt sóng Analog vào năm 2020 [2]. Việc số hóa truyền hình mang lại lợi ích to lớn trong phát triển kinh tế xã hội khi sử dụng băng tần hiệu quả. Vì với truyền hình analog thông thường, một kênh tần số chỉ phát được một chương trình truyền hình, còn nếu dùng truyền hình số mặt đất theo công nghệ DVB-T2, một kênh tần số có thể phát được tới 20 chương trình. 1.2. Chuẩn hóa truyền hình số mặt đất theo công nghệ DVB-T2 và truyền hình số thế hệ tiếp theo cho các thiết bị cầm tay (DVB-NGH) Tiêu chuẩn truyền hình số thế hệ tiếp theo cho các thiết bị cầm tay DVB-NGH (Digital Video Broadcasting Next Generation Hand-held) được đề xuất phát triển bởi dự án DVB [3]. Đó là sự phát triển theo hướng di động của chuẩn DVB-T2 [4] và việc triển khai của chuẩn này được thúc đẩy bởi sự phát triển mạnh mẽ của các dịch vụ đa phương tiện di động cho các thiết bị cầm tay như máy tính bảng và điện thoại thông minh đang phát triển bùng nổ trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Mục tiêu chính của DVB-NGH là tăng diện tích phủ sóng và dung lượng mạng vượt trội so với các tiêu chuẩn phát sóng di động hiện có như truyền hình số cho các thiết bị cầm tay DVB-H 1
(Digital Video Broadcasting Hand-held) và truyền hình số cho các thiết bị vệ tinh cầm tay DVB-SH (Digital Video Broadcasting Satellite Hand-held). Khái niệm ống lớp vật lý (PLP-Physical Layer Pipe) được giới thiệu trong DVB-T2 và DVB-NGH nhằm hỗ trợ cấu hình các tham số truyền cho mỗi dịch vụ, bao gồm điều chế, mã hóa và xáo trộn. Về nguyên tắc, việc sử dụng nhiều PLP có thể cho phép cung cấp các dịch vụ nhắm mục tiêu đến các trường hợp người dùng khác nhau, tức là cố định, cầm tay và di động, trong cùng một kênh tần số. Các đặc điểm chính bổ sung mới của DVB-NGH so với DVB-T2 là: sử dụng kỹ thuật mã hóa video có thể mở rộng (SVC - Scalable Video Coding) để hỗ trợ hiệu quả cho các thiết bị nhận không đồng nhất và điều kiện mạng khác nhau, kỹ thuật phân chia tần số thời gian (TFS - Time Frequency Slicing) để tăng dung lượng và vùng phủ sóng, xen kẽ hiệu quả để khai thác sự phân tập thời gian và tần số, kỹ thuật nén tiêu đề (RoHC) để giảm chi phí do báo hiệu và đóng gói, bổ sung thành phần vệ tinh để tăng vùng phủ sóng, cải thiện tính bền vững của tín hiệu so với DVB-T2, triển khai hiệu quả các dịch vụ địa phương trong mạng đơn tần (SFN - Single Frequency Network) và cuối cùng là triển khai các kỹ thuật MIMO để tăng diện tích vùng phủ sóng và dung lượng hệ thống [5]. Vậy, nghiên cứu, đặc trưng hóa hệ thống truyền hình thế hệ tiếp theo, đề xuất kiến trúc mô hình dựa trên cơ sở lý thuyết hệ thống và các giải pháp tương ứng nhằm nâng cao hiệu năng truyền dẫn, cải thiện dung lượng, tính bền vững của hệ thống có tính cấp thiết vừa có ý nghĩa về học thuật vừa có ý nghĩa thực tế với nhu cầu của đất nước ta. 2. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay truyền hình độ phân giải siêu cao 4K×2160p (12Gbps), 3DTV hoặc 8K×4320p (48Gbps) đang ngày một trở nên phổ biến và dần trở thành xu thế tất yếu của các đài truyền hình và các đơn vị cung cấp nội dung, ngoài việc nâng cao chất lượng các chương trình thì việc đổi mới công nghệ theo xu thế cũng là một phần tất yếu trong cuộc cạnh tranh gay gắt giữa các đơn vị cung cấp nội dung nhằm thu hút khán giả và nâng cao trải nghiệm xem truyền hình cho người xem. Trong khi đó, phổ tần dành cho truyền hình số mặt đất là hạn hữu, đặt ra thách thức cấp thiết cho việc tối ưu hoá các kỹ thuật, công nghệ trong tiêu chuẩn truyền hình số mặt đất hiện tại để đạt hiệu năng truyền dẫn, dung lượng cao hơn cho tiêu chuẩn truyền hình thế hệ tiếp theo. Độ phức tạp do mối quan hệ tương hỗ giữa các khâu của quá trình xử lý tín hiệu của hệ MIMO tăng theo số lượng các ăng-ten, nhất là khi hệ thống làm việc trong môi trường thay đổi phức tạp, nhiễu động và phải thỏa hiệp giữa hiệu năng của hệ thống với chất lượng phục vụ (QoS) người dùng. Do đó, việc tối ưu hóa hệ thống thực hiện riêng rẽ theo tiêu chí, phân đoạn theo các khâu, thường không dẫn đến kết quả tối ưu như mong muốn. Vì vậy, cần thiết phải xây dựng một mô hình mang tính tổng quát theo lý thuyết hệ thống để phát triển hệ thống MIMO, MIMO quy mô lớn dựa trên 2
định hướng đa búp sóng sử dụng các tiêu chí tối ưu bền vững cho hệ truyền hình số mặt đất thế hệ mới như DVB-NGH. 3. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu 3.1 Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu của luận án nhằm vào các mục tiêu chính sau đây: (i.) Nghiên cứu đề xuất kiến trúc định hướng đa búp sóng ứng dụng cho truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo. (ii.) Nghiên cứu đề xuất giải pháp nâng cao hiệu năng truyền dẫn, cải thiện dung lượng cho hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo. 3.2 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của công trình này giới hạn ở kiến trúc DVB-NGH gồm: (i.) Mô hình, cấu trúc hệ thống DVB-NGH, kỹ thuật MIMO, MIMO quy mô lớn, ăng-ten mảng hình trụ. (ii.) Mô hình định hướng đa búp sóng, định hướng búp sóng lai, kênh truyền MIMO phân cực kép, thông tin trạng thái kênh và các thuật toán cải thiện hiệu năng phục vụ các hệ truyền hình số mặt đất thế hệ mới như DVB-NGH. 3.3 Phạm vi nghiên cứu • Lý thuyết truyền hình số, truyền hình số mặt đất. • Hệ thống truyền hình số DVB-NGH. • Mô hình truyền dẫn MIMO, MIMO quy mô lớn, ghép kênh không gian, định hướng búp sóng. • Ma trận nghịch đảo suy rộng, phương pháp số và mô phỏng. • Nghiên cứu các thuật toán trên cơ sở các kiến trúc và mô hình đề xuất để nâng cao hiệu năng hệ thống dựa trên lý thuyết hệ thống và tiêu chí tối ưu đa biến. 3.4 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở đặc tính hóa theo lý thuyết hệ thống đối với hệ thống DVB-NGH và các kỹ thuật sử dụng công nghệ MIMO, MIMO quy mô lớn, định hướng đa búp sóng để đề xuất mô hình, xây dựng cấu trúc hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ kế tiếp và toán học hóa những vấn đề cần giải quyết khi đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu năng của lớp vật lý nhằm tối ưu hóa truyền dẫn. Minh chứng các giải pháp đề xuất trên cơ sở lý thuyết bằng kiểm nghiệm thông qua các kết quả mô phỏng. 3
4. Các đóng góp khoa học của luận án (i) Đề xuất mô hình, kiến trúc tối ưu hiệu năng hệ thống DVB-NGH bằng định hướng đa búp sóng sử dụng các ăng-ten mảng hình trụ. (ii) Đề xuất thuật toán phân nhóm người dùng bằng cách điều khiển băng thông cho mạng truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo. (iii) Đề xuất mô hình, kiến trúc cải thiện dung lượng hệ thống DVB-NGH bằng phương pháp định hướng búp sóng lai và ghép kênh không gian MIMO phân cực kép. 5. Bố cục của luận án Cấu trúc của luận án gồm có 03 chương với các nội dung được tóm tắt như sau: Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, trình bày tổng quan về truyền hình số mặt đất và sự phát triển của nội dung truyền hình, các vấn đề thách thức đặt ra với hệ thống truyền hình số mặt đất. Sau đó đưa ra định hướng giải quyết nâng cao hiệu năng, cải thiện dung lượng hệ thống ứng dụng công nghệ MIMO, định hướng đa búp sóng cho hệ thống truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo. Chương 2: Giải pháp nâng cao hiệu năng truyền dẫn hệ thống DVB-NGH bằng định hướng đa búp sóng và phân nhóm người dùng, trình bày kiến trúc định hướng đa búp sóng theo lý thuyết hệ thống, với quy trình phân tích và thiết kế các hệ định hướng đa búp sóng có quy mô lớn theo cách tiếp cận của lý thuyết hệ thống trên cơ sở xem xét tác động của các tham số hệ thống bằng tập các hàm mục tiêu áp dụng trong những điều kiện tới hạn, khó truy cập dữ liệu đo hoặc dữ liệu đo có kích thước lớn được trình bày. Quy trình bao gồm việc xây dựng mô hình giảm bậc tối ưu và xác định nghiệm bền vững đối với hệ thống định hướng búp sóng. Sau đó đề xuất mô hình và kiến trúc hệ thống định hướng đa búp sóng ứng dụng cho hệ thống DVB-NGH. Trong hệ thống này sử dụng một số tiêu chí tối ưu bền vững để khai thác kênh và giảm thiểu sự can nhiễu giữa người dùng trong các tế bào. Đồng thời kết hợp kiến trúc định hướng đa búp sóng ăng-ten mảng hình trụ với ghép kênh không gian để nâng cao hiệu năng truyền dẫn. Cuối cùng đề xuất thuật toán để nhóm các người dùng bằng điều khiển băng thông để tối ưu hóa tổng tốc độ của hệ thống và mô phỏng minh chứng độ tin cậy, hiệu năng của mô hình đề xuất. Chương 3: Giải pháp cải thiện dung lượng hệ thống DVB-NGH bằng phương pháp định hướng búp sóng lai và ghép kênh không gian MIMO phân cực kép, đề xuất mô hình và kiến trúc định hướng búp sóng mới dựa trên định hướng búp sóng lai và ghép kênh không gian MIMO phân cực kép cho các hệ thống DVB- NGH. Sau đó đưa ra nghiên cứu điển hình về MIMO rate-2. Cuối cùng thực hiện mô phỏng để minh chứng định hướng búp sóng lai được đề xuất hiệu quả hơn so với các mô hình hiện có cho các hệ thống DVB-NGH. 4