Tóm tắt 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:28

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt 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" được nghiên cứu với mục tiêu: Đề xuất thuật toán tách và xử lý tín hiệu có độ phức tạp thấp hơn thuật toán giải mã cầu áp dụng tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều.

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 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 Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI -2024
Công trình được hoàn thành tại: VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ Người hướng dẫn khoa học: 1. GS. TS. Trần Xuân Nam 2. TS. Ngô Vũ Đức Phản biện 1: GS.TS. Trần Đức Tân Trường Đại học Phenikaa Phản biện 2: PGS.TS. Phạm Thanh Hiệp Học viện Kỹ thuật quân sự Phản biện 3: TS. Vũ Lê Hà Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá tiến sĩ cấp Viện, họp tại Viện KH&CNQS vào hồi ….. giờ ….. ngày ….. tháng ….. năm 2023 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. - Thư viện Quốc gia Việt Nam.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ [CT1] M. -T. Nguyen, V. -D. Ngo, X. -N. Tran and M. -T. Le, "Design and Implementation of Signal Processing Unit for Two-Way Relay Node in MIMO-SDM-PNC System," in 2019 26th International Conference on Telecommunications (ICT), Hanoi, Vietnam, 2019. [CT2] Minh-Thuong Nguyen, Xuan-Nam Tran, Vu-Duc Ngo, Quang-Kien Trinh, Duc-Thang Nguyen, Tien-Anh Vu, "An Analysis of Valid Nodes Distribution for Sphere Decoding in the MIMO Wireless Communication System," Journal of Research and Development on Information and Communication Technology, vol. 2021, pp. 97-104, 2021. [CT3] Nguyễn Đức Thắng, Vũ Tiến Anh, Nguyễn Minh Thường, Trần Xuân Nam, Trịnh Quang Kiên, "Tối ưu và thực thi khối giải mã cầu trong hệ thống MIMO," in Kỷ yếu hội nghị quốc gia lần thứ XXIV về điện tử, truyền thông và công nghệ thông tin (REV-ECIT 2021), Hà Nội, 2021. [CT4] Minh Thuong Nguyen, Xuan Nam Tran, Vu-Duc Ngo, Quang Kien Trinh, "A Low Complexity Detection For Two-Way Relay Station in Wireless MIMO-SDM-PNC Systems," in 2021 8th NAFOSTED Conference on Information and Computer Science (NICS), Ha Noi, 2021. [CT5] Nguyễn Minh Thường, Trần Xuân Nam, Trinh Quang Kiên, Nguyễn Đức Thắng, Vũ Tiến Anh, "Thiết kế và tối ưu thực thi bộ giải mã cầu trên phần cứng chuyên dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO," Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, vol. 80, pp. 80-91, 6-2022. [CT6] Minh Thuong Nguyen, Xuan Nam Tran, Vu-Duc Ngo, Quang-Kien Trinh, Duc-Thang Nguyen, Tien-Anh Vu, " An Effective Design Approach to Implementation of MIMO-SDM-PNC Relay Stations on FPGA," 2022 International Conference on Control, Automation & Information Sciences (ICCAIS). Hanoi, Vietnam, 2022. [CT7] Minh Thuong Nguyen, Xuan Nam Tran, Vu Duc Ngo, Quang-Kien Trinh, Duc Thang Nguyen, Tien Anh Vu, "Sub-optimal Deep Pipelined Implementation of MIMO Sphere Detector on FPGA," EAI Endorsed Transactions on Industrial Networks and Intelligent Systems. Vol. 10 No.1, 2023
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Sự phát triển các nền tảng và dịch vụ viễn thông đã tạo ra áp lực nên 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. 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 dẫn đến cần phải tăng tần số sóng mang. 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, mạng thông tin vô tuyến cần thiết lập thêm các trạm chuyển tiếp. Sự 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. Trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO, thuật toán giải mã cầu 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 hợp lệ cực đại ML. 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 có tỉ số tín trên tạp đủ lớn. Đến thời điểm hiện tại, theo hiểu biết của NCS: - Thứ nhất, chưa có công trình nghiên cứu nào áp dụng thuật toán SD thực hiện tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều.
2 - 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 mô phỏng trên phần mềm MATLAB, rất ít các nghiên cứu hướng đến triển khai trên các nền tảng công nghệ FPGA. 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. Do vậy, 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. 2. Mục tiêu nghiên cứu 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 hơn thuật toán giải mã cầu áp dụng tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều. Thuật toán đề xuất cần phải cho kết quả tỉ lệ lỗi bít (BER: Bit-Error Rate) thấp, xấp xỉ giá trị BER của thuật toán giải mã cầu lý thuyết và tiệm cận đến giá trị BER của thuật toán giải mã Hợp lệ cực đại. Một điểm quan trọng nữa là thuật toán đề xuất có thể triển khai cài đặt trên nền tảng công nghệ phần cứng FPGA. - 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
3 lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều hướng tới triển khai thực thi trên nền tảng công 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 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. - Nghiên cứu, đề xuất thuật toán V-KBD (Variable K-Best Detection) tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO
4 hai chiều có độ phức tạp thấp. Thuật toán V-KBD 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 V- KBD tách và xử lý tín hiệu chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều 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. 5. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể như sau: - Về lý thuyết: Luận án nghiên cứu lý thuyết hệ thống thông tin vô tuyến MIMO điểm-điểm và hệ thống chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều, nghiên cứu các thuật toán tách và xử lý tín hiệu tại máy thu trong hệ thống MIMO điểm-điểm, thuật toán tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều. Nghiên cứu, đề xuất các thuật toán cải tiến và đánh giá độ phức tạp của các thuật toán đề xuất. Nghiên cứu, đề xuất các kiến trúc phần cứng tối ưu thực thi các thuật toán đã đề xuất trên nền tảng công nghệ FPGA. - Về thực nghiệm: Đánh giá, so sánh chất lượng BER của các thuật toán đề xuất với một số thuật toán: SD, ML, MMSE, ZF trên môi trường mô phỏng sử dụng MATLAB; Đánh giá các kiến trúc phần cứng đề xuất trên môi trường mô phỏng sử dụng công cụ Xilinx Vivado. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Việc nghiên cứu các cơ sở lý thuyết và đề xuất thuật toán tách và xử lý tín hiệu cho trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều của luận án có ý nghĩa trên cả hai phương diện khoa học và thực tiễn: Về khía cạnh khoa học: Kết quả phân tích, đánh giá thuật toán giải mã SD sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO giúp cho ta có thể định lượng được độ phức tạp tính toán của thuật toán SD. Từ đó làm cơ sở để đánh giá so sánh độ phức tạp của các thuật toán tách và xử lý tín hiệu đề xuất với độ phức tạp của thuật toán SD. Mô hình chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều đề xuất trong luận án có thể tiếp tục sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo nhằm áp dụng
5 thêm các thuật toán tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều. Đồng thời, mô hình chuyển tiếp đề xuất trong luận án có thể áp dụng cho các mô hình xử lý và chuyển tiếp sử dụng các bộ tách tín hiệu tuyến tính và phi tuyến với các phương pháp điều chế bất kỳ như: BPSK, QPSK, QAM... Về khía cạnh thực tiễn: - Nội dung nghiên cứu của luận án là đã đề xuất thuật toán tách và xử lý tín hiệu có độ phức tạp thấp, phù hợp với thực thi trên kiến trúc phần cứng sử dụng công nghệ FPGA cho các bộ tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều. Các kết quả nghiên cứu tiến gần đến áp dụng và triển khai trên các trạm chuyển tiếp thông tin vô tuyến MIMO trong thực tế. Thuật toán và kiến trúc phần cứng cho tách và xử lý tín hiệu được đề xuất trong luận án có thể được sử dụng cho các trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều trong các mạng viễn thông 5G hiện nay. - Kết quả nghiên cứu của luận án là một trong những tiền đề cho phép tiếp tục nghiên cứu và phát triển kỹ thuật viễn thông vô tuyến đang được triển khai rộng rãi hiện nay, tiến tới làm chủ công nghệ lõi cho mạng viễn thông thế hệ mới. Nội dung nghiên cứu thực hiện theo xu hướng phục vụ cho cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nâng cao hiệu quả, chất lượng và độ tin cậy của thông tin vô tuyến trao đổi trong mạng viễn thông. 7. Bố cục của luận án Luận án được bố cục bao gồm phần Mở đầu, 3 chương nội dung nghiên cứu chính và phần Kết luận. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP THÔNG TIN VÔ TUYẾN Chương trình bày các vấn đề tổng quan và cơ sở toán học liên quan đến các bộ xử lý và tách tín hiệu tại trạm chuyển tiếp. Tập trung vào nghiên cứu đánh giá bộ giải mã phi tuyến cho hệ thống thông tin chuyển tiếp hai chiều vô tuyến MIMO. 1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến đương đại Luận án trình bày sự phát triển hệ thống thông tin vô tuyến.
6 1.2. Thông tin vô tuyến chuyển tiếp Luận án trình bày vai trò chuyển tiếp vô tuyến trong hệ thống thông tin vô tuyến. 1.2.1. Các kỹ thuật chuyển tiếp 1.2.1.1. Chuyển tiếp một chiều Trao đổi thông tin giữa hai thiết bị đầu cuối N1 và N2, hệ thống cần sử dụng 4 khe thời gian. 1.2.1.2. Chuyển tiếp hai chiều Trao đổi thông tin giữa hai thiết bị đầu cuối N1 và N2, hệ thống cần sử dụng 3 khe thời gian. 1.2.1.3. Chuyển tiếp hai chiều lớp vật lý Mã hóa mạng tại lớp vật lý (PNC) được biểu diễn như trong Hình 1.4. PNC cần 2 khe khe thời gian trao đổi thông tin giữa hai thiết bị đầu cuối trong mạng. Với giả thiết tốc độ truyền vào xử lý dữ liệu như nhau của các trạm chuyển tiếp RS và thiết bị đầu cuối N1, N2, mô hình chuyển tiếp PNC tăng thêm 100% và 50% thông lượng so với mô hình chuyển tiếp N-NC và NC, tương ứng. 1.2.2. Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến MIMO Giao thức trong hệ thống thông tin vô tuyến gồm: Khuếch đại và chuyển tiếp (AF : Amplify and Forward), Xử lý và chuyển tiếp (DF: Processing and Forward). Luận án tập trung nghiên cứu giao thức DF làm cơ sở đề xuất các thuật toán cải tiến, các kiến trúc phần cứng cho các bộ tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp và tối ưu tài nguyên chiếm dụng trên các linh kiện FPGA. 1.3. Kỹ thuật tách và xử lý tín hiệu cho hệ thống vô tuyến MIMO Hình 1.5. Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến MIMO điểm-điểm lý
7 Hệ thống vô tuyến MIMO được biểu diễn trong Hình 1.5. Véc tơ tín hiệu phức y nhận được tại máy thu có thể được biểu diễn dưới dạng: y = Hx + n (1.1) trong đó, n là véc tơ tạp trắng cộng tính có giá trị phức có các phần tử thuộc phân phối Gauss có kỳ vọng “0” và phương sai 2. Để ược lượng véc tơ tín hiệu được truyền đến, có thể áp dụng các bộ tách tín hiệu tuyến tính (ZF, MMSE, V-BLAST) và bộ tách tín hiệu phi tuyến (SD, K-BEST, ML). Trong khuôn khổ, NCS nghiên cứu kỹ thuật tách và xử lý tín hiệu MIMO phi tuyến SD làm cơ sở nghiên cứu tối ưu, từ đó, đề xuất thuật toán V-KBD, EHSD. 1.3.1. Kỹ thuật tách và xử lý tín hiệu MIMO tuyến tính Các kỹ thuật tách tín hiệu MIMO tuyến tính gồm có: ZF, MMSE. 1.3.2. Kỹ thuật tách và xử lý tín hiệu MIMO phi tuyến Kỹ thuật tách tín hiệu QRD, V-BLAST, ML... 1.3.3. Kỹ thuật tách và xử lý tín hiệu áp dụng phương pháp giải mã cầu Bộ giải mã ML thực hiện tìm kiếm vét cạn các véc-tơ thuộc tập không gian mẫu 𝜴 để xác một véc tơ ước lượng ứng cho véc-tơ tín hiệu được truyền đến: 2 ̂ 𝑀𝐿 = 𝑎𝑟𝑔(𝑚𝑖𝑛) ||𝒚 − 𝑯𝒙|| 𝒙 (1.5) 𝒙∈𝜴 Để giảm độ phức tạp tính toán, bộ giải mã cầu đơn giản hóa bộ giải mã ML, ước lượng véctơ tín hiệu trong không gian hạn chế S: 2 ̂ 𝑆𝐷 = 𝑎𝑟𝑔(𝑚𝑖𝑛) ||𝒚 − 𝑯𝒙|| 𝒙 (1.6) 𝒙∈𝑺 Để thuận tiện trong triển khai thuật toán SD, qua biến đổi H=QR, với Q là ma trận đơn nhất, với QQH=I, R là ma trận tam giác trên, phương trình (1.1) biến đổi thành: ̃ = 𝑹𝒙 + 𝑸 𝐻 𝒏 với ̃ = 𝑸 𝐻 𝒚 𝒚 𝒚 (1.7) 𝐻 Do 𝑸 𝒏 có cùng thống kê với 𝒏 và phương trình (1.6) có thể biểu diễn tương đương với phương trình: ̃ 2 ̂ = 𝑎𝑟𝑔 𝑚𝑖𝑛 ||𝒚 − 𝑹𝒙|| 𝒙 𝑘ℎ𝑖 ̂ = 𝑹𝒙 𝒚 (1.8) 𝒙∈𝑺 Phương trình (1.5) có thể được tính toán thông qua hàm giá trị:
8 𝐷( ̃, ̂) = ||𝒚 − 𝑹𝒙||2 ≤ 𝑟 𝑠𝑝ℎ 2 𝒚 𝒚 ̃ (1.9) 𝐷( ̃, ̂) là khoảng cách Ơcơlít có thể được tính toán đệ quy: 𝒚 𝒚 𝑁𝑅 𝑁𝑇 2 𝐷 𝑚 ( ̃, ̂) ≜ ∑ (𝑦 𝑖 − ∑ 𝑅 𝑖𝑗 𝑥 𝑖𝑗 ) 𝒚 𝒚 ̃ (1.10) 𝑖=𝑚 𝑗 𝐷( ̃, ̂) = 𝐷1 ( ̃, ̂) 𝒚 𝒚 𝒚 𝒚 (1.11) 𝑁𝑇 2 𝐷 𝑚−1 ( ̃, ̂) = 𝐷 𝑚 ( ̃, ̂) + (𝑦 𝒚 𝒚 𝒚 𝒚 ̃ 𝑚−1 − ∑ 𝑅 𝑚−1,𝑖 𝑥 𝑖 ) (1.12) 𝑖=𝑚−1 Các véc tơ thỏa mãn: 𝒙 𝑗 ∈ {𝒙 ∈ 𝑺 ⊂ (ℂ) 𝑁 𝑇 : ‖𝑹𝒙 − 𝒚‖ ≤ 𝑟 𝑠𝑝ℎ }, 𝑁𝑇 giá trị khởi tạo 𝐷 𝑁 𝑅 +1 ( ̃, ̂) = 0 𝒚 𝒚 𝐷 𝑚−1 ( ̃, ̂) ≤ 𝑟 𝑠𝑝ℎ 2𝑚 − 𝐷 𝑚 ( ̃, ̂) 𝒚 𝒚 𝒚 𝒚 𝑁𝑅 (1.13) 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 đó 𝑟 𝑠𝑝ℎ 2𝑚 = 𝑟 𝑠𝑝ℎ 2 − ∑ 𝐷 𝑖 ( ̃, ̂) 𝒚 𝒚 𝑖=𝑚+1 Để triển khai thuật toán trên nền tảng công nghệ phần cứng FPGA, áp dụng biến đổi RVD, phương trình Error! Reference source not found. được biến đổi thành biểu thức với tất cả các tham số ở dạng số thực được biểu diễn[27]: ℜ(𝒚) ℜ(𝑯) −ℑ(𝑯) ℜ(𝒙) ℜ(𝒏) (1.14) [ ]=[ ][ ]+[ ] ℑ(𝒚) ℑ(𝑯) ℜ(𝑯) ℑ(𝒙) ℑ(𝒏) với ℑ(. ), ℜ(. ) Tương ứng là các hàm lấy phần thực và phần ảo của một số phức. Giải phương trình Error! Reference source not found. thông qua phương trình (1.14) với các bước như trên, với không gian tìm kiếm thuộc tập số nguyên: 𝑆 𝑟 = {−√𝑀 + 1, … , √𝑀 + 1} (1.15) 1.4. Kỹ thuật tách và xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều Mô hình chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều sử dụng PNC có hai nút N1, N2 trao đổi thông tin qua RS. Phương trình truyền tín hiệu cho mô hình chuyển tiếp PNC được biểu diễn: 𝒚 = 𝑯(1) 𝒙(1) + 𝑯(2) 𝒙(2) + 𝒏 (1.16) Biểu thức (1.16) được biểu diễn thành dạng tương đương như sau:
9 𝒚 = 𝑯𝒙 + 𝒏 (1.17) 𝑁1 (𝑖) (1.18) ̂ (𝑖) = 𝑀−1 (𝒙(𝑖) ) = (𝑀−1 (𝑥 𝑗 )) 𝒔 ̂ ̂ Trạm chuyển tiếp thực hiện XOR để tạo véc tơ tín hiệu chuyển tiếp: (1) (2) 𝑁1 (1.19) 𝒔(𝑟) = ̂ (1)  ̂𝒔(2) = (𝑠̂  𝑠̂ ) 𝒔 𝑗 𝑗 (𝑟) Gói tin 𝒔 được ánh xạ vào chòm điều chế được biểu diễn: 𝑁1 (𝑟) (1.20) 𝒙(𝑟) = 𝑀(𝒔(𝑟) ) = (𝑀 (𝑠 𝑗 )) Tại khe thời gian thứ hai, RS phát quảng bá véc tơ tín hiệu 𝒙(𝑟) đến hai nút N1, N2. Phương trình kênh truyền tại nút đích được biểu diễn: 𝒈(𝑖) = 𝑻(𝑖) 𝒙(𝑟) + 𝒏 (1.21) Các nút đích ước lượng véc tơ tín hiệu 𝒙(𝑟) , và ánh xạ ngược vào chuỗi bít nhị phân trên chòm sao tín hiệu theo biểu thức: 𝑁1 (𝑟) (1.22) ̂ (𝑟) = 𝑀−1 (𝒙(𝑟) ) = (𝑀−1 (𝑥 𝑗 )) 𝒔 ̂ ̂ Nút đích N1, N2 khôi phục tín hiệu truyền đến: 𝒔 ̂𝒔 ̃𝒔(1) = ̂ (2)  ̂𝒔(𝑟) = ̂ (2)  ̂ (1)  ̂ (2) 𝒔 𝒔 (1.23) ̃𝒔 = ̂  ̂𝒔 = ̂  ̂ (1)  ̂𝒔(2) (2) 𝒔 (1) (𝑟) 𝒔(1) 𝒔 ̂ (1.24) 1.5. Các hướng nghiên cứu của luận án 1.6. Kết luận chương 1 Chương 2 THUẬT TOÁN TÁCH VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU CHO HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN MIMO HAI CHIỀU Chương 2 của luận án thực hiện nghiên cứu, khảo sát, đánh giá các tham số tác động đến chất lượng của thuật toán giải mã cầu, đưa ra cải tiến thuật toán giải mã cầu phù hợp cài đặt và thực thi trên FPGA. Từ các kết quả nghiên cứu, luận án đề xuất thuật toán EHSD, V-KBD tương ứng thực hiện tách và xử lý tín hiệu tại máy thu trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO điểm-điểm và tại trạm chuyển tiếp có độ phức tạp thấp. Các thuật toán này tương thích cài đặt trên FPGA và có khả năng triển khai trên các vi mạch chuyên dụng ASIC. 2.1. Khảo sát thuật toán giải mã cầu trong hệ thống thông tin vô tuyến MIMO
10 Thuật toán SD được sử dụng để tách và xử lý tín hiệu trong hệ thống vô tuyến MIMO. Có hai chiến thuật tìm kiếm được sử dụng cho thuật toán SD: DFS-SD, BFS-SD. Với bộ xử lý thông thường đơn lõi, DFS-SD hiệu quả hơn BFS-SD, nhưng DFS-SD có độ trễ tính toán biến đổi phụ thuộc vào tín hiệu đến, nhiễu kênh truyền... Với các bộ xử lý song song, BFS-SD tín toán trên nhiều lõi xử lý song song, nên BFS- SD có độ trễ tính toán nhỏ hơn DFS-SD, nên thuật toán BFS-SD hiệu quả hơn DFS-SD khi dùng bộ xử lý nhiều lõi, điều này làm giảm độ trễ tính toán, tăng thông lượng, dễ đồng bộ kênh truyền MIMO. Hình 2.2 Hệ số phẩm chất BER của Hình 2.3 Hệ số phẩm chất BER của các bộ tách và xử lý tín hiệu trong hệ các bộ tách tín hiệu trong hệ thống thống vô tuyến 4×4 MIMO sử dụng 6×6 MIMO vô tuyến sử dụng điều điều chế 16-QAM. chế 16-QAM 2.1.1. Ảnh hưởng của bán kính cầu tìm kiếm đến độ phức tạp của thuật toán giải mã cầu Luận án tiến hành nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của lửa chọn bán kính cầu đến hệ số phẩm chất của thuật toán SD. Thuật toán SD cho đường cong BER tiệm cận đến đường cong BER của thuật toán ML khi tỉ số tín trên tạp đủ lớn. Phẩm chất của SD tăng theo giá trị của bán kính cầu tìm kiếm. Từ đó, đề xuất triển khai thuật toán SD theo các tham số: bán kính cầu, tỉ số tín trên tạp, khối lượng tính; độ chính xác, độ phức tạp tính toán, độ trễ hệ thống.
11 2.1.2. Ảnh hưởng phân bố thống kê của nút hợp lệ đến hiệu năng của bộ giải mã cầu Luận án nghiên cứu đánh giá tác động và ảnh hưởng của bán kính cầu đến số lượng điểm nút trên cây tìm kiếm. Với mô hình mô phỏng thực hiện trong luận án, có thể tùy ý lựa chọn các mô hình cần khảo sát để đánh giá ảnh hưởng giữa các tham số trong hệ thống. Kết quả khảo sát đưa ra được quy luật phân bố của các điểm nút hợp lệ tại các mức trên cây tìm kiếm cho bộ giải mã cầu SD áp dụng cho hệ thống MIMO được biểu diễn trên các hình từ Hình 2.5 đến Hình 2.8. Căn cứ vào phân bố của số lượng các điểm nút hợp lệ tại các mức trên, luận án xác định và lựa chọn các số lượng các điểm nút tốt nhất tương ứng trên các mức của cây tìm kiếm để đưa xuống mức tiếp theo. Số lượng các điểm nút lựa chọ được xác định tại véc-tơ cấu hình. Tiêu chí đưa ra kiến trúc và thực thi thuật toán giải mã cầu đáp ứng được nhu cầu thực tế là giảm độ phức tạp, tốc độ xử lý nhanh, đỗ trễ thấp, phù hợp cài đặt thuật toán trên nền tảng phần cứng FPGA. Từ đó, luận án đề xuất 02 thuật toán xử lý EHSD, V-KBD cho các bộ tách và xử lý tín hiệu tương ứng bộ giải mã và xử lý tín hiệu cho hệ thống MIMO và tại trạm chuyển tiếp thông tin vô tuyến MIMO hai chiều tại lớp vật lý. Hình 2.7 Kỳ vọng số nút hợp lệ tại Hình 2.8 Phương sai số nút hợp lệ mỗi mức trên cây tìm kiếm SD cho hệ tại mỗi mức trên cây tìm kiếm SD thống 8 × 8 với điều chế 16-QAM cho hệ thống MIMO 8 × 8 16-QAM
12 Hình 2.12 Số lượng 99,999% số nút Hình 2.13 Số lượng 99,999% số nút hợp lệ tại mỗi mức trên cây tìm hợp lệ tại mỗi mức trên cây tìm kiếm kiếm SD cho hệ thống MIMO 6 × 6 SD cho hệ thống MIMO 8 × 8 16- 16-QAM QAM 2.1.3. Lựa chọn nút bằng thuật toán sắp xếp đệ quy Luận án phân tích đánh giá hiệu quả của phương pháp sắp xếp toàn cục (GS) và sắp xếp cục bộ (LS), theo phương pháp đệ quy, lựa chọn ra các điểm nút hợp lệ trên cây tìm kiếm. Kết quả, luận án sử dụng GS trên cơ sở thuật toán Batcher [53] cho bộ tách và xử lý tín hiệu áp dụng cho hệ thống MIMO. 2.1.4. Sự phụ thuộc BER vào bán kính cầu tìm kiếm Việc tăng bán kính cầu tìm kiếm giúp giảm BER nhưng chỉ hiệu quả trong một phạm vi nhỏ. Kết quả đưa ra lựa chọn được bán kính cầu phù hợp với giá trị BER mong muốn. 2.2. Đề xuất thuật toán EHSD tách và xử lý tín hiệu. Thuật toán EHSD thực hiện tách và xử lý tín hiệu cho hệ thống MIMO NN điểm-điểm. Thuật toán thực hiện trên hai tầng xử lý: tầng vét cạn và tầng sắp xếp và lựa chọn. EHSD duyệt cây tìm kiếm được chỉ ra trên Hình 2.18. Tại tầng vét cạn, EHSD giữa lại toàn bộ các điểm chọn, EHSD thực hiện tín toán và sắp xếp các điểm nút tại các mức trên cây tìm kiếm và lựa chọn nút gần nhất với điểm nút được tạo ra bởi véc-tơ tín hiệu nhận được tại máy thu. Tại mức cuối cùng, EHSD đưa
13 ra véc-tơ ước lượng tốt nhất cho véc-tơ tín hiệu truyền đến máy thu. Thuật toán EHSD được đề xuất dựa trên ý tưởng cân bằng và thỏa hiệp giữa duy trì hệ số phẩm chất nút tính toán và đưa xuống các mức tiếp theo.Tại tầng sắp xếp và lựa BER của hệ thống và tài nguyên chiếm dụng khi được triển khai thực thi trên FPGA. GỐC M Chọn tất cả 1 2 các nút Tầng vét cạn Mức 2N Chọn tất cả Mức 2N-1 các nút v Chọn tất cả v Mức i+1 các nút v Mức i Ki nút tốt nhất Tầng sắp xếp và lựa chọn 1 1 v Mức i-1 Ki-1 nút tốt nhất 1 v Mức 3 K3 nút tốt nhất 1 Mức 2 K2 nút tốt nhất 1 v Chọn 1 nút Mức 1 tốt nhất Đường có khoảng cách Ơcơlít ngắn nhất Nút hợp lệ Nút hợp lệ thuộc véc-tơ kết quả Nút không hợp lệ Hình 2.18 Cây tìm kiếm của thuật toán giải mã EHSD cho hệ thống MIMO 2.3. Ứng dụng thuật toán EHSD tại máy thu cho hệ thống thông tin vô tuyến MIMO điểm-điểm Hình 2.19 So sánh hệ số phẩm chất BER của các cấu hình EHSD với các thuật toán: ZF, MMSE, SD và ML
14
15 2.4. Đề xuất thuật toán tách và xử lý tín hiệu V-KBD Thuật toán thực thực hiện duyệt cây tìm kiếm theo phương pháp tính toán đồng thời các điểm nút trên cùng một mức của cây tìm kiếm. Thuật toán thực hiện sắp xếp các khoảng cách Ơ-cơ-lit từng phần theo thứ tự từ nhỏ đến lớn. Luận án đánh giá và lựa chọn số lượng các điểm
16 được lựa chọn đưa xuống các lớp tiếp theo cho tính toán. Thuật toán V- KBD đề xuất phù hợp với thiết kế và thực thi trên các nền tảng công nghệ FGPA và các chíp chuyên dụng ASIC. Root Mức 2N Chọn K2N tốt nhất Mức 2N-1 Chọn K2N-1 tốt nhất Hướng duyệt cây Mức 2N-2 Chọn K2N-2 tốt nhất Mức 3 Chọn K3 tốt nhất Mức 2 Chọn K2 tốt nhất Mức 1 Chọn 1 tốt nhất Nhánh lựa chọn Hình 2.19 Cây tìm kiếm cho thuật toán tách và xử lý tín hiệu V-KBD 2.5. Ứng dụng thuật toán V-KBD tại trạm chuyển tiếp cho hệ thống vô tuyến MIMO hai chiều Bảng 2.6 Cấu hình của thuật toán cho chuyển tiếp MIMO 44 16-QAM Cấu hình Số hiệu mức trên cây tìm kiếm  (𝑀, 𝑁) (Flops) 16 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 No 1 CV1 4 8 32 36 32 28 25 20 18 11 8 5 4 3 2 1 13.032 CV2 4 16 64 32 24 16 12 8 4 4 2 2 2 2 2 1 11.836 No 1 CV3 4 6 10 14 20 28 36 44 52 60 68 76 84 92 100 1 25.212 CV4 4 10 16 32 44 56 68 80 92 104 116 128 140 152 164 1 44.660 No 3 CV5 4 16 28 26 20 16 14 12 10 8 6 4 4 4 4 1 9.836 CV6 4 16 28 32 36 32 28 24 20 16 12 4 4 4 4 1 14.356 Hình 2.20 Hệ số phẩm chất CV7 4 16 64 128 128 32 28 24 20 16 12 8 4 4 4 1 28.596 BER của bộ tách tín hiệu và CV8 4 16 64 256 256 256 128 128 128 64 64 32 32 32 16 1 78.212 4 16 64 195 365 571 758 878 942 918 810 646 487 345 231 1 308.280 chuyển tiếp vô tuyến SD: 𝑟 𝑠𝑝ℎ = 7 MIMO 4×4 hai chiều áp dụng V-KBD 2.5. Kết luận chương 2 Bộ tách và xử lý tín hiệu tại trạm chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều là sự kết hợp giữa hai khối gồm bộ tách tín hiệu trong hệ thống