Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý trong hệ thống chuyển tiếp vô tuyến hai chiều

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

43
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm đề xuất giải pháp ước lượng tín hiệu có độ phức tạp thấp cho kỹ thuật mã hoá mạng lớp vật lý ánh xạ tuyến tính dựa trên kỹ thuật lượng tử hóa kênh và kết hợp kỹ thuật khử nhiễu nối tiếp SIC cải tiến, trong khi vẫn đảm bảo phẩm chất của hệ thống;

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý trong hệ thống chuyển tiếp vô tuyến hai chiều

BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN HỮU MINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN HAI CHIỀU Chuyên nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 9 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - Năm 2019
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG. 1. N. H. Minh, P. V. Biển và T. X. Nam, “Nâng cao phẩm chất cho hệ thống chuyển tiếp hai chiều sử dụng ánh xạ mã hóa mạng phi tuyến,” Tạp chí Nghiên cứu KH & CN Quân sự, số 56, trang 76-85, tháng 8 năm 2018. Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Phạm Văn Biển 2. H. M. Nguyen, X. N. Tran, V. B. Pham, and T. N. Tran, “Channel quantization-based physical-layer network coding for two-way relay STBC 2. PGS. TS. Trần Xuân Nam system,” Vietnam Journal of Computer Science, Springer, vol. 5, Issue 1, pp. 59-66, February. 2018. 3. H. M. Nguyen, X. N. Tran, V. B. Pham, and C. D. Nguyen, “Linear Net- Phản biện 1: PGS. TS Trịnh Anh Vũ work Coding Using Channel Quantization Combining with SIC Based Esti- ¨ mation for Multiple Antenna Systems," AEU-International Journal of Elec- Phản biện 2: PGS. TS Lê Nhật Thăng tronics and Communications, Elsevier, vol.95, pp.107-117, October, 2018. 4. H. M. Nguyen, X. N. Tran, V. B. Pham, and C. D. Nguyen, “Low-Complexity Estimation for Spatially Modulated Physical-Layer Network Coding Sys- Phản biện 3: PGS. TS Hoàng Mạnh Thắng tems," Wireless Communications and Mobile Computing, vol. 2018, Article ID 6310519, 13 pages, 2018. https://doi.org/10.1155/2018/6310519. 5. H. M. Nguyen, V. B. Pham, X. N. Tran, and T. N. Tran, “Channel Quan- Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo tization Based Physical-Layer Network Coding for MIMO Two-Way Relay Quyết định số 1154/QĐ-HV ngày 17 tháng 4 năm 2019 của Giám đốc Học viện Networks,” In Proc. IEEE Int. Advanced Technol. Commun. (ATC), 2016, Kỹ thuật Quân sự, họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi 14 giờ 00 ngày pp. 197-203. 14 tháng 4 năm 2019 6. T. T. Nghiệp, P. V. Biển và N. H. Minh,“Điều chế không gian phân tán cho các mạng vô tuyến hợp tác sử dụng các nút chuyển tiếp đa ăng ten,” Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật, HVKTQS, số 185, trang 80-92, 8/2017. 7. T. N. Tran, V. B. Pham, and H. M. Nguyen,“Improving performance of the asynchronous cooperative relay networks with maximum ratio combining and Có thể tìm hiểu luận án tại: transmit antenna selection technique,” VNU Journal of Science: Computer - Thư viện Quốc gia Việt Nam Science and Communication Engineering, vol. 33, no. 1, pp. 28-35, 1/2017. - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI MỞ ĐẦU A. Kết luận 1. Bối cảnh nghiên cứu Nội dung luận án trước hết đã giới thiệu khái quát những kiến thức cơ bản Để mở rộng phạm vi kết nối và nâng cao hiệu quả truyền dẫn cho mạng vô về mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều và các kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu tuyến thế hệ mới, gần đây các vấn đề liên quan đến mạng chuyển tiếp vô tuyến quả truyền dẫn. Các kỹ thuật nghiên cứu bao gồm: kỹ thuật mã hóa mạng, kỹ hai chiều đã nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. Trong thuật truyền dẫn MIMO và kỹ thuật điều chế không gian cho chuyển tiếp hai các nghiên cứu về mạng chuyển tiếp hai chiều, việc nghiên cứu xử lý tại nút chiều. Ngoài ra, các công trình liên quan trực tiếp đến nội dung luận án cũng chuyển tiếp đóng một vai trò quan trọng, giúp nâng cao hiệu quả truyền dẫn. được nghiên cứu. Trên cơ sở đó, luận án đã đề xuất kỹ thuật mã hóa mạng sử Trong số các nghiên cứu đó, kỹ thuật cốt lõi là mã hóa mạng lớp vật lý (PNC: dụng ánh xạ phi tuyến và ánh xạ tuyến tính dựa trên phương pháp ước lượng Physical-layer Network Coding). Nguyên nhân là do kỹ thuật này cho phép độ phức tạp thấp để đạt được phẩm chất cao. Ngoài ra, luận án còn đề xuất giảm thời gian truyền dẫn, giúp làm tăng thông lượng mạng lên gấp đôi so với kết hợp giữa kỹ thuật mã hóa mạng với các kỹ thuật khác như STBC, SM chuyển tiếp truyền thống không sử dụng mã hóa mạng. nhằm đạt hiệu quả truyền dẫn cao cho chuyển tiếp vô tuyến hai chiều. Tóm Để nâng cao hơn nữa hiệu quả truyền dẫn, PNC có thể kết hợp thêm các kỹ tắt những đóng góp của luận án, cũng như đề xuất một số hướng nghiên cứu thuật khác như ghép kênh phân chia theo không gian (SDM: Spatial Division tiếp theo trong tương lai được trình bày dưới đây. Multiplexing), tạo dạng búp sóng (BM: Beamforming) hay còn gọi là hệ thống B. Hướng phát triển tiếp theo tiền mã hóa (Pre-coding) hoặc kết hợp phát mã không gian thời gian (STC: Mặc dù luận án đã tập trung nghiên cứu những lý thuyết cơ bản cũng như Space Time Code). Trong số đó, do kỹ thuật SDM sử dụng nhiều ăng-ten phát đề xuất các kỹ thuật cho truyền dẫn chuyển tiếp vô tuyến hai chiều. Tuy nhiên, nên cần yêu cầu đồng bộ giữa các ăng-ten phát, dẫn đến hệ thống sẽ phức tạp. theo nhận định chủ quan của nghiên cứu sinh, có một số vấn đề cần tiếp tục Ngoài ra, nhiễu đồng kênh tác động tại đầu vào ăng-ten thu làm giảm chất được nghiên cứu và thực hiện trong tương lai: lượng hệ thống cũng như làm tăng độ phức tạp xử lý tại nút chuyển tiếp. Kỹ thuật tiền mã hóa giúp đơn giản cho xử lý tại nút chuyển tiếp nhưng trả giá là 1. Nghiên cứu giảm độ phức tạp ước lượng và mã hóa cho kỹ thuật ghép máy phát yêu cầu biết trước thông tin trạng thái kênh truyền. Ngoài ra, quá kênh không gian trong chuyển tiếp hai chiều, sử dụng nhiều dạng tín hiệu trình xử lý tại máy phát của các nút đầu cuối trở nên phức tạp khi có thêm có bậc điều chế cao hơn; các bộ tiền xử lý. Với các nhược điểm đó, kỹ thuật SDM và tiền mã hóa ít được quan tâm nghiên cứu trong mạng chuyển tiếp hai chiều. Trong số các kỹ thuật 2. Nghiên cứu kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều song công (FD: Full-Duplex) phát mã STC sử dụng cho chuyển tiếp hai chiều, mã khối không gian thời gian để đạt được hiệu quả sử dụng phổ cao; (STBC: Space Time Block Code), tiêu biểu là mã Alamouti nhận được nhiều 3. Nghiên cứu mở rộng cho hệ thống chuyển tiếp hai chiều có nhiều chặng quan tâm nghiên cứu. Nguyên nhân là do kỹ thuật này đạt được bậc phân tập chuyển tiếp; toàn phần, trong khi máy phát không cần biết CSI. Ngoài ra việc xử lý tín hiệu tại các máy phát/thu cũng đơn giản. Vì vậy, nghiên cứu kỹ thuật STBC 4. Nghiên cứu cải thiện phẩm chất hệ thống truyền dẫn chuyển tiếp hai cho truyền dẫn chuyển tiếp hai chiều sẽ góp phần mang lại hiệu quả truyền chiều trong môi trường kênh pha-đinh chọn lọc tần số; dẫn cao. Một kỹ thuật mới tiên tiến được nghiên cứu nhiều gần đây là điều 5. Nghiên cứu hiện thực hóa các kết quả đạt được trên phần cứng. chế không gian (SM: Spatial Modulation) cho phép nhận được tăng ích ghép kênh. Kỹ thuật SM còn có nhiều ưu điểm nổi bật hơn so với SDM như: chỉ cần 24 1
0 0 10 10 một bộ cao tần phát chung cho tất cả các ăng-ten. Do vậy, tại mỗi thời điểm chỉ một ăng-ten được kích hoạt nên không cần đồng bộ giữa các ăng-ten của −1 10 −1 10 BER (Đầu cuối đến đầu cuối) BER (Đầu cuối đến đầu cuối) máy phát, không xẩy ra hiện tượng nhiễu ICI tại máy thu. Ngoài ra, việc ước −2 −2 10 10 lượng tín hiệu tại máy thu cũng đơn giản hơn so với hệ thống SDM. Có thể nói, nghiên cứu kỹ thuật SM trong truyền dẫn chuyển tiếp vô tuyến hai chiều −3 10 −3 10 có ý nghĩa quan trọng, góp phần nâng cao hiệu quả truyền dẫn. −4 10 −4 10 Đề xuất SM−QSIC 2x2x2 4−QAM Đề xuất SM−QSIC 4x4x4 16−QAM Qua phân tích ở trên, nghiên cứu sinh nhận thấy, việc nghiên cứu kỹ thuật SIMO−ML 1x2x1 8−PSK SIMO−ML 1x4x1 64−QAM SM-ML 4x4x4 16−QAM [62] SM-ML 2x2x2 4−QAM [62] −5 −5 mã hóa mạng lớp vật lý có vai trò hết sức quan trọng, giúp nâng cao hiệu quả 10 0 5 10 15 20 25 30 10 0 5 10 15 20 25 SNR [dB] SNR [dB] truyền dẫn. Hơn nữa, nghiên cứu kết hợp giữa kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý với các kỹ thuật khác như STBC hoặc SM cũng là hướng nghiên cứu đầy triển Hình 4.3: Phẩm chất BER đầu cuối đến đầu cuối tại hiệu quả sử dụng phổ vọng, góp phần nâng cao phẩm chất hệ thống cũng như cải thiện hiệu quả sử 3 bít/s/Hz, với N = 2, M = 4 và 6 bít/s/Hz, với N = 4, M = 16. dụng phổ trong điều kiện phổ tần số cấp phát hạn chế. Chính vì vậy, nghiên cứu sinh đã lựa chọn và thực hiện đề tài “Nghiên cứu phát triển kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý trong hệ thống chuyển tiếp vô tuyến hai chiều”. Thực hiện kém một ít khoảng 0, 7 dB tại hiệu quả phổ thấp. Khi so sánh tại hiệu quả phổ thành công đề tài này sẽ góp phần nâng cao chất lượng truyền dẫn cho mạng cao, cả hai phương pháp này tương đương. chuyển tiếp vô tuyến hai chiều nói riêng và cho mạng thông tin vô tuyến thế Kết quả so sánh hiệu quả xử lý trong Bảng 4.1 cho thấy, đề xuất SM-QSIC hệ mới nói chung. có độ phức tạp phụ thuộc ít vào bậc điều chế M , chủ yếu phụ thuộc vào số 2. Đóng góp của Luận án lượng ăng-ten N được trang bị và hiệu quả hơn so với các phương pháp khác. Một số đóng góp chính của Luận án có thể được tóm tắt như sau: Bảng 4.1: So sánh hiệu quả độ phức tạp [flop/symbol] theo M và N • Đề xuất giải pháp ước lượng và ánh xạ phi tuyến trong kỹ thuật mã hóa Cấu hình N =2 N =4 mạng lớp vật lý kết hợp với kỹ thuật mã không gian-thời gian STBC, M =4 M = 16 M = 64 M =4 M = 16 M = 64 cho phép cải thiện phẩm chất hệ thống chuyển tiếp hai chiều; Đề xuất SM-QSIC 334 367 410 352.4 363.5 378.9 • Đề xuất giải pháp ước lượng tín hiệu có độ phức tạp thấp cho kỹ thuật SM-ML 624 998.4 159.744 505.6 808.96 129.433.6 mã hoá mạng lớp vật lý ánh xạ tuyến tính dựa trên kỹ thuật lượng tử EGA 48 256.8 163.848 392 896.0 557.312 hóa kênh và kết hợp kỹ thuật khử nhiễu nối tiếp SIC cải tiến, trong khi EQRP 56 262.4 164.096 392 972.8 561.152 vẫn đảm bảo phẩm chất của hệ thống; 4.4 Kết luận chương • Đề xuất giải pháp ước lượng tín hiệu có độ phức tạp thấp cho hệ thống Trong chương này, Luận án đã đề xuất phương pháp ước lượng có độ phức chuyển tiếp hai chiều kết hợp giữa mã hoá mạng lớp vật lý ánh xạ tuyến tạp thấp cho mô hình chuyển tiếp hai chiều có sử dụng kỹ thuật SM kết hợp tính và điều chế không gian, cho phép cải thiện phẩm chất hệ thống. PNC ánh xạ tuyến tính. Độ phức tạp thấp của phương pháp nhận được nhờ 3. Bố cục Luận án áp dụng lượng tử hóa kênh kết hợp loại nhiễu SIC lặp. Trong đó, độ phức tạp Luận án gồm 144 trang, ngoài các phần: Mở đầu; kết luận và hướng phát ước lượng một chòm sao vuông được giảm nhỏ đáng kể so với phương pháp triển của luận án; Danh mục các công trình công bố; và Tài liệu tham khảo, truyền thống. Ngoài ra, giải pháp ước lượng lần lượt chỉ số ăng-ten kích hoạt luận án chia thành 4 chương như trình bày tiếp theo. và ký hiệu điều chế M -QAM giúp giảm thiểu đáng kể độ phức tạp ước lượng. 2 23
• SIC lần thứ 2: Quyết định cặp ký hiệu điều chế M -QAM. (1) w(ˆu,ˆv) − r(ˆu,ˆv) x (1,2) ˜(ˆu,ˆv) (2) ! Chương 1 (1) x ˆ =Q (1,1) , (4.16) r(ˆu,ˆv) KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN CƠ BẢN TRONG MẠNG   r (1,2)∗ w (1) − r (1,1) (1) x ˆ + r (2,2) (2) w CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN HAI CHIỀU (2)  (ˆu,ˆv) (ˆ u,ˆ v) (ˆu,ˆ v) (ˆu,ˆ v ) (ˆu,ˆ v)  x ˆ = Q
2 2 . (4.17)
(1,2)
(2,2)
r(ˆu,ˆv)
+ r(ˆu,ˆv) Nội dung Chương này nghiên cứu các vấn đề tổng quan về mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều và các kỹ thuật cơ bản nhằm nâng cao hiệu quả truyền Kết quả ước lượng (ˆ x(1) , x u, vˆ), (ˆ ˆ(2) ) sẽ được mã thành u(R) và x(R) , sử dụng dẫn. Trên cơ sở nghiên cứu ưu điểm và nhược điểm của các kỹ thuật truyền điều chế không gian để phát quảng bá thông tin này đến các nút đầu cuối. dẫn cũng như các công trình liên quan đến những kỹ thuật này, từ đó nghiên 4.3 Kết quả mô phỏng và phân tích phẩm chất cứu sinh xác định các nội dung nghiên cứu của luận án như sau: 0 0 10 10 Đề xuất SM−QSIC 8x8x8 4−QAM • Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý sử dụng ánh xạ phi tuyến. SIMO−ML 1x8x1 32−QAM −1 SM−ML 8x8x8 4−QAM [21] −1 10 10 • Nghiên cứu kết hợp kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý ánh xạ phi tuyến −2 −2 10 10 với kỹ thuật MIMO-STBC. BER BER −3 10 −3 10 • Nghiên cứu kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý sử dụng ánh xạ tuyến tính. −4 10 −4 10 Đề xuất SM−QSIC 4x4x4 4−QAM SIMO−ML 1x4x1 16−QAM • Nghiên cứu kết hợp kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý ánh xạ tuyến tính −5 SM−ML 4x4x4 4−QAM [21] 10 −10 −5 0 5 10 15 20 −10 −5 0 5 10 15 20 với kỹ thuật điều chế không gian. SNR [dB] SNR [dB] Mục tiêu cần đạt được của các hướng nghiên cứu trong luận án là: Hình 4.2: Phẩm chất BER trong trường hợp hiệu quả sử dụng phổ 4 bít/s/Hz, với N = 4, M = 4 và 5 bít/s/Hz, với N = 8, M = 4. • Đề xuất hệ thống có phẩm chất như SER, thông lượng cao so với các phương pháp khác, với độ phức tạp xử lý tính toán tại nút chuyển tiếp Hình 4.2 so sánh phẩm chất BER tại hiệu quả phổ lần lượt là 4 bít/s/Hz, chấp nhận được. 5 bít/s/Hz. Kết quả cho thấy, phẩm chất BER của phương pháp ước lượng đề xuất xấp xỉ phương pháp SM-ML. So với phương pháp SIMO-ML cùng tốc độ • Giảm đáng kể độ phức tạp tính toán tại nút chuyển tiếp trong khi phẩm truyền dẫn và cùng số ăng-ten thu tại nút chuyển tiếp, phương pháp đề xuất chất SER suy giảm không đáng kể so với phương pháp ước lượng và mã nhận được tăng ích SNR cao hơn. Cụ thể, tại BER = 10−3 , phương pháp đề hóa mạng sử dụng ML. xuất SM-QSIC nhận được tăng ích SNR lớn hơn khoảng 4 dB tại hiệu quả phổ 4 bít/s/Hz, khoảng 7, 5 dB tại hiệu quả phổ 5 bít/s/Hz. Trên cơ sở các hướng nghiên cứu đã xác định và các mục tiêu cần đạt được, Hình 4.3 so sánh phẩm chất BER tại các nút đầu cuối tại hiệu quả phổ lần nội dung luận án lần lượt giải quyết các vấn đề này trong các chương tiếp theo. lượt là 4 bít/s/Hz và 6 bít/s/Hz. Kết quả cho thấy, phẩm chất BER của hệ thống đề xuất hiệu quả hơn nhiều so với hệ thống SIMO không sử dụng điều chế không gian. So sánh với SM-ML, phương pháp đề xuất có tăng ích SNR 22 3
Nếu gọi L là mức lượng tử và chọn L = round r(1,2) /r(1,1) . Ký hiệu ∆ Chương 2 l = r(1,2) /r(1,1) − L là độ lệch của L so với r(1,2) /r(1,1) . ∆ Đặt x(sum) = (x(1) + Lx(2) ), phương trình (4.8) viết lại thành MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ ÁNH XẠ PHI TUYẾN w(1) = r1,1 x(sum) + r1,1 lx(2) + n ¯ (1) , CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU (4.9) w(2) = r2,2 x(2) + n ¯ (2) . 2.1 Mã hóa mạng lớp vật lý sử dụng ánh xạ phi tuyến 4.2.2 Ước lượng dựa trên loại bỏ nhiễu SIC lặp 2.1.1 Mô hình hệ thống • SIC lần thứ 1: Ước lượng chỉ số ăng-ten kích hoạt Xét mô hình chuyển tiếp hai chiều được minh họa như trong Hình 2.1. Bước 1: Ước lượng sơ bộ thành phần x(2) có trong biểu thức w(2) : x1 h1 h2 x2 - Nếu M = 4, ước lượng mềm được thực hiện như sau: (2,2) (2) (2) (2) (2) r w ¯ = E x |w x = tanh 2 . (4.10) T1 R T2 σ - Nếu M > 4, ước lượng mềm được thực hiện như sau: Hình 2.1: Mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều.  (2) √
(2)
√  sign w(2,2) ( M − 1) khi
w
(2,2)
> ( M − 1), r
r Quá trình truyền dẫn giữa hai nút đầu cuối được thực hiện trong hai pha: ¯(2) = x (2)
(2)
√ (4.11) w khi