Thông tin tài liệu
LỜI CẢM ƠN Trải qua năm học ở Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, được tiếp nhận những kiến thức kinh nghiệm quý báu của các thầy cô giúp em có được ngày hôm nay, trưởng thành có kiến thức vững vàng Em xin trân thành cảm ơn khoa Viễn Thông và khoa Sau Đại Học, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thông tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em nhiều trình học tập làm luận án tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn trân thành tới các thầy cô Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng tận tình giảng dạy trang bị cho em những kiến thức quý báu những năm học vừa qua Và đặc biệt em xin trân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tiến Ban và thầy Đặng Hoài Bắc những hỗ trợ quý báu giúp em vượt qua những giai đoạn khó khăn trình học tập, cung cấp nhiều kiến thức để em có thể hoàn thành xong luận án này Cảm ơn các anh chị đồng nghiệp và bạn bè góp ý và giúp đỡ tận tình trình thực hiện luận án này Em xin trân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2021 Nghiên cứu sinh Phạm Hùng Mục lục Danh sách hình vẽ iv Danh sách bảng iv Danh mục từ viết tắt viii Từ điển giải Mở Đầu xi 1 Tính cấp thiết luận án Những vấn đề tồn Ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu 5 Đối tượng nghiên cứu 6 Phương pháp nghiên cứu 7 Phạm vi nghiên cứu Những đóng góp luận án Bố cục luận án Tổng quan kỹ thuật lập lịch 12 1.1 Hệ thống thông tin di động 5G 12 1.2 Yêu cầu kỹ thuật hệ thống thông tin di động 5G 14 1.3 Hệ thống thông tin di động nhiều ăng ten đa người dùng MU-MIMO 15 i 1.4 1.5 1.6 1.7 1.3.1 Ước lượng kênh truyền theo chiều lên 16 1.3.2 Truyền liệu chiều xuống 17 1.3.3 Xử lý tuyến tính 17 Hệ thống thông tin nhiều ăng ten cỡ lớn Massive MIMO 19 1.4.1 Ưu điểm hệ thống thông tin nhiều ăng ten cỡ lớn 20 1.4.2 Thách thức hệ thống thông tin nhiều ăng ten cỡ lớn 21 Hệ thống thông tin nhiều ăng ten cỡ lớn mmWave Massive MIMO 22 1.5.1 Các thách thức bước sóng cỡ mmWave Massive MIMO 23 1.5.2 Mảng ăng ten cho mmWave Massive MIMO 24 1.5.3 Kiến trúc RF 25 1.5.4 Ước lượng kênh truyền hệ thống mmWave Massive MIMO 26 1.5.5 Mơ hình kênh truyền 27 1.5.6 Các giải pháp tiền mã hóa 27 Kỹ thuật lập lịch 30 1.6.1 Cấu trúc khung mạng vô tuyến 30 1.6.2 Kỹ thuật lập lịch mạng vô tuyến 31 1.6.3 Thách thức 31 1.6.4 Một số kỹ thuật lập lịch 33 Kết luận chương 37 Kỹ thuật lập lịch đảm bảo tốc độ tối thiểu thuê bao dựa thông tin lão hóa kênh truyền 39 ii 2.1 Ý tưởng kỹ thuật lập lịch đảm bảo tốc độ tối thiểu cho thuê bao sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền 39 2.2 Mơ hình hệ thống 42 2.3 Ước lượng kênh truyền 43 2.4 Truyền liệu chiều xuống 44 2.5 Lão hóa kênh truyền 45 2.6 Tốc độ tổng đạt với tượng lão hóa kênh truyền 46 2.6.1 Tiền mã hóa MRT 47 2.6.2 Tiền mã hóa ZF 47 2.7 Kỹ thuật lập lịch đề xuất QoS-Aware 48 2.8 Kết mô 51 2.9 Kết luận chương 57 Kỹ thuật lập lịch cho hệ thống ăng ten cỡ lớn đảm bảo đa tốc độ tối thiểu 3.1 59 Ý tưởng kỹ thuật lập lịch đảm bảo đa tốc độ tối thiểu cho người dùng 59 3.2 Mơ hình hệ thống 61 3.3 Ước lượng kênh truyền 61 3.4 Truyền tín hiệu chiều xuống 62 3.5 Bài toán tối ưu kỹ thuật lập lịch 63 3.5.1 Các tiêu chí tối ưu 63 3.5.2 Xây dựng hàm mục tiêu 66 3.6 Giải pháp đề xuất 67 3.7 Kết mô 69 iii 3.8 Kết luận chương 75 Kỹ thuật lập lịch cho hệ thống ăng ten bước sóng mm sử dụng ADC phân giải thấp 4.1 4.2 76 Ý tưởng kỹ thuật lập lịch cho hệ thống ăng ten cỡ lớn bước sóng mm sử dụng ADC phân giải thấp 76 Mơ hình hệ thống 78 4.2.1 Truyền dẫn chiều xuống 79 4.2.2 Mơ hình lượng tử hóa 80 4.2.3 Tiền mã hóa lai đa người dùng hai giai đoạn cho kênh truyền đường 81 4.3 Kỹ thuật lập lịch đề xuất 82 4.4 Kết mô 83 4.5 Kết luận chương 87 Kết luận 89 Danh mục cơng trình nghiên cứu khoa học 91 Tài liệu tham khảo 91 iv Danh sách hình vẽ Lưu lượng sử dụng di động tháng 1.1 Các thành phần mạng vô tuyến 5G 14 1.2 Mơ hình hệ thống thơng tin nhiều ăng ten đa người dùng 16 1.3 Mơ hình xử lý tuyến tính trạm gốc 18 1.4 Kiến trúc mạng 5G dựa bước sóng cỡ mm 23 1.5 Kiến trúc mảng ăng ten lai bước sóng cỡ mm 25 1.6 Kiến trúc RF 26 1.7 Cấu trúc tiền mã hóa kĩ thuật số cho thuê bao hệ thống mmWave 28 1.8 Cấu trúc tạo búp sóng tương tự 29 1.9 Cấu trúc tạo búp sóng lai cho hệ thống thuê bao 30 1.10 Cấu trúc khung mạng vô tuyến NR 30 1.11 Cấu trúc khung mạng vô tuyến NR 31 1.12 So sánh hiệu sử dụng phổ 35 1.13 Nhóm ăng ten sử dụng 36 2.1 So sánh dung lượng hữu ích sử dụng MRT 52 2.2 So sánh dung lượng không hữu ích sử dụng MRT 53 2.3 Dung lượng hữu ích hệ thống sử dụng MRT M = 128 54 2.4 So sánh dung lượng hữu ích sử dụng tiền mã hóa ZF Ka = 40 55 v 2.5 So sánh lưu lượng khơng hữu ích sử dụng tiền mã hóag ZF với Ka = 40 56 2.6 Số thuê bao phục vụ sử dụng ZF MRT 57 3.1 Tốc độ thuê bao sử dụng kỹ thuật QoS-Assurance 71 3.2 Tốc độ tổng hệ thống 72 3.3 So sánh tổng tốc độ 72 3.4 So sánh dung lượng hữu ích hai kỹ thuật 73 3.5 So sánh dung lượng ba kỹ thuật 74 4.1 Hiệu sử dụng phổ theo SNR 85 4.2 So sánh hiệu sử dụng phổ ADC phân giải thấp 4.3 No-ADC 86 Hiệu sử dụng phổ theo KS 87 vi Danh sách bảng 3.1 Tham số mô vii 70 Danh mục từ viết tắt ADC Analog To Digital Converter - biến đổi tương tự số AAU Active Antenna Unit - Đơn vị ăng ten chủ động BS Base Station - trạm gốc BB Baseband - băng sở BBU Baseband Unit - Đơn vị băng sở BPF Bandpass Filter - lọc thông dải CSI Channel State Information - thông tin trạng thái kênh truyền CU Central Unit - Đơn vị tập trung DPC Dirty Paper Coding - mã hóa thuật toán giấy bẩn DU Distributed Unit - Đơn vị phân tán FDD Frequency Division Duplex - ghép kênh phân chia theo tần số GFBR Guaranteed Flow Bit Rate - tốc độ luồng bit đảm bảo GBR Guaranteed Bit Rate- tốc độ bit đảm bảo gNB Next Generation NodeB - trạm gốc hệ IoT Internet of Things - kết nối vạn vật IP Internet Protocol - giao thức internet OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing - ghép kênh phân chia theo tần số trực giao LNA Low Noise Amplifier - khuếch đại nhiễu thấp viii LTE Long Term Evolution - mạng tiến hóa dài hạn LOS Line-of-Sight - truyền sóng tầm nhìn thẳng MRT Maximum Ratio Transmission - truyền dẫn tốc độ cực đại MU-MIMO Multi-user MIMO - hệ thống nhiều ăng ten nhiều người dùng MIMO Multiple Input Multiple Output - nhiều ăng ten thu nhiều ăng ten phát Massive MIMO hệ thống ăng ten nhiều ăng ten đầu vào nhiều ăng ten đầu cỡ lớn MR Maximum Rate - tối đa tốc độ MMSE Minimum Mean Square Error - Lỗi bình phương trung bình nhỏ MS Mobile Subscriber - th bao N-LOS Non-Line-of-Sight - truyền sóng khơng tầm nhìn thẳng NR New Radio - Mạng vơ tuyến hệ ZF Zero Forcing - cưỡng không PF Proportional Fair - công thuê bao QoS Quality of Service - chất lượng dịch vụ RF Radio Frequency - tần số vô tuyến điện RRH Remote Radio Head - Khối vô tuyến từ xa SNR Signal-To-Noise Ratio - tỷ lệ tín hiệu nhiễu SDAP Service Data Adaptation Protocol - giao thức thích nghi liệu dịch vụ TDD Time Division Duplex - ghép kênh phân chia theo thời gian ix Hình 3.4 thể dung lượng hữu ích thuê bao tức có dung lượng mà đáp ứng tốc độ tối thiểu thuê bao tính Đối với kỹ thuật MR, thấy M = 120, Kp ≥ 40, tổng dung lượng hệ thống hữu hạn số thuê bao phục vụ tăng đủ lớn phần lớn số thuê bao nhận tốc độ nhỏ (bit/s/Hz) Vì hầu hết thuê bao phục vụ lớp thứ khơng có dung lượng hữu ích Kết là, dung lượng hữu ích kỹ thuật MR giảm mạnh trước tăng nhẹ trở lại số thuê bao thuộc lớp thứ hai phục vụ tăng lên Bên cạnh đó, thuê bao thuộc lớp thứ thỏa mãn tốc độ yêu cầu (bit/s/Hz) thuê bao thuộc lớp thứ hai thỏa mãn yêu cầu (bit/s/Hz) sử dụng kỹ thuật QoS-Assurance Vì dung lượng sử dụng kỹ thuật QoS-Assurance dung lượng hữu ích Điều cho thấy kỹ thuật MR cung cấp tốc độ tổng lớn kỹ thuật QoS-Assurance có dung lượng hữu ích cao hơn, cải thiện độ cơng lớp dịch vụ, đặc biệt đảm bảo tốc độ tối thiểu khác thuê bao 90 80 70 60 50 40 QoS-Assurance Maximum Rate 30 20 10 20 30 40 50 60 Hình 3.4: So sánh dung lượng hữu ích hai kỹ thuật Các trường hợp chủ yếu nhấn mạnh ưu điểm kỹ thuật điều khiển công suất kỹ thuật đề xuất Trường hợp cuối thể ảnh hưởng 73 tham số độ ưu tiên lên dung lượng hệ thống Hình 3.5 thể so sánh dung lượng hệ thống ba kỹ thuật : QoS-Assurance, MR QoS-Scheduler Kỹ thuật điều khiển công suất áp dụng cho ba kỹ thuật Sự khác biệt kỹ thuật đề xuất QoS-Assurance có độ ưu tiên dung lượng Từ tập hợp Kp = 100 thuê bao với nửa số thuê bao thuộc lớp thứ nửa lại thuộc lớp thứ hai, tập gồm Ks thuê bao chọn để phục vụ Có thể thấy thuật tốn MR có dung lượng cao nhất, kỹ thuật QoS-Assurance đứng vị trí thứ hai cuối QoS-Scheduler Với kỹ thuật QoS-Assurance, đánh đổi dung lượng độ công phụ thuộc vào tham số độ ưu tiên Dung lượng kỹ thuật QoS-Assurance tiệm cận với dung lượng kỹ thuật MR hệ số điều chỉnh độ ưu tiên α tiến tới không với nhược điểm dung lượng thuê bao thuộc lớp thứ tiến tới khơng Nói cách khác độ cơng dung lượng lớp bị giảm 10 QoS-Assurance Maximum Rate QoS-Scheduler 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Hình 3.5: So sánh dung lượng ba kỹ thuật 74 100 110 120 3.8 Kết luận chương Trong chương này, luận án đề xuất kỹ thuật lập lịch cho phép thuê bao đạt tốc độ tối thiểu tùy ý, trạm gốc phục vụ thuê bao có tốc độ tối thiểu khác chu kỳ khung Đây điểm so với kỹ thuật lập lịch khác phục vụ tốc độ tối thiểu Tính khả thi kỹ thuật lập lịch đề xuất chứng minh cách thay đổi công suất thuê bao kỹ thuật đảm bảo tốc độ tối thiểu cho th bao mà hồn tồn khơng phụ thuộc vào tốc độ thuê bao khác Và thực nghiệm cho thấy để phục vụ thuê bao yêu cầu tốc độ tối thiểu cao làm giảm dung lượng hệ thống Nếu giảm dần khác độ ưu tiên thuật tốn hệ thống tiến tới dung lượng thuật toán tối đa hóa tốc độ hệ thống Hạn chế kỹ thuật đề xuất dung lượng tổng hệ thống so với kỹ thuật lập lịch MR 75 Chương Kỹ thuật lập lịch cho hệ thống ăng ten bước sóng mm sử dụng ADC phân giải thấp Trong chương luận án trình bày mơ hình hệ thống ăng ten cỡ lớn bước sóng mm, mơ hình lượng tử hóa, phương pháp tiền mã hóa hai giai đoạn tốc độ đạt Từ đề xuất kỹ thuật lập lịch sử dụng hệ số trực giao kênh truyền thuê bao để lựa chọn thuê bao cách nhanh tối ưu Đây điểm khác biệt so với kỹ thuật lập lịch truyền thống MR phải sử dụng thuật toán vét cạn [57, 38] 4.1 Ý tưởng kỹ thuật lập lịch cho hệ thống ăng ten cỡ lớn bước sóng mm sử dụng ADC phân giải thấp Hệ thống thông tin di động MIMO cỡ lớn có bước sóng cỡ mm kỹ thuật có nhiều lợi để đạt dung lượng lớn cho mạng thông tin di động 5G [50, 9, 16] Ưu điểm băng thơng rộng miền tần số có bước sóng cỡ mm hấp dẫn nghiên cứu giải thánh thức hệ thống mmWave để triển khai thực tế [51, 19, 28] Truyền sóng vơ tuyến băng sóng cỡ mm có tính định hướng cao với suy hao lớn có thành phần đa 76 đường Để bù đắp cho tổn hao lớn cần tạo búp sóng định hướng cao nhờ có số lượng ăng ten lớn Đi tốc độ bit cao biến đổi tương tự số ADC tiêu thụ phần lớn lượng máy thu Vì thế, nhiều nghiên cứu tập trung vào cách sử dụng ADC có độ phân giải thấp hệ thống mmWave [26] Rất nhiều nghiên cứu nhờ số lượng ăng ten cỡ lớn sử dụng ADC phân giải thấp hệ thống mmWave Việc ước lượng kênh truyền thực hệ thống mmWave sử dụng ADC độ phân giải vài bit [54, 44, 45] Hệ thống mmWave với kiến trúc thay đổi số bit ADC có hiệu cơng suất tối ưu hệ thống sử dụng số bit ADC cố định [21] Hệ thống ăng ten cỡ lớn bước sóng mmWave sử dụng ADC phân giải thấp đặt số vấn đề cho kỹ thuật lập lịch ví dụ tải khơng xác ước lượng CSI Một cách vượt qua gánh nặng thông tin ước lượng kênh kỹ thuật lập lịch sử dụng búp sóng ngẫu nhiên [38] Nghiên cứu dung lượng hệ thống tỷ lệ với số ăng ten trạm phát số thuê bao tăng theo tương ứng Hướng nghiên cứu tiếp tục phát triển cho trường hợp số lượng thuê bao thưa thớt cách lựa chọn búp sóng tối ưu [39] Mặt khác, kỹ thuật lập lịch truyền thống MR hay PF khơng hồn tồn phù hợp với hệ thống mmWave thuật toán vét cạn số lượng ăng ten thuê bao lớn [39] Các kỹ thuật khơng khai thác đặc tính kênh truyền hệ thống mmWave Hơn nữa, ADC phân giải thấp sử dụng kỹ thuật lập lịch cần cân nhắc tới sai số trình lượng tử hóa Một kỹ thuật lập lịch cho chiều lên khai thác đặc tính kênh truyền để giảm thiểu thời gian tìm kiếm tập thuê bao 77 tối ưu hệ thống mmWave sử dụng ADC phân giải thấp đề xuất [23] Tuy nhiên kỹ thuật lập lịch cho chiều xuống hệ thống mmWave sử dụng ADC phân giải thấp dấu hỏi Trong phần nghiên cứu này, luận án đề xuất kỹ thuật lập lịch NOUS cho chiều xuống hệ thống mmWave hướng đến lựa chọn tập thuê bao tối ưu cách sử dụng đặc tính bán trực giao kênh truyền tiệm cận với hiệu thuật toán MR giảm thiểu thời gian tìm kiếm Số lượng ăng ten thuê bao MMS > mang nhiều ý nghĩa thực tế trường hợp thuê bao có ăng ten nghiên cứu [23] Kỹ thuật đề xuất chia làm ba giai đoạn: lựa chọn thuê bao tốt tập thuê bao ứng cử viên, tính toán thành phần trực giao thuê bao so với tập thuê bao lựa chọn, bước cuối loại bỏ thuê bao tập ứng cử viên mà không bán trực giao với thuê bao vừa lựa chọn Bước cuối có ý nghĩa quan trọng việc giảm thiểu thời gian tìm kiếm tập thuê bao tối ưu giảm nhanh kích thước tập thuê bao lựa chọn Hơn nữa, kết mơ cho thấy kỹ thuật NOUS tiệm cận hiệu kỹ thuật MR đánh bại hiệu kỹ thuật PF mà lại có độ phức tạp 4.2 Mơ hình hệ thống Luận án xem xét hệ thống đơn tế bào đa người dùng có trạm gốc Ka thuê bao Trạm gốc BS trang bị MBS ăng ten MRF RF Mỗi thuê bao có MMS ăng ten, giả định có luồng liệu với trạm gốc Hơn nữa, giả thiết trạm gốc BS lựa chọn tập thuê bao Ks = {1, 2, , KS } từ Ka thuê bao để phục vụ Vì tổng số luồng liệu MS , MS ≤ MRF ≤ MBS 78 4.2.1 Truyền dẫn chiều xuống BB ] với kích Trạm gốc BS sử dụng tiền mã hóa băng sở FBB = [f1BB , f2BB , fM S RF ] với kích thước thước MS × MS theo sau tiền mã hóa RF FRF = [f1RF , f2RF , fM S MBS × MS Vì vậy, tín hiệu truyền x = FRF FBB s, (4.1) s = [s1 , s2 , sMS ]T véc tơ tín hiệu phát có E[ssH ] = I MS MS Bởi RF sử dụng dịch pha tương tự nên giá trị số thỏa mãn |[FRF ]m,n | = MBS Hay nói cách khác, [FRF ]m,n = √ ejφm,n , MBS φm,n góc pha lượng tử hóa Để thỏa mãn giới hạn cơng suất |FRF FBB | = MS Mơ hình kênh truyền fa đinh khối hẹp, thuê bao u nhận tín hiệu [11, 6, 18, 62, 7] yu = √ ρwuH Hu FRF FBB s + wuH nu , (4.2) Hu với kích thước MMS × MBS ma trận kênh truyền trạm gốc BS thuê bao u, nu ∼ CN (0, I) nhiễu Gauss, ρ thể công suất phát wu ∈ CNMS ×1 ma trận kết hợp RF Luận án giả định kênh truyền gồm Lu tín hiệu tán xạ cho thuê bao u [52, 56] Vì thế, kênh truyền Hu biểu diễn sau [55]: s Hu = L u MBS MMS X αu,l aMS (θu,l )aH BS (φu,l ), Lu l=1 (4.3) αu,l độ lợi đường thứ l, θu,l φu,l ∈ [0, 2π] góc tới góc phát (AoAs/AoDs) đường thứ l, aMS (θu,l ) aBS (φu,l ) véc tơ đáp ứng mảng ăng ten trạm gốc BS thuê bao u Ở giả định ăng ten mảng tuyến tính 79 (ULA) sử dụng, véc tơ đáp ứng định nghĩa sau [55] s aMS (θu,l ) = s aBS (φu,l ) = = d sin(θu,l ) ,ε λ = T [1, ej2π , , ej2π(NMS −1) ] , MMS (4.4) T [1, ej2πε , , ej2π(NBS −1)ε ] , MBS (4.5) d sin(φu,l ) , λ λ bước sóng tín hiệu, d cự ly chấn tử ăng ten Ký hiệu kênh truyền hiệu dụng: 4.2.2 ¯ u = wH Hu FRF h u (4.6) ¯T , h ¯ T , , h ¯ T ]T ¯ = [h H MS (4.7) Mơ hình lượng tử hóa Sau kết hợp tương tự, thành phần thực ảo tín hiệu đầu Y lượng tử hóa ADC Luận án sử dụng mơ hình nhiễu lượng tử hóa (AQNM)để biểu diễn q trình lượng tử hóa theo mơ hình tuyến tính Mơ hình xác phạm vi SINR thấp trung bình [48] Tín hiệu lượng tử hóa Z √ ¯ H Z = ϑ(Y) = α ρHF BB s + αW n + q, (4.8) ϑ(.) hàm lượng tử cho thành phần thực ảo, α = − β độ lợi q trình lượng tử hóa, β tính xấp xỉ sau β ≈ √ π −2b 2 với số bít ADC b > 5, giá trị β cho b ≤ liệt kê bảng [22] Nhiễu WH n tuân theo phân bố CN (0, I) W ma trận đơn vị Tín hiệu nhiễu khơng có tương quan với R q ∼ CN (0, Rqq ) ma trận tương quan ¯ BB (HF ¯ BB )H + I) Rqq = αβ diag(ρHF 80 4.2.3 Tiền mã hóa lai đa người dùng hai giai đoạn cho kênh truyền đường Trong phần này, luận án xem xét trường hợp Lu = 1, u = 1, 2, , U Vì lược bỏ ký hiệu l thơng tin kênh truyền Vì kênh truyền Hu có đường giả định lái búp sóng cách liên tục Vì véc tơ tiền mã hóa kết hợp tối ưu wu = aMS (θu ) (4.9) fuRF = aBS (φu ) (4.10) Kênh truyền hiệu dụng thuê bao u ¯ u = wH Hu FRF h u = p (4.11) MBS MMS αu aH BS (φu )FRF (4.12) ¯ = DAH ABS , H BS (4.13) Vì vậy, D ma trận có kích thước MS × MS : [D]u,u = √ MBS MMS αu Trạm gốc sử dụng tiền mã hóa băng sở ¯ H (H ¯H ¯ H )−1 Υ, FBB = H Υ ma trận kích thước MS × MS với [Υ]u,u = (4.14) q 1, 2, , Ka Khi tốc độ đạt cho thuê bao u ¯ u f BB )2 α2 ρ(h u Ru = log2 (1 + ) Rqq (u, u) + α2 α2 ρMBS MMS αu2 ) = log2 (1 + Rqq (u, u) + α2 MBS MMS −1 (AH BS ABS )u,u |αu | , u = (4.15) (4.16) Tốc độ tổng hệ thống ¯ BB )2 α2 ρ(HF R = log2 (det(IMS + )) Rqq + α2 IMS 81 (4.17) 4.3 Kỹ thuật lập lịch đề xuất Sử dụng tốc độ đạt công thức (4.15) (4.17) , kỹ thuật lập lịch xác định sau R= max Ks ⊂{1,2, ,Ka } X Ru (4.18) u∈Ks Hiệu tối ưu tiền mã hóa ZF FBB đạt kỹ thuật lập lịch lựa chọn thuê bao thỏa mãn điều kiện không can nhiễu lẫn ¯ u f BB = cho u 6= v Xác định tập tối ưu Ks FBB để đạt độ lợi ghép kênh h v độ lợi đa dạng người dùng khó, đặc biệt số lượng thuê bao Ka lớn [61] Tuy nhiên, với số lượng lớn thuê bao lựa chọn tập thuê bao Ks gần trực giao [65], tốc độ tổng tập thuê bao tiệm cận với hiệu tối ưu yếu tố đa dạng thuê bao Trong nghiên cứu đề xuất kỹ thuật lập lịch (NOUS) miêu tả kỹ thuật nhằm tối đa hóa tốc độ tổng công thức 4.17 với độ phức tạp cách loại bỏ dần thuê bao theo điều kiện bán trực giao [65] Như thấy kỹ thuật 4, kỹ thuật lập lịch bao gồm năm bước: trạm gốc BS đặt toàn thuê bao vào tập ứng cử viên C1 khởi tạo tập rỗng Ks cho tập thuê bao lựa chọn , vòng lặp thứ i trạm gốc BS tìm thuê bao tốt thứ i tập ứng cử viên Ci để phục vụ cho tối đa hóa tốc độ tổng cơng thức 4.17 loại bỏ thuê bao lựa chọn tập ứng cử viên Ci bước Ở bước 3, kỹ thuật tính thành phần trực giao gKs (i) thuê bao thứ i lựa chọn tập sở {gKs1 , , gKs (i−1) } Tại bước 4, kỹ thuật loại bỏ thuê bao tập ứng cử viên không thỏa mãn điều kiện trực giao với thuê bao lựa chọn Ks (i) cuối kỹ thuật quay lại bước trừ kỹ thuật lựa chọn đủ th bao khơng tìm thấy ứng cử viên 82 phù hợp Kỹ thuật trình bày sau: Algorithm Kỹ thuật lập lịch bán trực giao NOUS 1: Trạm gốc BS khởi tạo C1 = {1, 2, , Ka }, Ks = ∅, i = 2: Sử dụng tốc độ tổng 4.17, trạm gốc BS lựa chọn thuê bao thứ i sau: ¯ k ]) ¯ s ), h Ks (i) = argmax R([H(K k∈Ci S Ks (i), Ci = Ci \ Ks (i) ¯ K (i) tập sở {gK (1) , , gK (i−1) } 3: Tính toán thành phần trực giao h s s s i−1 H P gKs (j) gKs (j) ¯ gKs (i) = hKs (i) (I − ) j=1 kgKs (j) k 4: Lựa chọn thuê bao lại đáp ứng yêu cầu trực giao với thuê bao S(i) cập nhật Ks = Ks Ci+1 5: ¯ k gH | |h S(i) ≤ ξ} = {k ∈ Ci | ¯ hk gS(i) (4.19) Nếu i < MS Ci+1 6= ∅, cập nhật i = i + Ngược lại, kỹ thuật kết thúc Luận án so sánh kỹ thuật NOUS với MR PF phương diện tốc độ tổng hệ thống Kỹ thuật MR thực kỹ thuật vét cạn để lựa chọn thuê bao có tốc độ đạt cao cơng thức 4.15 vịng lặp Khi số lượng thuê bao lớn, kỹ thuật MR chịu gánh nặng tính tốn Khơng giống MR, kỹ thuật NOUS sử dụng điều kiện trực giao công thức 4.19 để giảm kích thước tập ứng cử viên sau vòng lặp Điều giúp giảm tải tính tốn nhiều so với thuật tốn MR Hơn nữa, thuật toán NOUS ưu việt thuật toán PF phương diện tổng dung lượng PF lựa chọn thuê bao có tốc độ thấp để phục vụ nhằm mục tiêu công thuê bao 4.4 Kết mô Để đo lường hiệu kỹ thuật NOUS, số tình mơ nghiên cứu dựa hệ thống mmWave phần mềm Matlab để so sánh kỹ thuật lập lịch sau: • NOUS 83 • MR • PF • Một thuê bao Ở phần ước lượng kênh truyền coi lý tưởng, mô không tính tốn đến ước lượng kênh truyền chiều lên Kịch mô xem xét hiệu sử dụng phổ với tỷ lệ tín hiệu nhiễu SINR thấp phù hợp với thực tế sử dụng ADC phân giải thấp, so sánh tình sử dụng ADC phân giải thấp ADC hoàn hảo (No-ADC) để đánh giá hiệu kỹ thuật đề xuất cho trường hợp khác độ phân giải ADC so sánh hiệu sử dụng phổ kỹ thuật lập lịch số lượng thuê bao lập lịch tăng dần Trong hình 4.1 luận án so sánh hiệu sử dụng phổ theo tỷ lệ tín hiệu nhiễu SINR Luận án xem xét với MBS = 256 ăng ten trạm gốc, MMS = 16 ăng ten thuê bao, MS = 20 thuê bao lựa chọn để phục vụ, Ka = 160 thuê bao tế bào, số bit ADC b = (bit) SINR tăng từ -20 đến 10 dB Kết nghiên cứu hai kỹ thuật NOUS MR tiệm cận hiệu sử dụng phổ trường hợp thuê bao SINR có giá trị lớn Hiệu sử dụng phổ kỹ thuật NOUS gần xấp xỉ với kết kỹ thuật MR với thời gian tìm kiếm ngắn Kỹ thuật tốn PF tập trung vào độ công thuê bao nên khơng thể có hiệu sử dụng phổ cao Khoảng cách kỹ thuật giảm xuống SINR tăng lên sai số trình lượng tử hóa giảm SINR miền giá trị cao Kỹ thuật đề xuất NOUS hoạt động tốt miền SINR nhỏ sai số lượng tử tăng lên làm giảm độ trực giao kênh truyền Ở hình 4.2 luận án so sánh hiệu sử dụng phổ hai trường hợp: hệ thống sử dụng ADC phân giải thấp với số bit b = (bit) trường hợp 84 2.5 Single User 1.5 Maximum Rate NOUS PF 0.5 -20 -15 -10 -5 10 SNR (dB) Hình 4.1: Hiệu sử dụng phổ theo SNR thứ hai coi ADC hoàn hảo, khơng có sai số lượng tử hóa gọi No-ADC Có thể thấy trường hợp No-ADC hiệu sử dụng tăng tới vơ tăng SINR Trong trường hợp ADC phân giải thấp b = 2, gia tăng SINR miền giá trị cao không làm tăng lên nhiều hiệu sử dụng phổ sai số trình lượng tử hóa Trong hai trường hợp, kỹ thuật NOUS xấp xỉ hiệu kỹ thuật MR phương tiện hiệu sử dụng phổ Kết cho thấy kỹ thuật NOUS hoạt động tốt hai trường hợp ADC có độ phân giải thấp cao Khoảng cách kỹ thuật MR NOUS giảm xuống SINR tăng lên NOUS hoạt động tốt ADC có độ phân giải thấp Ở hình 4.3, luận án xem xét trường hợp số lượng thuê bao phục vụ KS 85 13 12 11 10 Maximum Rate No-ADC NOUS No-ADC Maximum Rate NOUS -20 -15 -10 -5 10 SNR (dB) Hình 4.2: So sánh hiệu sử dụng phổ ADC phân giải thấp No-ADC tăng từ 20 lên 60 thuê bao, Ka =160 ρ =3 dB Nó trạm gốc BS phục vụ nhiều thuê bao hiệu sử dụng phổ th bao giảm xuống cơng suất nhận thuê bao bị giảm xuống Hơn nữa, khó tìm thấy nhiều th bao trực giao giữ tổng số thuê bao Ka không đổi lại tăng số thuê phục vụ hiệu sử dụng phổ NOUS giảm xuống chút so với MR 86 1.8 1.6 PF NOUS Maximum Rate 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Hình 4.3: Hiệu sử dụng phổ theo KS 4.5 Kết luận chương Trong chương này, luận án đề xuất kỹ thuật lập lịch dựa mức độ trực giao kênh truyền thuê bao Từ giảm thiểu thời gian xác định tập thuê bao tối ưu hướng đến mục tiêu tối đa hóa dung lượng hệ thống Tính khả thi kỹ thuật lập lịch đề xuất minh chứng hiệu sử dụng phổ kỹ thuật NOUS tiệm cận với kỹ thuật MR đánh bại kỹ thuật PF hai trường hợp xét ảnh hưởng ADC phân giải thấp trường hợp coi ADC hoàn hảo (No-ADC) Và thực nghiệm cho thấy số thuê bao phục vụ hệ thống tăng lên khả tìm thấy tập thuê bao bán trực giao giảm xuống làm giảm hiệu sử dụng phổ so với 87
Ngày đăng: 25/04/2023, 15:56
Xem thêm:
