Đánh giá hiệu suất năng lượng của hệ thống MIMO hoạt động ở dải sóng milli-mét với phần cứng không hoàn hảo

bài viết Đánh giá hiệu suất năng lượng của hệ thống MIMO hoạt động ở dải sóng milli-mét với phần cứng không hoàn hảo đánh giá hiệu suất sử dụng năng lượng của hệ thống MIMO hoạt động ở tần số cao dưới ảnh hưởng của phần cứng không hoàn hảo tại phía thu. Sử dụng mô hình hệ thống mmWave MIMO đơn người dùng với kiến trúc định hướng búp sóng lai tương tự/số, mô hình tạp âm lượng tử và tạp âm pha, chúng tôi xây dựng biểu thức xác định hiệu suất sử dụng năng lượng của hệ thống. Mời các bạn cùng tham khảo!

Đánh giá hiệu suất lượng hệ thống MIMO hoạt động dải sóng milli-mét với phần cứng khơng hồn hảo Nguyễn Đình Ngọc Trường Đại học Thơng tin liên lạc Nha Trang, Khánh Hòa nguyendinhngoc@tcu.edu.vn Nguyễn Văn Dũng Trường Đại học Thông tin liên lạc Nha Trang, Khánh Hòa nguyenvandungkcs@gmail.com Hiện nay, hiệu suất sử dụng lượng trở thành mối quan tâm lớn mạng viễn thông yêu cầu tốc độ liệu lớn, giá lượng tăng Nhiều cơng trình nghiên cứu hiệu suất sử dụng lượng thực tiêu chuẩn mạng di động hợp tác hệ thứ ba (the third generation partnership project’s - 3GPP), dự án phát triển dài hạn (Long Term Evolution Advanced - LTE-A) tiêu chuẩn IEEE 802.16 tập trung vào kỹ thuật chuyển tiếp trạm sở trạm di động nhằm giảm công suất tiêu thụ tiết kiệm chi phí cho nhà mạng triển khai trạm gốc Với người dùng, hiệu suất sử dụng lượng quan tâm tới thời lượng pin, công suất xạ thiết bị cầm tay khoảng cách gần sử dụng Hệ thống MIMO hoạt động dải tần mili-mét, tần số cao gây vấn đề phức tạp phần cứng công suất tiêu thụ lớn Do nghiên cứu vấn đề hiệu suất sử dụng lượng hệ thống mmWave MIMO có vai trò quan trọng bên cạnh yêu cầu tăng tốc độ liệu Abstract—Bài báo đánh giá hiệu suất sử dụng lượng hệ thống MIMO hoạt động tần số cao ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo phía thu Sử dụng mơ hình hệ thống mmWave MIMO đơn người dùng với kiến trúc định hướng búp sóng lai tương tự/số, mơ hình tạp âm lượng tử tạp âm pha, xây dựng biểu thức xác định hiệu suất sử dụng lượng hệ thống Cuối cùng, thực mô hiệu suất sử dụng lượng với thay đổi SNR, cơng st tín hiệu phát Kết mô cho thấy ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo lên hiệu hệ thống Keywords— mmWave MIMO, tạp âm pha, tạp âm lượng tử, ADC độ phân giải thấp I GIỚI THIỆU Sử dụng mảng ăng-ten lớn phía phát/thu băng thơng lớn chìa khóa để đạt tốc độ truyền dẫn lớn hệ thống vô tuyến [1] Dải sóng mili-mét ứng với dải tần số cao 30-300 GHz cho phép tăng dung lượng, tốc độ truyền dẫn sử dụng hệ thống truyền dẫn đường trục điểm-điểm, Wigig, WifiHD, vệ tinh Hệ thống thơng tin MIMO hoạt động dải sóng mili-mét xu hướng nghiên cứu rộng rãi để ứng dụng vào hệ thống vô tuyến hệ thứ (5G) So với hệ thống thông tin MIMO hoạt động dải tần số thấp, việc thực tiền mã hóa số yêu cầu ăng-ten cần có chuỗi cao tần (RF) Khi hoạt động dải tần số cao, số lượng ăng-ten phía phát/thu tăng dẫn tới số nhánh cao tần tăng dẫn đến làm tăng công suất tiêu thụ hệ thống Để giải vấn đề này, hệ thống mmWave MIMO thường sử dụng phương pháp định hướng búp sóng lai tương tự/số (HB) [2] và/hoặc chuyển đổi tương tự-số (ADC) chuyển đối số-tương tự (DAC) có độ phân giải thấp [3] Các cơng trình nghiên cứu trước thường tập trung giải toán liên quan đến vấn đề thiết kế ma trận tiền tiền mã hóa/kết hợp nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, hiệu suất sử dụng lượng với mơ hình cơng suất tiêu thụ khác nhau; toán ước lượng kênh với ràng buộc khác [3] [4] Trong báo xem xét hệ thống HP mmWave MIMO sử dụng dịch pha Giả thiết thơng tin trạng thái kênh hồn hảo phía phát thu Đóng góp báo đề xuất phương pháp để phân tích hiệu suất sử dụng lượng hệ thống cách sử dụng mơ hình cơng suất tiêu thụ sửa đổi từ mơ hình đề xuất báo [5], [4] Trong có xét đến kiến trúc thực tiền mã hóa miền tương tự từ RF thực tế [6] Kết phân tích xây dựng biểu thức thể phụ thuộc hiệu suất lượng vào số tham số hệ thống như: số ăng-ten phát, số ăngten thu, số luồng liệu đầu vào Bên cạnh đó, hoạt động dải tần số cao hệ thống mmWave MIMO dễ bị ảnh hưởng giới hạn phần cứng làm suy giảm hiệu hệ thống Ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo giảm thiểu nhờ biện pháp bù méo, bù công suất Tuy nhiên, ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo lên hệ thống khơng thể loại bỏ cách hoàn toàn [4] Các yếu tố phần cứng khơng hồn hảo hiệu ứng tạp âm pha gây khơng hồn hảo tạo dao động nội phía phát phía thu; méo phi tuyến khuếch đại công suất (PA) hoạt động gần vùng bão hòa [5]; cân I/Q gây xuyên nhiễu tín hiệu mong muốn [6]; ảnh hưởng dịch pha khơng hồn hảo [7] Ngồi ra, vấn đề suy hao công suất thực tiền mã hóa tương tự cần quan tâm [8], tạp âm lượng tử sử dụng ADC/DAC có độ phân giải thấp, gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu thu, gây suy giảm hiệu suất hệ thống Phần lại báo tổ chức sau: Phần mơ hình hệ thống Phần trình bày hiệu hệ thống thơng qua tính tốn hiệu suất lượng Phần trình bày kết mô cuối kết luận báo Ký hiệu: a đại lượng vô hướng; a đại lượng véc-tơ; A ma trận; [A]i;j phần tử (i; j), AH ma trận chuyển vị liên hợp phức (Hermitian), ||A||F Frobenius, |A| định thức ma trận A II MƠ HÌNH HỆ THỐNG A Mơ hình tín hiệu Xét hệ thống đơn người dùng (Single User - SU) mmWave MIMO sử dụng kiến trúc định hướng búp sóng lai phía 101 phát phía thu minh họa Hình véc-tơ tín hiệu phát thực tiền mã hóa miền số miền tương tự trước đưa đến ăng-ten phát Tại phía phát (Tx) gồm N t ăng-ten phát M t nhánh cao tần (RF) Tại phía R eA = (eAe AH ) =  A A diag ( (y A y AH ) ) ( =  A A diag R y A thu (Rx) gồm N r ăng-ten thu M r nhánh cao tần Hệ thống thực phát/thu N s luồng liệu Số luồng liệu thỏa mãn điều kiện ( Ns ) Giả sử ADC nhánh RF thu sử dụng số bit lượng tử dùng chung tạo dao động nhằm giảm cơng suất tiêu thụ, chi phí máy thu Khi đó, Ns  Nt , Nr  [1] Số nhánh RF thỏa mãn điều kiện () NRF Nt ) [2] Nr ,RF  Nr ,RF FA = − A I Nr ,RF = A I Nr ,RF  A =  với 2−2bA , z r = e jr 1TNr ,RF Zr = e jr I Mr Do đó, cơng thức (2) viết lại sau: H H y = A WBB Zr WRF HFRFFBBs H H H + A WBB Zr WRF n + WBB eA () Fig Mơ hình hệ thống Giả sử phần cứng phía thu khơng hồn hảo, tín hiệu thu chịu ảnh hưởng tạp âm pha tạp âm lượng tử nhánh RF phía thu Trong tạp âm pha mơ hình hóa theo Winner process tạp âm lượng tử mơ hình hóa theo AQNM Tín hiệu thu trước khối ADC nhánh RF phía thu xác định theo cơng thức: B Mơ hình kênh Trong báo này, để tập trung đánh giá ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo, giả thiết ma trận kênh N N hồn hảo Bài tốn kết hợp khảo sát ảnh hưởng H phần cứng thông tin trạng thái kênh khơng hồn hảo mở rộng nghiên cứu nghiên cứu sau Mơ hình kênh miêu tả với L scatterers Gọi t ,  [0, 2 ] H H y A = Z r WRF HFRFFBBs + Z r WRF n r ,  [0, 2 ] góc (AoD) góc đến (AoA) r () t tương ứng với đường truyền thứ (0N ,  n I N ) véc-tơ tạp âm Trong n[k ] ~ AWGN; với Zr = diag ( z r )  z r = e  jr ,1 ,e jr ,2 , ,e r r M r M r jt ,M r ma trận tạp âm pha  véc-tơ tạp âm pha  L H nhánh RF A H = W F y A + WBB eA = W F Z r W HFRFFBBs H BB A H RF FBB  ma trận tiền mã FRF  , WBB  )a rH ( t, r, () ) Giả thiết, mảng ăng-ten phát/thu tuyến tính (Uniform Linear Array - ULA) sử dụng N phần tử, véc-tơ mảng ăngten quay xác định theo công thức sau: () H H H + WBB FA Z r WRF n + WBB eA M t  Ns at ( Trong đó:  l suy hao đường truyền máy phát máy thu;  độ lợi kênh phức đường thứ truyền , có phân bố Rayleigh (y A ) H BB A , L Gọi Mô hình tín hiệu thu đầu khối kết hợp miền số xác định theo công thức: H y = WBB = 1, , với a t (t , ) véc-tơ mảng ăng-ten quay phía phát a r (r , ) véc-tơ mảng ăng-ten quay phía thu với đường truyền thứ Khi đó, ma trận kênh truyền H xác định sau a 1, e j2 ,e j4 , ,e j2 N T () M r  Ns hóa/kết hợp miền số, N t M t , WRF  Nr M r ma trận tiền Trong đó: góc khơng gian chuẩn hóa góc vật lý (góc tới góc phát) mã hóa/kết hợp miền tương tự; (.) hàm lượng tử M r 1 hóa, FA = diag(1 −  A,1 , ,1 −  A, M r ) e A  = véc-tơ tạp âm lượng tử cộng tính với phân bố xác suất (0, R eA ) Ma trận hiệp phương sai e A tính d   tính dựa  −   ,  2    sin  với d khoảng cách ăng-ten, λ bước sóng III HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG theo công thức: Hiệu suất lượng vấn đề quan trọng thiết kế hệ thống mmWave MIMO Các ăng-ten mảng lớn thực để bù đắp cho suy hao đường truyền mmWave cho phép 102 đạt hiệu suất phổ cao Tuy nhiên số thành phần phần cứng DAC, ADC, PA trở nên không hiệu hoạt động dải tần số cao, băng thơng lớn, làm tăng chi phí công suất tiêu thụ lớn suy hao thành phần nhánh RF Do thiết kế hệ thống không cần quan tâm đến nâng cao hiệu suất sử dụng phổ mà cần quan tâm đến hiệu suất sử dụng lượng Hiệu suất lượng hệ thống định nghĩa tỷ số hiệu suất phổ công suất tiêu thụ hệ thống Ký hiệu EE (Energy Efficiency) hiệu suất sử dụng lượng, ta có: PCP () N 1 PBB PRF () kết hợp băng gốc Giả thiết thành phần nhánh RF gồm: 02 lọc thông thấp (LP), 02 trộn (M) 01 ghép lai Công suất tiêu thụ nhánh RF là: P phương sai R ss = ss  = t I N với Pt công suất Ns s phát Khi đó, hiệu suất sử dụng phổ R [bit/s/Hz] tính H PRF theo cơng thức: R n 1R d log det I N s Pt H H {WBB Z rH WRF HFRF FBB Ns H H BB RF 2PLP 2PM PH () với PLP công suất tiêu thụ lọc thông thấp, () PM công suất tiêu thụ trộn, PH công suất tiêu thụ hybrid R d cơng suất tín hiệu thu mong muốn, tính theo công thức: ( A )2 M r 2.PADC PPA công suất tiêu thụ khuếch đại, PADC công suất tiêu thụ chuyển đổi tươn tự-số, PPS công suất tiêu thụ phase-shifter, PBB cơng suất tiêu thụ khối Véc-tơ tín hiệu phát s  s giả thiết có phân bố Gauss, độc lập với có kỳ vọng ma trận hiệp Rd N r PPA N r M r PPS A Tốc độ liệu đường xuống R PLO Trong đó: PLO cơng suất tiêu thụ tạo dao động, R Psum EE Mỗi nhánh RF nối với 01 ăng-ten thông qua 01 khuếch đại công suất (PA) nối với luồng liệu đầu vào thông qua cặp chuyển đổi số-tương tự (DAC), giả thiết nhánh RF dùng chung 01 tạo dao động (LO) Công suất tiêu thụ máy thu Công suất cần thiết để PA bù cho phần suy hao phần thực tiền mã hóa miền tương tự xác định theo công thức () Ploss LD Nr LPS LC M r () H F F H WBB Z r WBB } Trong đó: LD , LPS , LC suy hao công suất cố định chia, dịch pha kết hợp tương ứng R n công suất tạp âm sau thực kết hợp băng gốc phía thu, tính theo cơng thức Rn ( A )2 n H H {WBB Z rH WRF WRF Z r WBB } H WBB R eA WBB IV KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Chúng tơi thực mơ Monte-Carlo phần mềm Matlab để đánh giá ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo phía thu lên hiệu hệ thống Kịch mô xây dựng sau: mô hệ thống 64 x 32 mmWave MIMO đơn người dùng thực thu phát số luồng liệu N s = Với giả thiết thông tin trạng thái kênh hồn hảo phía phát thu, độ lợi kênh giả thiết có phân bố ngẫu nhiên Rayleigh, số vòng lặp tạo kênh 1000 Các ma trận tiền mã hóa số, tương tự thực theo phương pháp OMP Tần số sóng mang sử dụng 28 GHz Phía phát phía thu sử dụng mảng ăng-ten dạng ULA với khoảng cách () B Cơng suất tiêu thụ Mơ hình cơng suất tiêu thụ thực tế hệ thống mmWave MIMO bao gồm: công suất xạ, công suất tiêu thụ mạch điện tử công suất suy hao phần tiền mã hóa miền tương tự Psum PR PCP Ploss ()  ; góc AoD, AoA có phân bố khoảng từ [0, 2 ] ; số đường L = , nhánh ăng-ten d = Trong đó: PR cơng suất xạ đầu ăng-ten phát, xác định theo cơng thức: PR Px RF phía thu dùng chung tạo dao động nội LO Các ADC nhánh RF sử dụng số bít lượng tử () Hình minh họa hiệu suất sử dụng phổ với thay đổi SNR trường hợp: phần cứng hồn hảo, hệ thống có ảnh hưởng tạp âm lượng tử trường hợp hệ thống chịu ảnh hưởng tạp âm pha Kết mô cho thấy, hiệu suất phổ trường hợp phần cứng khơng hồn hảo có suy giảm đáng kể vùng SNR lớn Khi tăng SNR, hiệu với  hiệu suất khuếch đại công suất, Px cơng suất tín hiệu phát Px =  FRF FBBs  2  103 suất phổ cải thiện chênh lệch lớn, đặc biệt với trường hợp hệ thống chịu ảnh hưởng tạp âm pha Điều giải thích rằng: tạp âm lượng tử có tính chất cộng tính, tạp âm pha nhiễu nhân với tín hiệu thu KẾT LUẬN Trong báo chúng tơi phân tích, đánh giá ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo phía thu lên hiệu suất sử dụng lượng hệ thống MIMO hoạt động tần số cao Trong đó, mơ hình cơng suất tiêu thụ tổng quát thành hàm số dựa tham số số luồng, số nhánh RF, số ăng-ten phát/thu Từ kết mô cho thấy tăng SNR, cơng suất tín hiệu phát hiệu suất phổ, hiệu suất lượng cải thiện Tuy nhiên, chênh lệch trường hợp phần cứng hồn hảo khơng hồn hảo tang lên Do đó, thiết kế hệ thống cần quan tâm tới tham số cách hợp lý Hướng nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng thành phần phần cứng phía phát kết hợp ảnh hưởng thông tin trạng thái kênh lên hiệu hệ thống TÀI LI ỆU THAM KHẢO [1] [2] Fig Tốc độ liệu đạt thay đổi theo SNR Hình minh họa hiệu suất sử dụng phổ hệ thống với cơng suất tín hiệu phát thay đổi khoảng 20-40 dBm trường hợp phần cứng hồn hảo khơng hồn hảo Kết mơ cho thấy cơng suất tín hiệu phát tăng dần hiệu suất sử dụng lượng cải thiện có xu hướng tiến đến bão hịa Đồng thời, tăng cơng suất tín hiệu phát chênh lệch trường hợp phần cứng hoàn hảo khơng hồn hảo tăng lên Do đó, hệ thống cần lựa chọn công suất phát phù hợp để hạn chế ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo lên hiệu hệ thống [3] [4] [5] [6] [7] [8] Fig Hiệu suất lượng thay đổi theo công suất tín hiệu phát 104 R W Heath, N González-Prelcic, S Rangan, W Roh and A M Sayeed, "An Overview of Signal Processing Techniques for Millimeter Wave MIMO Systems," in IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, vol 10, no 3, pp 436453, April 2016, doi: 10.1109/JSTSP.2016.2523924 I Ahmed, H Khammari, Adnan Shahid and Ahmed Musa, "A Survey on Hybrid Beamforming Techniques in 5G: Architecture and System Model Perspectives," in IEEE Communications Surveys and Tutorials, vol 20, no 4, pp 3060-3097, Fourthquarter 2018, doi: 10.1109/COMST.2018.2843719 J Mo, A Alkhateeb, S Abu-Surra and R W Heath, "Hybrid Architectures With Few-Bit ADC Receivers: Achievable Rates and Energy-Rate Tradeoffs," in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 16, no 4, pp 2274-2287, April 2017, doi: 10.1109/TWC.2017.2661749 E Bjornson, M Matthaiou and M Debbah, "Massive MIMO with Non-Ideal Arbitrary Arrays: Hardware Scaling Laws and CircuitAware Design," in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 14, no 8, pp 4353-4368, Aug 2015, doi: 10.1109/TWC.2015.2420095 O Kolawole, A Papazafeiropoulos and T Ratnarajah, "Impact of hardware impairments on mmWave MIMO systems with hybrid precoding," 2018 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), Barcelona, 2018, pp 1-6, doi: 10.1109/WCNC.2018.8377045 R Corvaja, A G Armada, M Á Vázquez and A Párez-Neira, "Design of pre-coding and combining in hybrid analogdigital massive MIMO with phase noise," 2017 25th European Signal Processing Conference (EUSIPCO), Kos, 2017, pp 2458-2462, doi: 10.23919/EUSIPCO.2017.8081652 R Méndez-Rial, C Rusu, N González-Prelcic, A Alkhateeb, and R W.Heath, “Hybrid mimo architectures for millimeter wave communications: Phase shifters or switches?” IEEE Access, vol 4, pp 247–267, 2016 A Garcia-Rodriguez, V Venkateswaran, P Rulikowski, and C Masouros, “Hybrid analog digital precoding revisited under realistic RF modeling,” IEEE Wireless Communications Letters, vol 5, no 5, pp 528–531, Oct 2016  ... kế hệ thống không cần quan tâm đến nâng cao hiệu suất sử dụng phổ mà cần quan tâm đến hiệu suất sử dụng lượng Hiệu suất lượng hệ thống định nghĩa tỷ số hiệu suất phổ công suất tiêu thụ hệ thống. .. ,  2    sin  với d khoảng cách ăng-ten, λ bước sóng III HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG theo công thức: Hiệu suất lượng vấn đề quan trọng thiết kế hệ thống mmWave MIMO Các ăng-ten mảng... SNR trường hợp: phần cứng hồn hảo, hệ thống có ảnh hưởng tạp âm lượng tử trường hợp hệ thống chịu ảnh hưởng tạp âm pha Kết mô cho thấy, hiệu suất phổ trường hợp phần cứng khơng hồn hảo có suy giảm