NGHIÊN cứu GIẢI PHÁP THIẾT kế VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO hệ THỐNG THÔNG TIN HAP

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

NGUYỄN THỊ THU HIÊN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ
HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN
HAP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI – 2019


BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

NGUYỄN THỊ THU HIÊN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ ĐÁNH GIÁ
HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN
HAP

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 9.52.02.08

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. LÊ NHẬT THĂNG
2. PGS.TS. NGUYỄN THÚY ANH

HÀ NỘI – 2019


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả được
viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý của đồng tác giả trước khi đưa
vào luận án. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố
trong các công trình nào khác.

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thu Hiên


ii

LỜI CẢM ƠN

Thực hiện luận án tiến sĩ là một thử thách lớn, đòi hỏi sự kiên trì và tập trung
cao độ. Tôi thực sự hạnh phúc với kết quả đạt được trong đề tài nghiên cứu của mình.
Những kết quả đạt được không chỉ là nỗ lực cá nhân, mà còn có sự hỗ trợ và giúp đỡ
của các thầy hướng dẫn, nhà trường, bộ môn, đồng nghiệp và gia đình. Tôi muốn bày
tỏ tình cảm của mình đến với họ.
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo - PGS.TS. Lê Nhật
Thăng và cô giáo - PGS.TS.Nguyễn Thúy Anh đã quan tâm hướng dẫn và giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình thực hiện và hoàn thành luận án.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Khoa Viễn thông 1, Khoa Đào tạo Sau Đại học và
Lãnh đạo Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã tạo điều kiện thuận lợi cho
tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án. Tôi xin cảm ơn tập thể Lãnh đạo, giảng
viên Khoa Viễn thông 1 – Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã cổ vũ động
viên tôi trong quá trình nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn vô hạn đối với cha mẹ và gia đình đã luôn bên cạnh
ủng hộ, giúp đỡ tôi. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất cả những
người bạn của tôi, những người luôn chia sẻ và cổ vũ tôi trong những lúc khó khăn.
Nghiên cứu sinh


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ........................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ............................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .................................................................................................. ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................x
CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ............................................................................................ xiii
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................2
CHƯƠNG 1 .........................................................................................................................10
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .....................................................................10
1.1. HẠ TẦNG TRÊN KHÔNG TẦM CAO ................................................................... 10
1.1.1. Giới thiệu chung ................................................................................................ 10
1.1.2. Các vấn đề về mô hình kênh HAP ..................................................................... 13
1.2. MÃ HÓA KÊNH ...................................................................................................... 15
1.3. CÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÃ KÊNH CHO HỆ THỐNG HAP 19
1.4. CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN, NHẬN XÉT VÀ HƯỚNG

NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN .................................................................................... 21
1.4.1. Các công trình nghiên cứu liên quan và nhận xét .............................................. 21
1.4.2. Hướng nghiên cứu của luận án .......................................................................... 23
1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ......................................................................................... 24
CHƯƠNG 2 .........................................................................................................................23
DUNG LƯỢNG KÊNH CỦA HỆ THỐNG HAP ...............................................................23
2.1. MÔ HÌNH KÊNH HAP ............................................................................................ 23
2.2. DUNG LƯỢNG KÊNH CỦA HỆ THỐNG HAP .................................................... 31
2.2.1. Dung lượng kênh không nhớ đầu vào rời rạc - đầu ra liên tục .......................... 32
2.2.2. Xác suất tới hạn ................................................................................................. 40


iv

2.2.3. Dung lượng tới hạn ............................................................................................ 42
2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .......................................................................................... 45
CHƯƠNG 3 .........................................................................................................................46
THIẾT KẾ MÃ KÊNH TIẾP CẬN DUNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG HAP..................46
3.1. BIỂU ĐỒ TRUYỀN ĐẠT THÔNG TIN NGOẠI LAI ............................................ 46
3.2. ĐỀ XUẤT SỬ DỤNG MÃ CHẬP KHÔNG ĐỀU TRONG HỆ THỐNG HAP ..... 49
3.2.1. Đặc tính truyền đạt của bộ giải mã vòng trong .................................................. 52
3.2.2. Đặc tính truyền đạt của bộ giải mã vòng ngoài ................................................. 53
3.3. THIẾT KẾ MÃ KÊNH TIẾP CẬN DUNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG HAP....... 56
3.3.1. Cơ chế mã hóa IrCC-URC-MOD ...................................................................... 57
3.3.2. Mã chập không đều ............................................................................................ 58
3.3.3. Thiết kế mã IrCC cho hệ thống HAP ................................................................. 61
3.3.4. Kết quả thiết kế mã IrCC ................................................................................... 68
3.4. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MÃ CHẬP KHÔNG ĐỀU .................................. 73
3.4.1. Kết quả 1: Hiệu năng của cơ chế mã hóa IrCC17(31,27)-URC-QPSK, tỷ lệ mã
hóa Rc=0,5.......................................................................................................... 73

3.4.2. Kết quả 2: Hiệu năng FER của cơ chế mã hóa IrCC17-URC-QPSK qua kênh HAP
pha-đinh Rice. .................................................................................................... 75
3.4.3. Kết quả 3: Hiệu năng FER của cơ chế mã hóa IrCC8-URC-QPSK qua kênh HAP
chuyển mạch hai trạng thái. ............................................................................... 77
3.5. KẾT LUẬN CHƯƠatalin, Sari, and John P. Fonseka, On the channel capacity in Rician and Hoyt fading
environments with MRC diversity, IEEE Transactions on Vehicular Technology 55.1
(2006) 137–141.
[37] Khawaja, W., Guvenc, I., Matolak, D. W., Fiebig, U.-C., and Schneckenberger, N., A
survey of air-to-ground propagation channel modeling for unmanned aerial vehicles,
IEEE Communications Surveys & Tutorials (2019).
[38] Kwon, T.-J., and Draper, J., Floating-point division and square root implementation
using a Taylor-series expansion algorithm with reduced look-up tables, in 2008 51st
Midwest Symposium on Circuits and Systems, (IEEE, 2008), pp. 954–957.
[39] Lee, I., The effect of a precoder on serially concatenated coding systems with an ISI
channel, IEEE Transactions on Communications 49 (2001) 1168–1175.
[40] Lee, William C., Mobile communications engineering, (McGraw-Hill Professional,
1982).


115
[41] Lee, Y.-C., and Ye, H., Sky station stratospheric telecommunications system, a high
speed

low

latency switched

wireless

network, 17th

AIAA

International

Communications Satellite Systems Conference and Exhibit (1998) 1394.
[42] Lien, S.-Y., Chen, K.-C., and Lin, Y., Toward ubiquitous massive accesses in 3GPP
machine-to-machine communications, IEEE Communications Magazine 49 (2011)
66–74.
[43] Lin, Shu, and Daniel J. Costello., Error control coding, (Pearson Education India,
2001).
[44] Loo, C., A statistical model for a land mobile satellite link, IEEE Transactions on
Vehicular Technology 34 (1985) 122–127.
[45] Lutz, E., Cygan, D., Dippold, M., Dolainsky, F., and Papke, W., The land mobile
satellite communication channel-recording, statistics, and channel model, IEEE
Transactions on Vehicular Technology 40 (1991) 375–386.
[46] MacKay, D. J. C., and Neal, R. M., Near Shannon limit performance of low density
parity check codes, Electronics Letters 33 (1997) 457–458.
[47] Mohammed, A., Mehmood, A., Pavlidou, F.-N., and Mohorcic, M., The role of highaltitude platforms (HAPs) in the global wireless connectivity, Proceedings of the IEEE
99 (2011) 1939–1953.
[48] Mozaffari, M., Saad, W., Bennis, M., and Debbah, M., Drone small cells in the clouds:
Design, deployment and performance analysis, in 2015 IEEE Global Communications
Conference (GLOBECOM), (IEEE, 2015), pp. 1–6.
[49] Mozaffari, M., Saad, W., Bennis, M., and Debbah, M., Mobile Internet of Things: Can
UAVs provide an energy-efficient mobile architecture?, in 2016 IEEE Global
Communications Conference (GLOBECOM), (IEEE, 2016), pp. 1–6.
[50] Mozaffari, M., Saad, W., Bennis, M., and Debbah, M., Unmanned aerial vehicle with
underlaid device-to-device communications: Performance and tradeoffs, IEEE
Transactions on Wireless Communications 15 (2016) 3949–3963.

116
[51] Mozaffari, M., Saad, W., Bennis, M., and Debbah, M., Efficient deployment of
multiple unmanned aerial vehicles for optimal wireless coverage, IEEE
Communications Letters 20 (2016) 1647–1650.
[52] Nauman, A., and Maqsood, M., System design and performance evaluation of high
altitude platform: Link budget and power budget, in 2017 19th International
Conference on Advanced Communication Technology (ICACT), 2017), pp. 138–142.
[53] Ng, S. X., and Hanzo, L., On the MIMO channel capacity of multidimensional signal
sets, IEEE Transactions on Vehicular Technology 55 (2006) 528–536.
[54] Nguyen, H. V., Xu, C., Ng, S. X., and Hanzo, L., Near-capacity wireless system design
principles, IEEE Communications Surveys & Tutorials 17 (2015) 1806–1833.
[55] d’Oliveira, F. A., Melo, F. C. L. de, and Devezas, T. C., High-altitude platforms—
Present situation and technology trends, Journal of Aerospace Technology and
Management 8 (2016) 249–262.
[56] Patzold, Matthias., Mobile fading channels: Modelling, analysis and simulation.,
(John Wiley & Sons, Inc., 2001).
[57] Pietrobon, S. S., and Barbulescu, A. S., A Simplification of the Modified Bahl
Decoding Algorithm for Systematic Convolutional Codes, ISITA’94: International
Symposium on Information Theory & Its Applications 1994; Proceedings. (1994).
[58] Rao, K. Deergha, Channel coding techiques for wireless communication, (Springer
India, 2015).
[59] Robertson, P., Villebrun, E., and Hoeher, P., A comparison of optimal and sub-optimal
MAP decoding algorithms operating in the log domain, in Proceedings IEEE
International Conference on Communications ICC ’95, 1995), pp. 1009–1013 vol.2.
[60] Rouzbehani, Behnam, and Arash Dana., Statistical modelling of small-scale fading
effects for high-altitude platform propagation channels., Journal of the Chinese
Institute of Engineers 37.4 (2014) 540–546.
[61] Schreckenbach, F., and Bauch, G., Bit-interleaved coded irregular modulation,
European Transactions on Telecommunications 17 (2006) 269–282.

117
[62] Shannon, Claude Elwood, A mathematical theory of communication, Bell System
Technical Journal 27.3 (1948) 379–423.
[63] Shimamoto, S., Channel characterization and performance evaluation of mobile
communication employing stratospheric platforms, IEICE Transactions on
Communications 89 (2006) 937–944.
[64] Simon, M. K., and Alouini, M.-S., A unified approach to the performance analysis of
digital communication over generalized fading channels, Proceedings of the IEEE 86
(1998) 1860–1877.
[65] Simonite, Tom., Meet Facebook’s Stratospheric Internet Drone, MIT Technology
Review. Retrieved June 8 (2016).
[66] Studer, C., Benkeser, C., Belfanti, S., and Huang, Q., Design and implementation of a
parallel turbo-decoder ASIC for 3GPP-LTE, IEEE Journal of Solid-State Circuits 46
(2010) 8–17.
[67] Sudheesh, P. G., Mozaffari, M., Magarini, M., Saad, W., and Muthuchidambaranathan,
P., Sum-rate analysis for high altitude platform (HAP) drones with tethered balloon
relay, IEEE Communications Letters 22 (2017) 1240–1243.
[68] Tang, C., Liu, H., and Pan, G., Performance analysis of log-normal and Rayleighlognormal fading channels, in 12th International Conference on Signal Processing
(ICSP), (IEEE, 2014), pp. 1557–1560.
[69] Ten Brink, S., Designing iterative decoding schemes with the extrinsic information
transfer chart, AEU Int. J. Electron. Commun 54.6 (2000) 389–398.
[70] Ten Brink, S., Kramer, G., and Ashikhmin, A., Design of low-density parity-check
codes for modulation and detection, IEEE Transactions on Communications 52 (2004)
670–678.
[71] Tuchler, M., Design of serially concatenated systems depending on the block length,
IEEE Transactions on Communications 52 (2004) 209–218.
[72] Tüchler, M., and Hagenauer, J., EXIT charts of irregular codes, (2002).

118
[73] Ulloa-Vasquez, F., and Delgado-Penin, J. A., Performance simulation in high altitude
platforms (HAPs) communications systems, Data Systems in Aerospace 509 (2002).
[74] Ungerboeck, G., Channel coding with multilevel/phase signals, IEEE Transactions on
Information Theory 28 (1982) 55–67.
[75] Union, I. T., ITU-T G. 1010: End-User Multimedia Qos Categories, G SERIES:
Transmission Systems and Media, Digital System and Networks-Multimedia Quality
of Service and Performance Generic and User-Related Aspects, (2001).
[76] Viterbi, A. J., An intuitive justification and a simplified implementation of the MAP
decoder for convolutional codes, IEEE Journal on Selected Areas in Communications
16 (1998) 260–264.
[77] Wicker, Stephen B., and Saejoon Kim., Fundamentals of Codes, Graphs, and Iterative
Decoding, (Springer Science & Business Media, 2006).
[78] Zajić, A., Mobile-to-mobile wireless channels, (Artech House, 2012).
[79] Zeng, Y., Zhang, R., and Lim, T. J., Wireless communications with unmanned aerial
vehicles: Opportunities and challenges, IEEE Communications Magazine 54 (2016)
36–42.
[80] Zheng, J., Ji, K., and Zhu, Y., High Altitude Platform-Based communication system
Under LDPC coding in DVB-S2 standard., Applied Mechanics & Materials (2014).