Luận án Nghiên cứu giải pháp mã hóa P-LDPC nâng cao hiệu năng của hệ thống mimo cỡ lớn

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG 
-------------------------------------- 
VŨ ĐỨC HIỆU 
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP MÃ HÓA P-LDPC NÂNG CAO 
HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
Hà Nội - Năm 2021 
BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG 
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG 
-------------------------------------- 
 VŨ ĐỨC HIỆU 
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP MÃ HÓA P-LDPC NÂNG CAO 
HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG MIMO CỠ LỚN 
 CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG 
MÃ SỐ: 9.52.02.08 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
Người hướng dẫn khoa học: 
1. TS. NGUYỄN VĂN THỦY 
2. PGS.TS NGUYỄN HỒNG QUANG 
Hà Nội – Năm 2021 
i 
LỜI CAM ĐOAN 
Tôi xin cam đoan dưới đây là luận án tốt nghiệp của riêng tôi, dưới sự hướng 
dẫn của TS. Nguyễn Văn Thủy – Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông và 
PGS. TS. Nguyễn Hồng Quang – Học viện Kỹ thuật Mật mã. Tất cả những kết 
quả và số liệu trong luận án này là trung thực có được từ những nghiên cứu mà tôi và 
nhóm thực hiện trong quá trình làm luận án. 
 Hà Nội, ngày tháng năm 2021 
Nghiên cứu sinh 
Vũ Đức Hiệu 
ii 
LỜI CẢM ƠN 
Trước hết tôi xin chân thành cảm ơn hai thầy hướng dẫn là TS. Nguyễn Văn 
Thủy và PGS.TS. Nguyễn Hồng Quang đã tận tình hướng dẫn suốt quá trình tôi thực 
hiện đề tài nghiên cứu này. Các thầy luôn đồng hành từ quá trình tìm nguồn tài liệu, 
thảo luận các vấn đề nghiên cứu đến việc công bố các bài báo tại hội nghị và tạp chí. 
Với kiến thức chuyên sâu của mình về lĩnh vực viễn thông đặc biệt là mã hóa kênh, 
các thầy đã dẫn dắt tôi vượt qua những khó khăn để tiếp cận những chủ đề mới như 
mã hóa kênh LDPC, kênh truyền dẫn vô tuyến nhiều đầu vào nhiều đầu ra, và mới 
nhất là các hệ thống vô tuyến với bộ chuyển đổi tương tự số có độ phân giải thấp. 
Không có sự tận tình hướng dẫn của các thầy, có lẽ sẽ không có quyển luận án này. 
Bên cạnh các thầy hướng dẫn chính, tôi còn nhận được rất nhiều sự giúp đỡ, 
tạo điều kiện của Ban lãnh đạo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Khoa 
Đào tạo sau đại học – Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, và đặc biệt là 
PGS.TS Lê Nhật Thăng. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành về sự giúp đỡ này. 
Tôi cũng xin cảm ơn TS. Nguyễn Ngọc Điệp giảng viên trường đại học công nghệ 
Sydney, Úc và TS. Nguyễn Trung Hiếu giảng viên trường đại học Đông-Nam, Nauy 
đã đóng góp ý kiến khích lệ cũng như phê bình những hạn chế của từng bài báo để 
thầy trò chúng tôi hoàn thành những bài báo được công bố trên các hội nghị và tạp 
chí chuyên ngành. 
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình đã luôn sát cánh động viên và tạo điều kiện 
tốt nhất để tôi có thể tập trung hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu đã đề ra. 
 Hà Nội, ngày tháng năm 2021 
Nghiên cứu sinh 
iii 
MỤC LỤC 
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i 
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii 
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii 
DANH MỤC VIẾT TẮT ......................................................................................... vi 
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ........................................................... ix 
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................ xiv 
DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................xvii 
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1 
Lý do nghiên cứu ..................................................................................................................................................... 1 
Mục đích nghiên cứu.............................................................................................................................................. 3 
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .................................................................................................................... 3 
Phương pháp nghiên cứu .................................................................................................................................... 4 
Những đóng góp của luận án .............................................................................................................................. 5 
Cấu trúc luận án ....................................................................................................................................................... 5 
CHƯƠNG 1................................................................................................................ 7 
TỔNG QUAN VỀ KÊNH TRUYỀN DẪN MIMO ................................................ 7 
VÀ MÃ PROTOGRAPH LDPC ............................................................................. 7 
1.1. Hệ thống thông tin số .................................................................................................................................... 7 
1.1.1. Mã hóa nguồn .......................................................................................................................................... 8 
1.1.2. Mã hóa kênh ............................................................................................................................................. 9 
1.2. Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (Low-Density Parity Check Codes LDPC) ....................... 14 
1.2.1. Mã hóa LDPC .............................................................................................................................................. 16 
1.2.2. Giải mã LDPC dùng giản đồ Tanner (Thuật toán tổng tích) ................................................... 16 
1.3. Mã Protograph LDPC.................................................................................................................................. 22 
1.3.1. Cách tạo từ mã Protograph LDPC ................................................................................................. 22 
1.3.2. Mã đục lỗ ................................................................................................................................................. 26 
1.3.3. Mã không đục lỗ ................................................................................................................................... 27 
iv 
1.3.4. Hiệu năng của mã Protograph LDPC trên kênh AWGN ....................................................... 27 
1.4. Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (Multiple-Input Multiple-Output) ......................................... 29 
1.5 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án ..................................................................................... 33 
1.5.1 Những nghiên cứu trong nước ....................................................................................................... 33 
1.5.1.1 Tách sóng tín hiệu MIMO cỡ lớn ...................................................................................... 33 
1.5.1.2 Giải mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC): ..................................................................... 34 
1.5.2 Những nghiên cứu ngoài nước ....................................................................................................... 35 
1.5.2.1 Mã Protograph LDPC ...................................................................................................................... 35 
1.5.2.2 Tách sóng tín hiệu MIMO .............................................................................................................. 37 
1.5.2.3 Bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp trong kênh MIMO cỡ lớn ............................. 38 
1.6. Kết luận chương 1 ....................................................................................................................................... 39 
CHƯƠNG 2.............................................................................................................. 41 
TÁCH SÓNG TÍN HIỆU CHO KÊNH LS-MIMO DỰA TRÊN THUẬT TOÁN 
LAN TRUYỀN TIN CẬY ....................................................................................... 41 
2.1 Giới thiệu.......................................................................................................................................................... 41 
2.2 Mô hình kênh LS-MIMO với bộ chuyển đổi ADC có độ phân giải thấp ở phía thu ............. 41 
2.4 Thuật toán tách sóng tín hiệu dựa trên thuật toán lan truyền độ tin cậy ............................. 45 
2.4.1 Cập nhật thông tin tại nút quan sát ON ....................................................................................... 46 
2.4.2 Cập nhật thông tin ở nút ký hiệu SN ............................................................................................. 49 
2.5 Kết quả mô phỏng ........................................................................................................................................ 49 
2.6 Kết luận chương 2 ........................................................................................................................................ 55 
CHƯƠNG 3.............................................................................................................. 56 
THIẾT KẾ MÃ PROTOGRAPH LDPC CHO KÊNH LS-MIMO .................... 56 
3.1. Giới thiệu......................................................................................................................................................... 56 
3.2. Mô hình máy thu kết hợp tách sóng và giải mã LDPC dựa trên giản đồ Tanner ............... 57 
3.4. Thuật toán LS-MIMO-PEXIT .................................................................................................................... 61 
3.5. Thiết kế mã Protograph LDPC cho kênh LS-MIMO ........................................................................ 66 
3.6. Hiệu năng các mã Protograph LDPC đề xuất cho các kênh LS-MIMO .................................... 70 
3.7. Kết luận chương 3 ....................................................................................................................................... 79 
CHƯƠNG 4.............................................................................................................. 80 
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG LS-MIMO VỚI BỘ ADC CÓ ĐỘ 
PHÂN GIẢI THẤP ................................................................................................. 80 
v 
4.1. Giới thiệu......................................................................................................................................................... 80 
4.2. Mô hình kênh thông tin LS-MIMO với Bộ ADC có độ phân giải thấp ...................................... 81 
4.3. Thuật toán tách sóng và giải mã Protophraph LDPC cho kênh LS-MIMO với bộ ADC có 
độ phân giải thấp ................................. ... r Massive 
MIMO," IEEE Access, vol. 6, pp. 14462-14473, 2018. 
[21] N. Hung and N. Duan, "A New High Performance Decoder for LDPC 
Codes," REV Journal on Electronics and Communications, vol. 3, 7 2014. 
[22] N. Hung, "A New LDPC Decoder for the DVB-S2 Receiver," Journal of 
Science and Technology: Issue on Information and Communications 
Technology, vol. 1, p. 67, 8 2015. 
[23] N. Hung, N. Duan and T. Do, "Parallel and serial LDPC decoders for wifi 
and wimax receiver," Chuyên san Công nghệ thông tin và Truyền thông, vol. 
6, 4 2015. 
[24] D. Vu, B. Pham and X. N. Tran, "Physical network coding for bidirectional 
relay MIMO-SDM system," 2013. 
[25] L. V. Cao and T. D. Nguyen, "A fast design for LDPC matrices," in 2012 
IEEE International Symposium on Signal Processing and Information 
Technology (ISSPIT), 2012. 
[26] P. Tran, "A Survey on LDPC Codes for Cooperative Communications," 
Transactions on Networks and Communications, vol. 3, 8 2015. 
[27] H. P. Nguyen, Vinh Tran-Quang, T. Miyoshi, "Applying Distributed LDPC 
Encoding Scheme Using 3-D Model for Wireless Underground Sensor 
Networks", IEICE Technical Committee on Information and 
Communication Management, Japan, 2012 
[28] H. P. Nguyen, Vinh Tran-Quang, T. Miyoshi, "Distributed LDPC Coding 
Scheme Considering Bit Error Rate and Energy Balance on Wireless Sensor 
Networks," Proceedings of IEICE General Conference, 2012. 
121 
[29] J. Zhang, L. Dai, Z. He, B. Ai and O. A. Dobre, "Mixed-ADC/DAC 
Multipair Massive MIMO Relaying Systems: Performance Analysis and 
Power Optimization," IEEE Trans. Commun., vol. 67, pp. 140-153, 2019. 
[30] Y. Fang, G. Han, G. Cai, F. C. M. Lau, P. Chen and Y. L. Guan, "Design 
Guidelines of Low-Density Parity-Check Codes for Magnetic Recording 
Systems," IEEE Communications Surveys Tutorials, vol. 20, pp. 1574-1606, 
2018. 
[31] Y. Fang, P. Chen, G. Cai, F. C. M. Lau, S. C. Liew and G. Han, "Outage-
Limit-Approaching Channel Coding for Future Wireless Communications: 
Root-Protograph Low-Density Parity-Check Codes," IEEE Veh. Technol. 
Mag., vol. 14, pp. 85-93, 2019. 
[32] F. Steiner, G. Böcherer and G. Liva, "Protograph-Based LDPC Code Design 
for Shaped Bit-Metric Decoding," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 34, pp. 
397-407, 2016. 
[33] T. V. Nguyen and H. T. Nguyen, "The design of optimized fast decoding 
protograph LDPC codes," in 2016 International Conference on Advanced 
Technologies for Communications (ATC), 2016. 
[34] C. Tang, M. Jiang, C. Zhao and H. Shen, "Design of Protograph-Based 
LDPC Codes with Limited Decoding Complexity," IEEE Commun. Lett., 
vol. 21, pp. 2570-2573, 2017. 
[35] Y. Fang, G. Zhang, G. Cai, F. C. M. Lau, P. Chen and G. Han, "Root-
Protograph-Based BICM-ID: A Reliable and Efficient Transmission 
Solution for Block-Fading Channels," IEEE Trans. Commun., vol. 67, pp. 
5921-5939, 2019. 
122 
[36] P. Chen, K. Cai and S. Zheng, "Rate-Adaptive Protograph LDPC Codes for 
Multi-Level-Cell NAND Flash Memory," IEEE Commun. Lett., vol. 22, pp. 
1112-1115, 2018. 
[37] Y. Cho and S. Hong, "One-Bit Successive-Cancellation Soft-Output (OSS) 
Detector for Uplink MU-MIMO Systems With One-Bit ADCs," IEEE 
Access, vol. 7, pp. 27172-27182, 2019. 
[38] S. Brink, G. Kramer and A. Ashikhmin, "Design of low-density parity-check 
codes for modulation and detection," IEEE Trans. Commun., vol. 52, pp. 
670-678, 2004. 
[39] T. L. Narasimhan and A. Chockalingam, "EXIT Chart Based Design of 
Irregular LDPC Codes for Large-MIMO Systems," IEEE Commun. Lett., 
vol. 17, pp. 115-118, 2013. 
[40] G. Liva and M. Chiani, "Protograph LDPC Codes Design Based on EXIT 
Analysis," in IEEE GLOBECOM 2007 - IEEE Global Telecommunications 
Conference, 2007. 
[41] D. C. Araújo, T. Maksymyuk, A. L. F. Almeida, T. Maciel, J. C. M. Mota 
and M. Jo, "Massive MIMO: survey and future research topics," IET 
Commun., vol. 10, pp. 1938-1946, 2016. 
[42] W. Fukuda, T. Abiko, T. Nishimura, T. Ohgane, Y. Ogawa, Y. Ohwatari and 
Y. Kishiyama, "Low-Complexity Detection Based on Belief Propagation in 
a Massive MIMO System," in 2013 IEEE 77th Vehicular Technology 
Conference (VTC Spring), 2013. 
[43] N. Samuel, T. Diskin and A. Wiesel, "Learning to Detect," IEEE Trans. 
Signal Process., vol. 67, pp. 2554-2564, 2019. 
[44] S. Takabe, M. Imanishi, T. Wadayama, R. Hayakawa and K. Hayashi, 
"Trainable Projected Gradient Detector for Massive Overloaded MIMO 
123 
Channels: Data-Driven Tuning Approach," IEEE Access, vol. 7, pp. 93326-
93338, 2019. 
[45] E. Viterbo and J. Boutros, "A universal lattice code decoder for fading 
channels," IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 45, pp. 1639-1642, 1999. 
[46] M. Mohammadkarimi, M. Mehrabi, M. Ardakani and Y. Jing, "Deep 
Learning-Based Sphere Decoding," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 
18, pp. 4368-4378, 2019. 
[47] X. Jin and H. Kim, "Parallel Deep Learning Detection Network in the MIMO 
Channel," IEEE Commun. Lett., vol. 24, pp. 126-130, 2020. 
[48] C. Zhang, Y. Jing, Y. Huang and X. You, "Massive MIMO With Ternary 
ADCs," IEEE Signal Processing Letters, vol. 27, pp. 271-275, 2020. 
[49] T. Liu, J. Tong, Q. Guo, J. Xi, Y. Yu and Z. Xiao, "Energy Efficiency of 
Massive MIMO Systems With Low-Resolution ADCs and Successive 
Interference Cancellation," IEEE Transactions on Wireless 
Communications, vol. 18, pp. 3987-4002, 2019. 
[50] J. Dai, J. Liu, J. Wang, J. Zhao, C. Cheng and J.-Y. Wang, "Achievable Rates 
for Full-duplex Massive MIMO Systems with Low-Resolution 
ADCs/DACs," IEEE Access, vol. PP, pp. 1-1, 2 2019. 
[51] S. Gao, P. Dong, Z. Pan and G. Y. Li, "Deep Learning based Channel 
Estimation for Massive MIMO with Mixed-Resolution ADCs," CoRR, vol. 
abs/1908.06245, 2019. 
[52] L. V. Nguyen, D. T. Ngo, N. H. Tran, A. L. Swindlehurst and D. H. N. 
Nguyen, Supervised and Semi-Supervised Learning for MIMO Blind 
Detection with Low-Resolution ADCs, 2019. 
124 
[53] L. Xu, X. Lu, S. Jin, F. Gao and Y. Zhu, "On the Uplink Achievable Rate of 
Massive MIMO System with Low-Resolution ADC and RF Impairments," 
IEEE Communications Letters, vol. 23, pp. 502-505, 2019. 
[54] F. Mousavi and A. Tadaion, "A Simple Two-stage detector for Massive 
MIMO Systems with one-bit ADCs," in 2019 27th Iranian Conference on 
Electrical Engineering (ICEE), 2019. 
[55] A. Mezghani, M.-S. Khoufi and J. Nossek, "A Modified MMSE Receiver 
for Quantized MIMO Systems," 1 2007. 
[56] Q. Bai and J. Nossek, "Energy efficiency maximization for 5G multi-
antenna receivers," Trans. Emerg. Telecommun. Technol., vol. 26, pp. 3-14, 
2015. 
[57] D. Tse and P. Viswanath, Fundamentals of Wireless Communication, 
Cambridge University Press, 2005. 
[58] Y. Xiong, N. Wei and Z. Zhang, "A Low-Complexity Iterative GAMP-
Based Detection for Massive MIMO with Low-Resolution ADCs," in 2017 
IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 
2017. 
[59] H. Dang, T. V. Nguyen and H. T. Nguyen, "Improve Uplink Achievable 
Rate For Massive MIMO Systems with Low-Resolution ADCs," in 2020 
IEEE 8th International Conference on Communications and Electronics 
(ICCE’20), 2020. 
[60] H. T. Nguyen, T. A. Ramstad and I. Balasingham, "Wireless sensor 
communication system based on direct-sum source coder," IET Wireless 
Sens. Syst., vol. 1, pp. 96-104, 2011. 
[61] A. Gersho and R. M. Gray, Vector Quantization and Signal Compression, 
Springer US, 1991. 
125 
[62] P. Som, T. Datta, A. Chockalingam and B. S. Rajan, "Improved large-
MIMO detection based on damped belief propagation," in 2010 IEEE 
Information Theory Workshop on Information Theory (ITW 2010, Cairo), 
2010. 
[63] Y. Fang, P. Chen, L. Wang, F. C. M. Lau and K. .. Wong, "Performance 
analysis of protograph-based low-density parity-check codes with spatial 
diversity," IET Commun., vol. 6, pp. 2941-2948, 2012. 
[64] H. Li, B. Bai, X. Mu, J. Zhang and H. Xu, "Algebra-Assisted Construction 
of Quasi-Cyclic LDPC Codes for 5G New Radio," IEEE Access, vol. 6, pp. 
50229-50244, 2018. 
[65] T. L. Narasimhan, A. Chockalingam and B. S. Rajan, "Factor Graph Based 
Joint Detection/Decoding for LDPC Coded Large-MIMO Systems," in 2012 
IEEE 75th Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2012. 
[66] S. Abu-Surra, D. Divsalar and W. E. Ryan, "On the existence of typical 
minimum distance for protograph-based LDPC codes," in 2010 Information 
Theory and Applications Workshop (ITA), 2010. 
[67] B. M. Hochwald and S. Brink, "Achieving near-capacity on a multiple-
antenna channel," IEEE Trans. Commun., vol. 51, pp. 389-399, 2003. 
[68] M. Srinivasan and S. Kalyani, "Analysis of Massive MIMO With Low-
Resolution ADC in Nakagami- m Fading," IEEE Commun. Lett., vol. 23, pp. 
764-767, 2019. 
[69] T. J. Richardson, M. A. Shokrollahi and R. L. Urbanke, "Design of capacity-
approaching irregular low-density parity-check codes," IEEE Trans. Inf. 
Theory, vol. 47, pp. 619-637, 2001. 
126 
[70] T. Takahashi, S. Ibi and S. Sampei, "On Normalization of Matched Filter 
Belief in GaBP for Large MIMO Detection," in 2016 IEEE 84th Vehicular 
Technology Conference (VTC-Fall), 2016. 
[71] T. Abiko, W. Fukuda, T. Nishimura, T. Ohgane, Y. Ogawa, Y. Ohwatari and 
Y. Kishiyama, "An EXIT Chart Analysis for Belief-Propagation Based 
Detection in a Large-Scale MIMO System," in 2013 IEEE 77th Vehicular 
Technology Conference (VTC Spring), 2013. 
[72] S. Gounai and T. Ohtsuki, "Performance Analysis of LDPC Code with 
Spatial Diversity," in IEEE Vehicular Technology Conference, 2006. 
[73] S. Hong and N. Lee, "Soft-Output Detector for Uplink MU-MIMO Systems 
With One-Bit ADCs," IEEE Commun. Lett., vol. 22, pp. 930-933, 2018. 
[74] T. Koike-Akino, D. S. Millar, K. Kojima, K. Parsons, Y. Miyata, K. 
Sugihara and W. Matsumoto, "Iteration-Aware LDPC Code Design for 
Low-Power Optical Communications," Journal of Lightwave Technology, 
vol. 34, pp. 573-581, 2016. 
[75] X.-Y. Hu, E. Eleftheriou and D. M. Arnold, "Regular and irregular 
progressive edge-growth tanner graphs," IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 51, 
pp. 386-398, 2005. 
[76] J. Hamkins, "Performance of low-density parity-check coded modulation," 
in 2010 IEEE Aerospace Conference, 2010. 
127 
PHỤ LỤC 
HÀM PHÂN BỐ MẬT ĐỘ XÁC SUẤT CỦA L-value 
Ở ĐẦU RA CỦA BỘ TÁCH SÓNG 
Hình 4.13. Hàm phân bố mật độ xác suất của L-value ở đầu ra của bộ tách sóng: 
mã AR3AR, MIMO 10 × 10, 10 lần lặp, tỷ lệ mã 𝑅 = 1/2, chiều dài khối 9600 bit. 
128 
Hình 4.14. Hàm phân bố mật độ xác suất của L-value ở đầu ra của bộ tách sóng: 
mã AR3AR, MIMO 20 × 20, 10 lần lặp, tốc độ mã 𝑅 = 1/2, độ dài khối 9600 bit. 
129 
Hình 4.15. Hàm phân bố mật độ xác suất của L-value ở đầu ra của bộ tách sóng: 
mã AR3AR, MIMO 30 × 30, 10 lần lặp, tỷ lệ mã 𝑅 = 1/2, độ dài khối 9600 bit.
Hình 4.16. Hàm phân bố mật độ xác suất của L-value ở đầu ra của bộ tách sóng: 
mã AR3AR, MIMO 100 × 100, 10 lần lặp, tỷ lệ mã 𝑅 = 1/2, độ dài khối 9600 bit.