Ước lượng kênh dựa trên phân tích trị riêng cho hệ thống mimo kích thước lớn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THANH TÙNG

ƢỚC LƢỢNG KÊNH DỰA TRÊN PHÂN TÍCH TRỊ RIÊNG
CHO HỆ THỐNG MIMO KÍCH THƢỚC LỚN

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN
THÔNG

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYỄN THANH TÙNG

ƢỚC LƢỢNG KÊNH DỰA TRÊN PHÂN TÍCH TRỊ RIÊNG
CHO HỆ THỐNG MIMO KÍCH THƢỚC LỚN
Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử — Truyền thông
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60 52 02 03
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRỊNH ANH VŨ

Hà Nội - 2015

1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan các kết quả nghiên cứu đƣa ra trong luận án này dựa trên các
kết quả thu đƣợc trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ
kết quả nghiên cứu nào của các tác giả khác. Nội dung của luận án có tham khảo
và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp ch , bài báo khoa học
đƣợc liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo.
Hà Nội, ngày

tháng 12 năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Tùng


2
Mục lục
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... 1
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................................. 3
Tiếng Anh ...................................................................................................................... 3
Tiếng Việt ...................................................................................................................... 3
DANH MỤC C C H NH V ....................................................................................... 6
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 7
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN HỆ THỐNG MASSIVE MIMO CHO THÔNG
TIN DI ĐỘNG 5G......................................................................................................... 8
1.1. Đặc điểm hệ thống và nhƣng ƣu điểm nổi trội .................................................. 8
1.1.1 Khái niệm và đặc điểm hệ thống Massive MIMO [1] ................................. 8
1.1.2. Tiềm năng của Massive MIMO ................................................................ 11
1.2. Các yếu tố hạn chế của hệ thống Massive MIMO ........................................... 15

1.2.1 Kênh thuận nghịch. .................................................................................... 15
1.2.2. Ô nhiễm pilot............................................................................................. 15
1.3. Các vấn đề tiếp tục nghiên cứu. ....................................................................... 17
1.4. Kết luận chƣơng ............................................................................................... 19
CHƢƠNG II. Ô NHIỄM PILOT VÀ ƢỚC LƢỢNG KÊNH DỰA TRÊN PHÂN
TÍCH TRỊ RIÊNG. ...................................................................................................... 20
2.1. Mô hình hệ thống ............................................................................................. 20
2.2. Vấn đề ô nhiễm trong Massive MIMO ............................................................ 22
2.3. Giới thiệu phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh theo phân t ch trị riêng. .................. 23
2.4 Mô hình xử lý .................................................................................................... 23
2.5. Điều kiện ở hệ Massive MIMO ....................................................................... 24
2.6. Xác định nhân tử bất định. ............................................................................... 25
2.7. Thuật toán ......................................................................................................... 26
2.8. Kết hợp phƣơng pháp EVD và thuật toán ILSP (tối thiểu bình phƣơng lặp
kết hợp).................................................................................................................... 27
2.9. Một số kết quả mô phỏng [3] ........................................................................... 28
2.10. Kết luận chƣơng ............................................................................................. 29
CHƢƠNG III. MÔ PHỎNG THEO HIỆU QUẢ LỖI ............................................... 31
3.1. Sơ đồ mô phỏng ............................................................................................... 31
3.2. Chƣơng trình Matlab: ....................................................................................... 33
3.3. Kết quả mô phỏng ............................................................................................ 34
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 37
Tài liệu tham khảo ....................................................................................................... 38


3
DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AWGN

Additive white Gaussian

Tạp âm trắng chuẩn cộng t nh

noise
BER

Bit error rate

Tỉ số giữa bit lỗi trên số bit phát

BPSK

Binary phase shift keying

đi
Điều chế pha nhị phân

BS

Base station

Trạm cơ sở

CDF

Cumulative density function Hàm mật độ t nh lũy

CSI

Channel state information

Thông tin trạng thái kênh

EVD

Eigenvalue decomposition

Phân t ch giá trị riêng

FDD

Frequency
position division duplex

Song công phân chia theo tần số

FDMA

Frequency division multiple Đa truy cập theo tần số
access

IID

Independent and identically Độc lập và có cùng phân bố

distributed

ILSP

Iterative least-square with
projection

Phép lặp kết hợp bình phƣơng tối

LMS

Least mean square

Trung bình bình phƣơng nhỏ nhất

LS

Least square

Bình phƣơng nhỏ nhất

LTE

Long Term Evolution

Tiến hóa dài hạn

MF

Matched Filter

Bộ lọc phù hợp

MIMO

Multiple input multiple

Nhiều đầu vào và nhiều đâu ra

thiểu

output
MMSE

Minimum mean square error Trung bình bình phƣơng lỗi tối
thiểu


4
MRC

Maximum ratio combining

Tỷ lệ kết hợp tối đa

MRT

Maximum ratio

Phát tỷ số cực đại

transmission
MS

Mobile station

Trạm di động

MSE

Mean square error

Trung bình bình phƣơng lỗi

MU-MIMO Multi-user MIMO

Đa ngƣời dùng MIMO

NLOS

Non line-of-sight

Tầm nhìn không thẳng

NOP

Near optimal

Gần tối ƣu

OFDM

Orthogonal Frequency

Đa truy cập phân tần trực giao

division multiple
PCS

Personal communications

Dịch vụ thông tin liên lạc cá nhân

service
PSK
QAM

Phase shift keying

Điều chế khóa dịch pha

Quadrature amplitude

Điều chế biên độ vuông góc

modulation
QPSK

Quadature phase shift

Điều chế pha trực giao

keying
RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

Rx

Receiver

Máy thu sóng

SIR

Signal to interference ratio

Tỉ số t n hiệu trên nhiễu

SEP

Symbol error probability

Xác suất lỗi ký hiệu

SNR

Signal to noise radio

Tỉ số cƣờng độ t n hiệu so với

TDD

Time division duplex

nhiễu
Song công phân chia theo thời
gian


5
TDMA

Time division multiple

Đa truy cập theo thời gian

access
Tx

Tranmitter

Máy phát sóng

ZF

Zero – Forcing

Cƣỡng bức về không


6
DANH MỤC C C H NH V
H NH

NỘI DUNG

Hình 1.1

Mô hình hệ thống có 3 anten phục vụ và 2 ngƣời dùng di động

Hình 1.2

Cấu hình ăng-ten và triển khai cho các trạm cơ sở MIMO lớn.

Hình 1.3

Hiệu quả quang phổ đƣờng lên

Hình 1.4

Mô hình diễn tả ô nhiễm pilot

Hình 1.5

Mức tổng đƣờng xuống đƣợc khi sử dụng mã trƣớc MRT giữa
thiết bị đầu cuối và anten trạm cơ sở

Hình 2.1

Mô hình hệ thống Massive MU-MIMO

Hình 2.2

Qui trình xử lý t n hiệu

Hình 2.3
Hình 2.4

Biểu diễn SEP theo a theo phƣơng pháp EVD và phƣơng pháp ƣớc
lƣợng kênh cổ điển với M và N khác nhau
Biểu diễn SEP của phƣơng pháp EVD với pu=20dB và a=1 với N
khác nhau và với việc dùng và không dùng ILSP

Hình 3.1

Sơ đồ mô hình mô phỏng

Hình 3.2

Mô phỏng hệ thống 3x30

Hình 3.3

Mô phỏng hệ thống 3x50

Hình 3.4

Mô phỏng hệ thống 3x70


7
MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, sự phát triển bùng nổ của các thiết bị di động cùng
với những nhu cầu về dịch vụ ngày càng đa dạng của con ngƣời, đã tạo nên
những động lực để thúc đẩy sự phát triển một cách mạnh mẽ của lĩnh vực thông
tin di động. Các nhu cầu về liên lạc, công việc cũng nhƣ giải tr của con ngƣời
ngày càng đỏi hỏi một cách khắt khe hơn về chất lƣợng, ổn định và linh hoạt để
nâng cao một cách tối đa các trải nghiệm của ngƣời dùng.
Do tài nguyên vô tuyến dùng cho thông tin di động là hữu hạn và đắt đỏ, trong
khi nhu cầu sử dụng ngày càng cao, đã đặt ra nhiều thách thức cho các nhà cung
cấp dịch vụ cũng nhƣ các nhà nghiên cứu. Một trong những giải pháp để nâng
cao hiệu quả sử dụng tài nguyên vô tuyến là công nghệ truyền thông vô tuyến sử
dụng đa ăng ten, hay còn gọi là công nghệ truyền thông đa đầu vào và đa đầu ra
(Multiple-Input Multiple-Output hay MIMO).
Nếu nhƣ ở các thế hệ di động từ 1G đến 3G các tài nguyên trên miền thời gian
và tần số đã đƣợc khai thác sử dụng khá triệt để thì các thế hệ phát triển tiếp
theo 4G và 5G miền không gian đang đƣợc nghiên cứu phát triển cũng nhằm
khai thác tối đa hiệu quả sử dụng của nó thông qua kỹ thuật MIMO (Multiple
input- Multiple output)
Luận văn sẽ trình bày những nguyên tắc cơ bản của hệ thống Massive MIMO
(còn gọi là MIMO tập lớn, đƣợc nhắm đến cho thế hệ truyền tin di động 5G)
cùng những triển vọng và lợi ch to lớn của nó. Phần xem xét tập trung hơn là hệ
thống Massive MIMO có sử dụng phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh dựa trên phân
t ch trị riêng nhằm cải thiện hiệu quả lỗi cùng phần minh chứng bằng 1 số kịch
bản mô phỏng.

8

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN HỆ THỐNG MASSIVE MIMO CHO THÔNG
TIN DI ĐỘNG 5G.
1.1. Đặc điểm hệ thống và nhƣng ƣu điểm nổi trội
1.1.1 Khái niệm và đặc điểm hệ thống Massive MIMO [1]
Massive MIMO (còn đƣợc gọi là MIMO tập hợp lớn) là bƣớc đột phá hiện nay
khi sử dụng một lượng lớn anten phục vụ tại trạm cơ sở với số thiết bị đầu cuối
kết hợp với kỹ thuật song công theo thời gian. Những anten bổ sung dƣ ở trạm
cơ sở giúp tập trung năng lƣợng vào vùng nhỏ hơn của không gian, mang lại
những cải tiến rất lớn về dung lƣợng và tiết kiệm năng lƣợng bức xạ.
Để có sự hình dung đơn giản về hệ thống này ta đƣa ra 1 v dụ nhƣ sau:
Trạm cơ sở có M=3 anten phục vụ, K=2 ngƣời dùng di động (Hình 1.1) và giả
sử trạm cơ sở biết đƣợc ma trận kênh H : trong đó các hàng của ma trận là kênh
giữa anten các anten phục vụ với từng máy di động.

Hình 1.1. Mô hình hệ thống có 3 anten phục vụ và 2 người dùng di động
Ma trận kênh:

h1a h2a h3a 
H 

 h1b h2b h3b 

H=(KxM)

(1.1)

Từ ma trận kênh, trạm cơ sở t nh ma trận nghịch đảo là ma trận G sao cho:

 g11 g12 
h1a h2a h3a  
1 0
HG  
g 21 g 22  



 h1b h2b h3b   g 31 g 32 0 1



(1.2)


9
Ở đây G đóng vai trò nhƣ ma trận giả nghịch đảo của H (G=H-1) rồi thực hiện
mã trước 2 dòng dữ liệu nhắm đến 2 máy di động (tức là nhân với G=H-1) sau đó
mới phát ra 3 anten T1, T2, T3
 g11 g12 
 c11 c12 c13
da
1
da
2
da
3
..



H 1 D   g 21 g 22 
 C  c 21 c 22 c 23

db1 db2 db3 ..
 g 31 g 32  
 c31 c32 c33

..  T1
..  T 2
..  T 3

(1.3)

Sau khi đi qua kênh xuôi t n hiệu này lại đƣợc nhân với ma trận kênh H, nên
cuối cùng các ngƣời dùng sẽ nhận đƣợc dữ liệu của mình:
 c11 c12 c13
 h1a h2a h3a  
HC  H .H .D  
 c 21 c 22 c 23
 h1b h2b h3b  
 c31 c32 c33
1

..
da1 da 2 da3 ..  A
..  D  

 db1 db2 db3 ..  B
..

(1.4)
Điểm then chốt trong hệ thống trên khi phát triển là số anten ở trạm cơ sở M sẽ
lớn hơn rất nhiều số ngƣời dùng di động (M>>K). Điều này sẽ dẫn đến:
- Ma trận kênh phải đƣợc xác định từ các pilot phát từ các máy di động trên
kênh ngược. Vì các pilot là các t n hiệu trực giao đôi 1 nên nếu để phát từ
M anten trạm cơ sở sẽ dùng hết thời gian trong thời gian kết hợp kênh.
- Ma trận kênh xác định từ các pilot trên kênh ngƣợc đƣợc sử dụng luôn
trong chiều kênh xuôi thì tức là kênh có t nh thuận nghịch, điều này chỉ có
thể khi thực hiện liên lạc song công trong miền thời gian (TDD).
Đặc điểm M>>K đƣợc thể hiện ngay cả khi ma trận kênh ƣớc lƣợng từ pilot
̂ ≠H (do có tạp âm nhiệt tham gia vào t n hiệu). Điều này dựa trên giới hạn:

ˆ ˆHI
lim (1/ M).HH
K

M /K 

(1.5)

Do t nh chất của các vecto ngẫu nhiên độc lập dài, dẫn đến dung lƣợng dự kiến
trong massive MIMO phụ thuộc vào việc cung cấp các đƣờng truyền tiệm cận
trực giao giữa các thiết bị đầu cuối (1.5). Các th nghiệm kiểm chứng điều này
cho đến nay đã không phát hiện bất kỳ hạn chế nào trong t nh chất này.
Bên cạnh việc Massive MIMO đem lại nhiều hiệu ứng không giống với truyền
thống, kỹ thuật này còn phát hiện ra những vấn đề hoàn toàn mới rất cần chú ý


10
nhƣ: Nhiều thành phần có độ ch nh xác thấp giá rẻ có thể phối hợp làm việc hiệu

quả với nhau; Cách thu nạp và đồng bộ một thiết bị đầu cuối mới tham gia; Khai
thác bậc tự do bổ sung đƣợc cung cấp bởi sự dƣ thừa anten phục vụ; Giảm năng
lƣợng tiêu thụ nội tại để đạt đƣợc đạt hiệu quả năng lƣợng tổng cộng, và cách
tìm kiếm các kịch bản triển khai kỹ thuật mới này trong điều kiện hiện nay.
Với Massive MIMO, ta coi rằng hệ thống sử dụng mảng anten với vài trăm
anten phục vụ đồng thời vài chục thiết bị đầu cuối trong cùng tài nguyên thời
gian-tần số. Nhìn chung, Massive MIMO tạo khả năng phát triển mạng băng
thông rộng tƣơng lai (cố định và di động), với hiệu quả về năng lƣợng, về phổ,
an toàn và mạnh mẽ.
T nh mềm dẻo trong Massive MIMO còn thể hiện trong nhiều cấu hình và kịch
bản cho phép triển khai mảng anten (hình 1.2). Mỗi đơn vị anten nhỏ và t ch
cực, nuôi qua một đƣờng dẫn quang kỹ thuật số hoặc điện.

Hình 1.2. Một số cấu hình và kịch bản triển khai cho các anten trạm cơ sở của
Massive MIMO.[1]


11
1.1.2. Tiềm năng của Massive MIMO
Công nghệ Massive MIMO dựa trên sự đồng pha và t nh toán xử lý rất đơn giản
các t n hiệu từ tất cả các anten ở trạm cơ sở. Một số lợi ch cụ thể của hệ thống
Massive MU-MIMO là:
 Massive MIMO có thể tăng dung lượng (tốc độ) gấp 10 lần hoặc nhiều
hơn và đồng thời nâng cao hiệu quả bức xạ năng lượng cỡ 100 lần.
Sự tăng dung lƣợng do kết quả ghép kênh không gian sử dụng trong Massive
MIMO. Còn sự tăng đáng kể hiệu suất năng lƣợng là do với một số lượng lớn
anten trong mảng, năng lƣợng có thể đƣợc tập trung với độ nét rất cao vào các
khu vực nhỏ trong không gian. T nh chất vật lý cơ bản ở đây là sự chồng chất
đồng pha các mặt sóng. Bằng cách tạo dạng th ch hợp, các t n hiệu đƣợc gửi ra
bởi các anten trạm cơ sở, có thể đảm bảo chắc chắn các sóng cộng nhau tại điểm

thiết bị đầu cuối đã dự định trƣớc đó, còn triệt tiêu nhau ở mọi nơi khác.

Hình 1.3. Hiệu quả quang phổ đường lên được nâng cao lên 10 lần và đồng thời
tăng hiệu quả năng lượng bức xạ gấp 100 lần với công nghệ Massive MIMO, sử
dụng xử lý tín hiệu cực kỳ đơn giản, có tính đến năng lượng và băng thông chi
phí cho thu thập thông tin trạng thái kênh.[1]


12
Hình 1.3 mô tả sự trả giá (tradeoff) cơ bản giữa hiệu quả năng lƣợng: t nh bằng
số bit (tốc độ tổng) đƣợc truyền trên Jun trên thiết bị đầu cuối, và hiệu quả phổ:
t nh bằng số bit (tốc độ tổng) đƣợc truyền trên một đơn vị phổ vô tuyến. Sự trả
giá thể hiện cho ba trƣờng hợp:
- Hệ thống tham chiếu có một anten duy nhất phục vụ một thiết bị đầu cuối
duy nhất (màu t m);
- Hệ thống với 100 anten phục vụ một thiết bị đầu cuối duy nhất sử dụng
búp cổ điển (màu xanh);
- Hệ thống massive MIMO với 100 anten phục vụ đồng thời nhiều thiết bị
đầu cuối (đỏ, sử dụng kết hợp tỷ lệ tối đa MRC, và màu xanh, sử dụng
cƣỡng bức về không ZF).
Ƣu thế của kết hợp tỷ lệ tối đa (MRC) so với cƣỡng bức về không (ZF), không
chỉ là t nh toán đơn giản tức là nhân các t n hiệu nhận đƣợc những đáp ứng kênh
liên hợp, mà còn là nó có thể thực hiện theo kiểu phân tán, độc lập ở mỗi đơn
vị anten. Trong khi ZF cũng hoạt động khá tốt cho một hệ thống MIMO thông
thƣờng hoặc có quy mô vừa, còn MRC nhìn chung là không đƣợc. Lý do mà
MRC hoạt động rất tốt cho Massive MIMO là những đáp ứng kênh kết hợp với
thiết bị đầu cuối khác nhau có xu hƣớng gần nhƣ trực giao nhau khi các anten
trạm cơ sở có số lƣợng lớn.
Ở hệ thống Massive MIMO, khi sử dụng MRC và hoạt động ở chế độ "xanh"
(tức là, giảm năng lƣợng càng nhiều càng tốt mà không ảnh hƣởng nghiêm trọng

đến hiệu quả phổ tổng cộng), nhiễu đa ngƣời dùng và hiệu ứng từ sự không hoàn
hảo phần cứng có xu hƣớng bị lấn át bởi ồn nhiệt. Lý do mà hiệu quả phổ tổng
thể vẫn có thể cao hơn trong MIMO thông thƣờng 10 lần là vài chục thiết bị đầu
cuối đƣợc phục vụ cùng một lúc với cùng tài nguyên thời gian-tần số.
 Massive MIMO có thể được xây dựng với các thành phần giá rẻ, năng
lượng thấp.


13
Massive MIMO là một công nghệ làm thay đổi cuộc chơi liên quan cả đến lý
thuyết, hệ thống và thực thi. Với Massive MIMO, các bộ khuếch đại siêu tuyến
t nh đắt tiền 50W sử dụng trong các hệ thống thông thƣờng đƣợc thay thế bởi
hàng trăm bộ khuếch đại với công suất khoảng milli-watt. Điều này tƣơng phản
với thiết kế mảng cổ điển, sử dụng vài anten nuôi từ các bộ khuếch đại công suất
cao là có ý nghĩa. Một số thiết bị đắt tiền và cồng kềnh, chẳng hạn nhƣ các loại
cáp đồng trục lớn, có thể đƣợc loại bỏ hoàn toàn. (Các loại cáp đồng trục điển
hình đƣợc sử dụng cho các trạm cơ sở gắn trên tháp hiện nay có đƣờng k nh hơn
4 cm).
Massive MIMO lớn làm giảm sự ràng buộc về độ ch nh xác và tuyến t nh trên
mỗi bộ khuếch đại riêng lẻ và chuỗi tần số vô tuyến RF. Tất cả vấn đề là cách
kết hợp chúng. Theo một cách hiểu, Massive MIMO dựa vào luật số lớn để đảm
bảo rằng tiếng ồn, pha-đinh, và sự không hoàn hảo phần cứng đƣợc trung bình
hóa khi t n hiệu từ một số lƣợng lớn các anten đƣợc kết hợp trong không gian.
T nh chất này cũng làm cho Massive MIMO mềm dẻo chống pha-đinh và cũng
làm cho công nghệ vô cùng chắc chắn dù có lỗi ở một hoặc một vài anten.
Hệ thống Massive MIMO có lƣợng lớn các bậc tự do. V dụ, với 200 anten phục
vụ 20 thiết bị đầu cuối, 180 bậc tự do không sử dụng. Những bậc tự do có thể
đƣợc sử dụng cho tạo dạng t n hiệu thân thiện phần cứng. Đặc biệt, mỗi anten có
thể phát t n hiệu với tỷ số đỉnh/trung bình rất nhỏ, hoặc thậm ch đƣờng bao
không đổi tại một trả giá khiêm tốn về tăng tổng công suất bức xạ. Nhƣ vậy báo

hiệu với (gần nhƣ không đổi) đƣờng bao tạo điều kiện cho việc sử dụng các bộ
khuếch đại tần số vô tuyến (RF) cực kỳ rẻ và hiệu quả năng lƣợng tốt. Các kỹ
thuật này không được nhầm lẫn với các kỹ thuật tạo chùm sóng cổ điển hoặc các
kỹ thuật tạo chùm với trọng số bằng độ lớn.
Với bộ mã trƣớc đa ngƣời dùng đường bao gần không đổi, không có chùm tia
nào đƣợc tạo ra, và các t n hiệu phát ra từ mỗi anten không đƣợc trọng số ký
hiệu. Thay vào đó, một trường sóng được tạo ra, khi trƣờng sóng này đƣợc lấy


14
mẫu tại các điểm nơi mà các thiết bị đầu cuối đƣợc đặt, các thiết bị đầu cuối
nhìn thấy ch nh xác các t n hiệu mà ta muốn chúng nhìn thấy.
Hiệu quả năng lƣợng đƣợc cải thiện đáng kể cho phép các hệ thống Massive
MIMO để có thể hoạt động với công suất tần số vô tuyến (RF) tổng cộng nhỏ
hơn 2 bậc so với công nghệ hiện nay. Điều này quan trọng, bởi vì mức tiêu thụ
năng lƣợng của các trạm gốc di động ngày càng tăng trên toàn thế giới. Ngoài
ra, các trạm gốc có thể tiêu thụ năng lƣợng nhiều bậc t hơn có thể đƣợc hỗ trợ
bởi năng lƣợng gió hoặc năng lƣợng mặt trời, và do đó dễ dàng triển khai rộng
khắp những nơi không có điện lƣới có sẵn. Lợi ch thêm là, khi tổng công suất
phát ra giảm đáng kể, sẽ tạo giao thoa t đi. Điều này là quan trọng do lo ngại gia
tăng tiếp xúc với điện từ.
 Massive MIMO cho phép giảm trễ đáng kể
Hiệu quả của hệ thống truyền thông không dây thƣờng đƣợc giới hạn bởi phađinh. Pha-đinh có thể khiến cƣờng độ t n hiệu thu đƣợc rất nhỏ vào những thời
điểm nhất định. Điều này xảy ra khi các t n hiệu đƣợc gửi từ một trạm cơ sở đi
qua nhiều con đƣờng trƣớc khi nó đến đƣợc thiết bị đầu cuối, và những sóng do
đa đƣờng giao thoa triệt tiêu nhau. Pha-dinh này gây khó khăn khi xây dựng liên
lạc không dây có độ trễ thấp. Nếu thiết bị đầu cuối bị mắc kẹt trong một phađinh sâu, nó phải đợi cho đến khi kênh lan truyền đã thay đổi đủ cho dữ liệu có
thể nhận đƣợc. Massive MIMO dựa trên luật số lớn và tạo chùm sóng để tránh
đƣợc pha-đinh sâu, do đó pha-đinh không gây nên hạn chế trễ.
 Massive MIMO làm đơn giản hoá lớp truy cập.

Do luật số lớn, các kênh cứng lại nên không còn trả giá cho lập lịch miền tần số.
Với OFDM, mỗi sóng mang con trong hệ thống Massive MIMO sẽ có hệ số
kênh giống nhau đáng kể. Mỗi thiết bị đầu cuối có thể đƣợc phân toàn bộ băng
thông, để chúng làm cho lớp điều khiển lớp vật lý dƣ thừa.
 Massive MIMO làm tăng sự vững mạnh chống lại cả can thiệp nhân tạo
vô ý và gây nhiễu có chủ ý.


15
Cố ý gây nhiễu trên hệ thống không dây dân sự là một mối quan tâm ngày càng
tăng và là mối đe dọa an ninh mạng nghiêm trọng mà dƣờng nhƣ là t đƣợc biết
đến với công chúng. Thiết bị làm nhiễu đơn giản có thể đƣợc mua trên thị
trƣờng với vài trăm đô la, và thiết bị đƣợc sử dụng ở cấp độ quân sự có thể đƣợc
đặt trên cùng nền tảng phần mềm có sẵn có giá vài ngàn đô la.
Do sự khan hiếm của băng thông, truyền tin trải trên tần số là không tốt, nên
cách duy nhất để cải thiện mạnh mẽ của truyền thông không dây là sử dụng
nhiều anten. Massive MIMO cung cấp nhiều bậc tự do dƣ thừa do đó có thể
đƣợc sử dụng để khử các t n hiệu từ các thiết bị làm nhiễu cố ý.
1.2. Các yếu tố hạn chế của hệ thống Massive MIMO
1.2.1 Kênh thuận nghịch.
Song công phân chia theo thời gian hoạt động dựa vào kênh thuận nghịch.
Dƣờng nhƣ có một sự đồng thuận hợp lý rằng các kênh lan truyền tự nó có bản
chất thuận nghịch, trừ khi sự lan truyền bị ảnh hƣởng bởi các vật liệu có t nh từ
trƣờng lạ. Tuy nhiên, chuỗi phần cứng trong trạm cơ sở và thiết bị đầu cuối có
thể không thuận nghịch giữa đường lên và đường xuống. Do đó cần đƣa ra các
tiêu chuẩn của chuỗi phần cứng và có những giải pháp dựa trên các tiêu chuẩn
đó phải đƣợc thử nghiệm trong thực tế.
1.2.2. Ô nhiễm pilot
Lý tƣởng nhất, mỗi thiết bị đầu cuối trong một hệ thống Massive MIMO đƣợc
gán một chuỗi pilot đƣờng lên trực giao. Tuy nhiên, số lƣợng tối đa của chuỗi

pilot trực giao có thể tồn tại bị giới hạn bởi khoảng cách tin cậy chia cho trải trễ
lan truyền. Hiệu ứng dùng lại các pilot gây nên hậu quả tiêu cực gọi là ô nhiễm
pilot. Cụ thể hơn, khi mảng phục vụ tƣơng quan t n hiệu pilot nhận đƣợc trong tế
bào với chuỗi pilot từ tế bào khác (Hình 1.4), nó thực sự có ƣớc lƣợng kênh ô
nhiễm bởi một sự kết hợp tuyến t nh của các kênh với thiết bị đầu cuối khác
dùng pilot giống nhau. Chùm tia đƣờng xuống dựa trên ƣớc lƣợng kênh ô nhiễm
sẽ gây giao thoa trực tiếp vào đầu cuối chia sẻ chuỗi pilot giống nhau. Can nhiễu


16
tƣơng tự gắn với đƣờng lên của dữ liệu. Can nhiễu định hƣớng này tăng theo số
lƣợng anten phục vụ ở cùng mức t n hiệu mong muốn. Thậm ch các dãy pilot
tƣơng quan một phần cũng dẫn đến can nhiễu trực tiếp.

Hình 1.4. Mô hình diễn tả ô nhiễm pilot.[2]
Ô nhiễm Pilot là một hiện tƣợng cơ bản khó xác định với Massive MIMO,
nhƣng ảnh hƣởng của nó trên Massive MIMO dƣờng nhƣ là đặc biệt hơn trong
MIMO cổ điển. Nó đã đƣợc lập luận rằng ô nhiễm pilot tạo thành một giới hạn
căn bản về hiệu suất khi số anten đƣợc tăng lên không bị chặn, t nhất là với bộ
thu dựa vào ƣớc lƣợng kênh dùng pilot.
• Phân bổ pilot có thể được tối ưu hóa.
Một cách tránh ô nhiễm là sử dụng hệ số tái sử dụng tần số t t ch cực cho các
pilot (nhƣng không nhất thiết phải cho các dữ liệu); v dụ, 3 hoặc 7. Điều này
làm các tế bào gây ô nhiễm ra xa hơn. Cũng có thể phối hợp sử dụng các pilot
hoặc phân bố th ch nghi pilot để các thiết bị đầu cuối khác nhau trong mạng.
Hiện nay, chiến lƣợc tối ƣu là không rõ.
• Thuật toán ƣớc lƣợng kênh thông minh, hoặc thậm ch kỹ thuật mù để tránh sự
hạn chế sử dụng các pilot cùng lúc, có thể giảm thiểu hoặc loại bỏ những ảnh
hƣởng của ô nhiễm pilot. Phƣơng hƣớng triển vọng nhất có vẻ là kỹ thuật mù kết
hợp ƣớc lƣợng kênh và các dữ liệu.

• Kỹ thuật mã trƣớc mới t nh đến cấu trúc mạng, chẳng hạn nhƣ mã trƣớc ô
nhiễm pilot, có thể sử dụng truyền dẫn phối hợp qua nhiều tế bào - bên ngoài


17
của hoạt động tạo chùm tia - để rỗng hóa, hay tối thiểu một phần can nhiễu trực
tiếp do lây nhiễm pilot. Không giống nhƣ việc tạo chùm tia phối hợp trên nhiều
tế bào, chúng yêu cầu các ƣớc t nh kênh thực tế giữa thiết bị đầu cuối và mảng
phục vụ của tế bào ô nhiễm, mã trƣớc ô nhiễm pilot chỉ yêu cầu các hệ số phadinh chậm tƣơng ứng. Thực tế kỹ thuật mã trƣớc lây nhiễm pilot vẫn còn đƣợc
phát triển.
1.3. Các vấn đề tiếp tục nghiên cứu.
Trong khi Massive MIMO làm cho nhiều vấn đề truyền thống trong lý thuyết
truyền thông khác đi, nó phát hiện ra những vấn đề hoàn toàn mới cần nghiên
cứu.
Xử lý tín hiệu kết hợp nhanh và phân tán: mảng Massive MIMO tạo ra số lƣợng
lớn các dữ liệu băng gốc mà phải đƣợc xử lý trong thời gian thực. Xử lý này
phải đơn giản, và đơn giản có nghĩa là tuyến t nh hoặc gần tuyến t nh. Nhiều
nghiên cứu cần đƣợc đầu tƣ vào việc thiết kế các thuật toán tối ƣu hóa và thực
thi chúng. Trên đƣờng xuống, có tiềm năng rất lớn cho các sơ đồ mã trƣớc tài
tình.
Phần cứng chi phí thấp: Xây dựng hàng trăm chuỗi RF, lên / xuống, chuyển đổi
tƣơng tự - số (A/ D), số - tƣơng tự (D/ A) và v.v…, sẽ đòi hỏi nền thƣơng mại
mở rộng có quy mô sản xuất th ch hợp với những gì chúng ta đã thấy cho điện
thoại di động.
Sai sót phần cứng: Massive MIMO dựa trên luật số lớn trung bình hóa tiếng ồn,
pha-đinh và đến một mức độ nào đó có sự can nhiễu. Trong thực tế, Massive
MIMO phải đƣợc xây dựng với các thành phần rẻ tiền. Điều này có thể có nghĩa
là độ không hoàn hảo phần cứng lớn hơn: đặc biệt, tạp âm pha và lệch I/Q . Chi
ph thấp và hiệu quả công suất chuyển đổi A/D cung cấp mức cao hơn của tạp
âm lƣợng tử. Bộ khuếch đại công suất với các yêu cầu tuyến t nh vừa phải sẽ bắt

buộc dùng báo hiệu với tỷ số đỉnh/trung bình thấp với mỗi anten, trong đó, nhƣ
đã nói trên, khả thi với một lƣợng lớn anten phát. Với vòng khóa pha rẻ tiền


18
hoặc dao động tự do ở mỗi anten, tạp âm có thể trở thành một yếu tố hạn chế.
Tuy nhiên, những gì cuối cùng quan trọng là bao nhiêu pha sẽ rung giữa các
điểm trong thời gian khi một pilot đƣợc nhận và các điểm thời gian khi một ký
hiệu dữ liệu đƣợc nhận tại mỗi anten. Có tiềm năng lớn để giải quyết vấn đề tạp
âm pha bằng thiết kế sơ đồ lớp vật lý phát truyền thông minh và các thuật toán
nhận.
Điện năng tiêu thụ nội bộ: Massive MIMO cung cấp khả năng làm giảm công
suất bức xạ 1000 lần với cùng tốc độ dữ liệu. Tuy nhiên, trong thực tế, tổng số
năng lƣợng tiêu thụ phải đƣợc xem xét, bao gồm cả các chi ph xử lý t n hiệu
băng gốc. Nhiều nghiên cứu phải đƣợc đầu tƣ cao song vẫn phải có riêng thiết bị
phần cứng cho việc xử lý t n hiệu băng gốc.
Đặc tính hóa kênh: Có những t nh chất bổ sung của kênh cần xem xét khi sử
dụng Massive MIMO thay vì MIMO thƣờng. Để tạo thuận lợi cho việc đánh giá
hiệu quả thực tế của hệ thống MIMO lớn, nó cần có mô hình kênh đó phản ánh
t nh chất thực sự của các kênh vô tuyến (v dụ, các kênh truyền bao gồm cả tác
động của sắp xếp anten thực tế). Nó cũng quan trọng để phát triển các mô hình
kênh phân t ch tinh vi hơn. Mô hình nhƣ vậy không cần thiết phải ch nh xác đến
từng chi tiết, nhƣng họ phải nắm bắt đƣợc hành vi quan trọng của kênh. V dụ,
trong MIMO thƣờng mô hình Kronecker đƣợc sử dụng rộng rãi để mô hình kênh
tƣơng quan. Mô hình này không phải là một đại diện ch nh xác của thực tại,
nhƣng cung cấp một mô hình hữu ch cho một số loại nhất định để phân t ch bất
chấp những hạn chế của nó. Một cách tƣ duy tƣơng tự có thể đƣợc áp dụng cho
mô hình kênh Massive MIMO.
Chi phí hiệu chuẩn nghịch đảo: song công phân chia thời gian (TDD) sẽ đòi hỏi
hiệu chuẩn nghịch đảo. Thƣờng làm để thực hiện, và cách tốt nhất để làm việc

đó là gì? Chi ph , và điều kiện nguồn lực về thời gian và tần số cần thiết để hiệu
chuẩn là gì, và các thành phần cứng nào bổ sung cần thiết?


19
Hoạt động với bộ phát không biết kênh: Trƣớc khi một liên kết đƣợc thành lập
với một thiết bị đầu cuối, trạm gốc không có cách nào biết đƣợc đáp ứng của
kênh đến các thiết bị đầu cuối. Điều này có nghĩa rằng không có độ lợi búp của
mảng đƣợc khai thác. Trong trƣờng hợp này, có lẽ một số hình thức của mã khối
không-thời gian là tối ƣu. Khi các thiết bị đầu cuối đƣợc liên lạc và gửi pilot, các
trạm cơ sở có thể biết đƣợc đáp ứng kênh và hoạt động trong chế độ búp MUMIMO tạo chùm tia kết hợp, có đƣợc độ lợi công suất do có mảng lớn.
1.4. Kết luận chƣơng
Trong chƣơng này đã trình bày các vấn đề về đặc điểm và những ƣu điểm nổi
trội của hệ thống Massive MIMO. Hệ thống Massive MIMO là hệ thống có số
anten cơ sở lớn hơn nhiều (cỡ gấp 10 lần) số thiết bị đầu cuối kết hợp với song
công TDD và coi kênh là thuận nghịch.
Mô hình Massive MIMO tạo ra một số các ƣu điểm nhƣ sau: tốc độ truyền cao
do ghép kênh không gian (từ trạm gốc đến các đầu cuối đầu cuối gần trực giao),
năng lƣợng hội tụ vào đầu cuối nên tiết kiệm công suất, có thể kết hợp nhiều
thành phần độ ch nh xác thấp do dƣ bậc tự do.
Hơn nữa chƣơng còn trình bày những tiềm năng to lớn của hệ thống Massive
MIMO. Đó là một công nghệ then chốt cho tƣơng lai xa hơn thế hệ thông tin di
động tế bào thứ tƣ (4G). Công nghệ này đem lại lợi thế rất lớn về hiệu quả năng
lƣợng, hiệu quả phổ, mạnh mẽ, và độ tin cậy. Nó cho phép việc sử dụng các
phần cứng chi ph thấp ở cả hai trạm cơ sở và đầu cuối di động. Tại các trạm cơ
sở thiết bị phần cứng công suất đắt tiền không hiệu quả đƣợc thay thế bằng tập
hợp lớn các đơn vị điện năng thấp, chi ph thấp hoạt động song song gắn kết với
nhau. Hiện vẫn còn nhiều thách thức ph a trƣớc để thực hiện hết tiềm năng của
công nghệ này, v dụ, độ phức tạp t nh toán, thực hiện các thuật toán xử lý phân
tán, và đồng bộ của các đơn vị anten. Điều này cho các nhà nghiên cứu trong cả

học viên và ngành công nghiệp một khối đồ sộ các vấn đề nghiên cứu hoàn toàn
mới để giải quyết.


20
CHƢƠNG II. Ô NHIỄM PILOT VÀ ƢỚC LƢỢNG KÊNH DỰA TRÊN
PHÂN TÍCH TRỊ RIÊNG.
MIMO do dùng ƣớc lƣợng kênh bằng pilot dẫn đến ô nhiễm pilot. Do đặc điểm
số anten ở trạm cơ sở rất lớn nên không thể dùng pilot theo chiều xuống mà phải
dùng theo chiều lên (các máy di động phát pilot). Độ dài các pilot này (ứng với
số ngƣời dùng trong cell có thể) lại bị giới hạn bởi thời gian kết hợp (coherent
time) do sử dụng song công để kênh có t nh thuận nghịch nên bộ các pilot trực
giao là hữu hạn. Khi triển khai ra mạng tế bào bắt buộc phải dùng lại pilot dẫn
đến ô nhiễm pilot.
2.1. Mô hình hệ thống
Xét mạng tế bào có L cell, mỗi cell có M anten ở trạm cơ sở phục vụ K ngƣời
dùng có anten đơn. Mô hình kênh phẳng cho mỗi sóng con OFDM có hệ số
truyền giữa anten thứ m của trạm BS thuộc cell thứ i và ngƣời dùng thứ k thuộc
cell l là
√

Ở đây hệ số

(2.1)

là fading nhanh, còn nhân tử thứ 2 là hệ số fading

chậm. Hệ số fading chậm không đổi với tần số và chỉ số anten m.
Ta ký hiệu

là vecto kênh của 1 đầu cuối k

thuộc cell l hƣớng đến cả trạm cơ sở i, vecto fading nhanh là thành phần của
vecto kênh trên

với giả thiết

Hình 2.1. Mô hình hệ thống Massive MU-MIMO


21
 Qui trình xử lý tín hiệu:

Hình 2.2. Qui trình xử lý tín hiệu
Trong pha huấn luyện: k ngƣời dùng trong L cell đồng thời gửi các pilot ψk (độ
dài τ ký hiệu) trạm cơ sở i nhận đƣợc ma trận Mxτ t n hiệu:

∑

∑

√

(2.2)

Trạm cơ sở i này sẽ ước lượng vecto kênh

ứng với đầu cuối k trên cùng cell

i

∑

̂

(2.3)

Trong ƣớc lƣợng này chứa thêm vecto kênh từ ngƣời dùng k ở các cell lân cận
khác (số hạng thứ 2). Trạm cơ sở dùng ƣớc lƣợng này để t nh vecto mã trước (có
chứa ô nhiễm từ các cell bên cạnh nên gọi là mã trƣớc ô nhiễm), khi M ∞, là:
̂

(2.4)
‖̂

với mã trƣớc này trạm cơ sở sẽ phát với công suất

‖ . Kiểu mã MRC.

Để phát với công suất không đổi cần chuẩn hóa vecto với hệ số (do ƣớc lƣợng
kênh MMSE, công suất phát có thể giảm theo hệ số √
‖̂

)

‖

√
̂
‖̂

̂
‖

(2.5)

√

Sau khi biết wki BS sẽ phát từ M anten của nó vecto:
(2.6)
ở đó qki là ký hiệu nhằm gửi đến đầu cuối k trong cell i
Đầu cuối k trong cell i sẽ nhận t n hiệu
∑

∑

√

(2.7)


22
2.2. Vấn đề ô nhiễm trong Massive MIMO
T nh chất vecto ngẫu nhiên độc lập: nếu x,y

là 2 vecto độc lập với phân

thì:

bố

và

(2.8)

Dùng t nh chất vecto kênh của các đầu cuối khác nhau là độc lập và dùng t nh
chất trên ta suy ra t nh chất tiệm cận của
∑
Ký hiệu số hạng trong tổng đúp (2.6) là

(2.9)
và

|

| . Dùng bổ đề lần

nữa:
{
là công suất t n hiệu,
cuối dùng cùng pilot

(2.10)
là đóng góp của nhiễu. Từ (2.9) ta thấy chỉ đầu

mới tạo nên nhiễu không biến mất khi

, nguyên

nhân là vecto tạo búp của cho các đầu cuối này chứa các thành phần hƣớng đến

đầu cuối k trong cell i cũng tạo ra nhiễu không biến mất khi

. Phƣơng sai

của tạp âm cộng, tuy nhiên là unita lại không phụ thuộc số anten M của trạm BS
nên sẽ biến mất khi tiệm cận.
Ta có kết quả sau:
SINR đƣờng xuống của đầu cuối k trong cell i cũng nhƣ đƣờng lên
∑

(ở đây ta thấy nhiễu chỉ có thành phần fading chậm, do che

khuất và suy giảm từ các đầu cuối dùng lại pilot ψk)


23
2.3. Giới thiệu phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh theo phân tích trị riêng.
Trong thực tế, trạm cơ sở sẽ không có đƣợc thông tin trạng thái kênh hoàn hảo
mà cần phải ước lượng. Phƣơng pháp cổ điển là sử dụng t n hiệu pilot ở đƣờng
lên. Nếu thời gian kết hợp kênh bị giới hạn, thì số lƣợng t n hiệu pilot trực giao
khả dĩ cũng bị giới hạn theo và vì thế các t n hiệu pilot này cần đƣợc tái sử dụng
ở các cell khác. Điều này dẫn tới việc ƣớc lƣợng kênh ở một cell cho trƣớc sẽ bị
ô nhiễm bởi các t n hiệu pilot nhận đƣợc ở các cell khác. Điều này gây ra hiện
tƣợng ô nhiễm pilot. Điều này dẫn tới sự thật là khi ta giảm công suất phát của
mỗi ngƣời dùng thì việc ƣớc lƣợng kênh lỗi sẽ trở nên rất quan trọng. Vì thế
việc ƣớc lƣợng kênh từ t n hiệu pilot sẽ làm giảm đi các lợi ch khi sử dụng các
mảng anten rất lớn.
Chƣơng này luận văn trình bày kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh không dùng pilot để
làm tăng hiệu năng của hệ thống MIMO tập lớn. Ƣớc lƣợng kiểu này đem lại 2
lợi ch: Không bị ảnh hƣởng nhiều bởi hiện tƣợng ô nhiễm pilot, đồng thời khi

không dùng pilot hiệu suất truyền dữ liệu cao hơn. Kỹ thuật ƣớc lƣợng kênh
này đƣợc coi nhƣ là một cách tiếp cận đày triển vọng trong hệ thống Massive
MIMO nơi có số anten ở trạm cơ sở rất lớn. Phƣơng pháp ƣớc lƣợng kênh thông
qua phân t ch giá trị riêng (EVD) của ma trận hiệp phương sai các mẫu nhận
được (không cần bất cứ cấu trúc đặc biệt nào của t n hiệu phát) sẽ tránh đƣợc
vấn đề ô nhiễm pilot của phƣơng pháp cổ điển. Hiệu quả phƣơng pháp này đạt
tới gần hiệu quả ML khi số mẫu dữ liệu đủ lớn
2.4 Mô hình xử lý
Xét L cell. Mỗi cel có K ngƣời dùng với anten đơn, mỗi trạm cơ sở có M anten.
Trên đƣờng uplink khi tất cả mọi ngƣời cùng phát 1 dữ liệu. Vec tơ Mx1 tại
trạm cơ sở l có giá trị:
√

∑

(2.11)