Nghiên cứu hiệu quả năng lượng của hệ thống MIMO cỡ rất lớn

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

Lương Đức Bằng

NGHIÊN CUU HIỆU QUA NĂNG LƯỢNG CUA HE THONG

MIMO CO RAT LON

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

HÀ NOI - 2015

Người hướng dẫn khoa học: TS Trương Trung Kiên

Phản biện 1:

Phản biện 2: c cccŸ s2

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn thạc sĩ tại

Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào luc: giờ ngà A nam 2015

Có thê tìm hiéu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ DAU

Ngày nay, sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị di động thông minh,

cùng với đó là nhu cầu sử dụng các dịch vụ truyền thông tốc độ cao ngày càng

lớn Điều đó đòi hỏi các nhà mạng, các nhà khoa học, các nhà phát triển cần phải nghiên cứu hệ thống truyền thông di động mới tốc độ cao, hiệu năng tốt đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng Một trong những công nghệ truyền thông mà có thé đáp ứng được yêu cau đó là hệ thống thông tin MIMO cỡ rất lớn (massive MIMO) Công nghệ này được đề cử trong phiên bản 12 và

sau đó của bộ tiêu chuân 3GPP LTE/LTE-Advanced, dần trở thành một hướng

nghiên cứu nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới Đây là một công nghệ rất hứa hẹn cho mạng di động tương lai 5G.

Đối với các hệ thống thông tin, bên cạnh vấn đề tốc độ thì vấn đề hiệu qua năng lượng là một trong những yếu tố quan tâm hang đầu của các nhà nghiên cứu Có rất nhiều lý do mà chúng ta cần quan tâm đến vấn đề hiệu quả sử dụng năng lượng trong hệ thống thông tin Thứ nhất, chi phí năng lượng

chiếm tỷ lệ đáng kể trong chi phí vận hành khai thác hệ thống thông tin Do đó,

nếu giảm thiêu được công suất tiêu thụ năng lượng đem lại lợi ích rất lớn cho

các nhà mạng Bên cạnh đó, việc sử dụng hiệu quả năng lượng còn giúp bảo vệ

môi trường, tăng năng lực cạnh tranh và tạo điều kiện nhà mạng có thé mở rộng

thị trường, cải thiện chất lượng phục vụ đối với người dùng Hơn nữa, ngày

nay, người dùng ngày càng quan tâm hơn đến những vấn đề năng lượng của hệ

thống Đó cũng là một yếu tố giúp nhà mạng thu hút khách hàng.

Vậy làm thế nao dé sử dụng hiệu quả năng lượng trong hệ thống MIMO cỡ rất lớn? Đó là một trong những câu trả hỏi lớn đã và đang được nghiên cứu trên thé giới dé tìm lời giải đáp Hiện nay, những cứu về hệ thống MIMO cỡ rất

lớn nói chung và vân đê hiệu quả năng lượng của hệ thông ở Việt Nam chưa có

nhiều Từ động lực đó, theo định hướng của người hướng dẫn khoa học, học viên lựa chọn đề tài “Nghiên cứu hiệu quả năng lượng của hệ thống MIMO

cỡ rât lớn” làm nội dung nghiên cứu của luận văn cao học của mình.Luận văn được chia thành nội dung như sau:

Chương 1: Giới thiệu hệ thống MIMO cỡ rat lớn và van đề hiệu quả năng lượng Trong chương nảy tập trung tìm hiểu vấn đề cơ bản của hệ thống

MIMO cỡ tất lớn, các ưu điểm và thách thức của hệ thống Ngoài ra, phần này

trình bày nhân mạnh tầm quan trọng của hiệu qua năng lượng trong hệ thong thông tin di động nói chung và hệ thông MIMO cỡ rất lớn nói chung.

Chương 2: Hiệu quả năng lượng trong hệ thống MIMO cỡ rat lớn Trong phan nay, chúng ta giới thiệu hệ thống MIMO cỡ rat lớn sử dụng dùng dé phân tích và mô phỏng Một phần quan trong trong chương là phân tích tốc độ

hệ thống, công suất tiêu thụ mạch thực tế Từ đó đưa ra được những công thức

tính toán đánh giá hiệu quả năng lượng trong hệ thống.

Chương 3: Mô phỏng và đánh giá hiệu quả năng lượng trong hệ

thống MIMO cỡ rat lớn Phan nay tập trung mô tả ngữ cảnh mô phỏng, đưa ra các kết quả mô phỏng bằng matlab Từ đó, đưa ra những đánh giá nhận xét về hiệu quả năng lượng trong hệ thống.

Kết luận và khuyến nghị Trong phần này đưa ra những kết luận vấn đề làm được trong luận văn và đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

Học viên hy vọng luận văn có thé là một tài liệu tham khảo tiếng Việt có giá trị cho những người bắt đầu tìm hiểu và nghiên cứu về hệ thống thông tin

MIMO cỡ rat lớn.

Chuong1 GIỚI THIỆU HE THONG MIMO CO RAT LỚN

VA VAN DE HIỆU QUA NANG LƯỢNG

1.1 Giới thiệu hệ thống thông tin MIMO cỡ rat lớn

1.1.1 Giới thiệu chung

Công nghệ MIMO được nghiên cứu từ khá lâu và trong thời gian đầu chủ

yếu nghiên cứu về SU-MIMO Tuy nhiên, hệ thống này có một số nhược điểm

như chỉ giao tiếp một người dùng Dé khắc phục điều này hệ thống MIMO đa

người dùng (MU-MIMO) ra đời Về cơ bản thì hệ thống MU-MIMO khác với SU-MIMO ở chỗ là đồng thời phục vụ cho một số người dùng MU-MIMO được ứng dụng vào trong rất nhiều tiêu chuẩn như 802.11 (Wifi), 802.16

(WIMax), LTE

Tuy nhiên, với các hệ thống sử dụng công nghệ MIMO mới chỉ sử dụng

số lượng ăngten nhỏ (<10 ăngten) vẫn chưa phát huy hết được tiềm năng mà công nghệ MIMO mang lại Vì vậy, trong những năm gần đây, những nghiên cứu đang tập trung vào hệ thống MIMO cỡ rat lớn (Massive MIMO) Trong hé thong nay, các trạm gốc sẽ có hàng trăm ăngten hoặc nhiều hơn thế Trong khi đầu cuối chỉ sử dụng ăngten đơn.

1.1.2 Ưu điểm của hệ thống thông tin MIMO cố rất lớn

Hệ thống thông tin MIMO cỡ rất lớn có một số ưu điểm sau:

e_ Hệ thống MIMO cỡ rất lớn có thé tăng dung lượng lên nhiều lần (10 lần

hoặc lớn hơn).

e© MIMO cỡ rất lớn có chi phí thiết bị thấp do nó được xây dựng với các

phân tử công suât thâp và rẻ.

e MIMO rat lớn cho phép giảm thiểu đáng ké độ trễ trong giao diện vô

e_ MIMO cỡ rất lớn được đơn giản hóa ở lớp đa truy nhập e Hệ thống MIMO cỡ rất lớn có thiết kế ôn định hơn.

1.1.3 Thách thức của hệ thống MIMO cé rất lớn

Đề hệ thống MIMO cỡ rat lớn có thé áp dung trong thực tế thì vẫn còn

nhiều thách thức cần giải quyết:

e Độ phức tạp trong tính toán lớn.

e_ Vấn dé sử dụng chế độ song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD).

e Nhiễu hoa tiêu

e Thực hiện phan cứng và thiết kế mach

1.2 Hiệu quả năng lượng của hệ thống thông tin

Trong những năm gần đây, với sự bùng nỗ mạnh mẽ của thiết bị di động

thông minh làm cho lưu lượng dữ liệu trong mạng di động tăng nhanh theo thời

gian Có rất nhiều chi phí khác nhau liên quan đến việc khai thác và vận hành

một hệ thống thông tin di động Trong đó, chi phí năng lượng chiếm khoảng

10% chi phí vận hành đối với các thị trường đã phát triển và khoảng 15%-30%

chi phí vận hành đối với các thị trường đang phát triển Do đó, việc sử dụng hiệu quả năng lượng của các hệ thống mạng di động là một vấn đề rất quan

Hiệu quả năng lượng (Energy Efficiency - EE) là gì? Hiệu qua năng

lượng được định nghĩa cho một frame là tỷ số giữa tổng dữ liệu đã trao đổi D, và công suất tiêu thụ tong Pp (Watt = Joule/Giây).

1.2.1 Lợi ích của việc sử dụng hiệu qua năng lượng

© Giảm thiểu chỉ phí vận hành hệ thống: Chi phí năng lượng chiếm một ty

lệ lớn trong vận hành hệ thống mạng di động Do vậy, sử dụng năng

lượng hiệu quả góp phan giảm thiểu chi phí hoạt động hệ thống.

© Góp phần bảo vệ môi trường: Biên đôi khí hậu ngày nay là một van đề toàn cầu Việc sử dụng hiệu quả năng lượng góp phan giảm thiểu khí thái

ra môi trường.

e Tăng tinh cạnh tranh: Việc giảm chi phí vận hành nhờ sử dụng hiệu quả

năng lượng cho phép cung cấp dịch vụ viễn thông với giá rẻ hơn Từ đó, giúp nhà mạng giảm thiểu giá thành dịch vụ.

e Tao diéu kiện mởi rộng thị trường: Việc sử dụng hiệu quả năng lượng

giúp nhà mạng tiết kiệm chỉ phí từ đó nhà mạng có thể sử dụng số tiền đó

tái đầu tư mở rộng thị trường.

1.2.2 Sự quan tâm của các tô chức quốc tế

1.2.2.1 Liên minh viễn thông quốc tế (ITU)

ITU-T, với vai trò là một tổ chức tiêu chuẩn quốc tế cũng đã và đang

quan tâm một cách sâu sắc đến vấn đề sử dụng hiệu quả năng lượng trong lĩnh

vực công nghệ thông tin ICT nói chung và viễn thông nói riêng ITU đã phối

hop với các tô chức, cơ quan khác nhau trên thế giới tổ chức các “Tuần tiêu

chuẩn xanh” (Green standards week).

1.2.2.2 Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Au (ETSI)

ETSI là tổ chức tiêu chuẩn hoá thiết bị viễn thông hàng đầu trên thế giới.

Một số uỷ ban kỹ thuật của ETSI như Environment Enginerring (EE) và

Access, Terminals, Transmission and Multiplexing (ATTM) đang tích cực

nghiên cứu các giải pháp dé tăng hiệu qua sử dụng năng lượng cua thiết bị viễn

thông nói chung và thiết bị mạng thông tin đi động nói riêng 1.2.2.3 Liên minh dự án thông tin di động thé hệ 3 (3GPP)

Tổ chức 3GPP đã tổ chức nhiều buổi hội thảo và đưa ra bàn luận, đánh giá các giải pháp về sử dụng hiệu quả năng lượng như: sử dụng các nguồn năng

lượng xanh thay thế, các kỹ thuật và công nghệ giúp cho giảm thiểu năng lượng

tiêu thụ và vận hành của hệ thống mạng.

1.2.2.4 Liên mình GreenTouch

GreenTouch được thành lập năm 2010 và là t6 chức liên minh bao gồm

hiệp hội công nghệ thông tin và truyền thông (ICT), các tổ chức nghiên cứu phi chính phủ và viện nghiên cứu, chuyên về truyền thông và mạng dữ liệu, trong đó bao gồm cả Internet Phạm vi hoạt động của liên minh này là nghiên cứu và

dé xuất các giải pháp nhằm giảm đáng ké lượng khí thải cacbon sinh ra từ các thiết bị, nền tảng phần cứng và mạng của ICT.

1.2.3 Kết luận chương

Như vậy, trong chương này chúng đã đi tìm hiểu một số vấn đề cơ bản

nhất của hệ thong MIMO cỡ rất lớn, ưu điểm, cũng như những thách thức mà chúng ta cần phải xem xét dé hệ thống áp dụng được trong thực tế có hiệu quả Ngoài ra, thông qua trình bày trên ta thấy được tầm quan trọng của vấn đề hiệu quả năng lượng đối với các hệ thống thông tin.

Chương2 HIỆU QUÁ NANG LƯỢNG TRONG HỆ THONG

MIMO CO RAT LỚN

2.1 Hệ thống thông tin MIMO cỡ rat lớn da cell

Xét một hệ thống mạng tế bào với C cell Mỗi trạm gốc có cấu hình N,

ăngten, phục vụ đồng thời cho U người dùng được phân bố một cách ngẫu nhiêu trong cell và thiết bị đầu cuối người dùng sử dụng là ăngten đơn Trong đó N,>U>1 và hệ thống mạng sử dụng giao thức truyền song công phân chia

theo thời gian TDD với sử dụng lại tần số Hình 2.1 mô tả hệ thống đang xét.

3 =¢ ¬ , PĐ Hf Các phan tử anten của trạm gốc

9g ; UE, ——> Kênh mong muốn

= = > Kênh nhiễu

Hình 2.1: Mô hình hệ thống MIMO cỡ rat lớn da cell da người dùng

Chúng ta sử dụng kênh phăng tần số Chúng ta cũng xem xét mô hình kênh fading khối quasi-static trong đó hệ số kênh không đổi trong một khung nhưng thay đổi từ khung này tới khung khác.

— /,1⁄2

Nye, ~~ beuŠ beu

Trong đó, chi sô w là chỉ sô người dùng, c là chi sô cua cell và b là chỉ

sô trạm gôộc Còn g„„C”””là vector kênh fading nhanh và /„„ là giá trị xác

định của các hệ số fading cỡ rộng bao gồm những ảnh hưởng như suy hao đường truyền, hiện tượng bóng râm, suy hao do đâu xuyên qua tòa nhà.

Giả sử rằng tất cả các cell chia sẻ cùng tập hoa tiêu trực giao từng đôi

vec”? trong đó wy" =7,l„ Và 7z„,>U Ở giai đoạn training, trạm gốc thu

Y„, = VP, yay +Z.,

Trong đó, p, la ti số tin hiệu trên tap âm trung bình SNR trong giai đoạn training, Z„„ eCŒ”””là ma trận tạp âm tai trạm gốc b mà các cột là phân bố

đồng nhất và độc lập Sau khi tương quan Y,,với W, trạm gốc b thu được kết

quả như dưới đây từ vector người dùng u €U,

Trạm gốc b sau đó thực hiện ước lượng bằng kỹ thuật sai số quân phương tối thiêu MMSE, khi đó thu được kết quả ước lượng kênh như sau:

O đường lên, các người dùng gửi dữ liệu liên tục tới những trạm gôc ma

phục vụ chúng Trạm sốc b thu được tín hiệu:

Cc U

up — \ø.>) DV MreuX eu + Zrb

c=l u=l

Tín hiệu nhận được sau quá trình xử lý tách x,„„ là:

Ye bu =P, >3 eur, r,cu + WZ;c=l u=l

Ở đường xuống, người dùng w trong cell 6 thu được tín hiệu như sau:

Ver, bu =P ard Va Nj c Nagy FX pcx + LP buc=l u=l

Lin Efe

2.2 Phan tích hiệu quả nang lượng

Trong đó 4,:=<c~——— là phan tử chuẩn hóa.

2.2.1 Phân tích tốc độ đạt được

Chúng ta giả sử răng các trạm gốc sử dụng quá trình xử lý kết hợp tỷ số

tối đa tuyến tính đơn giản MRC hoặc truyền tỷ số tối đa tuyến tính đơn giản

MRT được dựa trên ước lượng kênh, khi đó w,,=h,,,, và f,, =h,,, Sử dụng

phương pháp tương đương tất định để xấp xỉ tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu đạt được và tốc độ của người dùng u trong cell b.

2.2.1.1 Tốc độ ở đường lên

Ty lệ tín hiệu trên tín hiệu va tạp âm tương đương tất định của người

dùng u trong cell b:

Trong do:

Tốc độ đạt được trên đường lên tương đương tất định tương ứng của

người dùng trong cell b là:

Rou (z, N,) = log, [1 + Tea (z, k N, )|

Tốc độ đạt được ở đường xuống tương đương tất định tương ứng của

người dùng trong cell b là:

Roy (z„ , ) =log; [I+7i„ (z„ N, )|

Khi đó, ta có tốc độ tông chưa chuẩn hóa tương đương tất định trong cell

b trong frame a là:

2.2.2 Phân tích công suất tiêu thụ

2.2.2.1 Phân tích công suất bức xạ

Công suất bức xạ tông trong một frame là:

Pep (c,) = Peep + ấp „+ Pep

= + +

Nur Nut 2s;

Nog Ibs ° 2Mye - 217p

Trong đó, 7,; là hiệu năng bộ khếch đại công suất tại trạm gốc và 7,, là hiệu năng bộ khếch đại công suất tại những người dùng, 0< z,.zy„ <1 Prp_, Và P.,., là công suất bức xạ của các người dùng trong một cell trong giai đoạn training và trong giai đoạn truyền dữ liệu đường lên Và P,,., là công suất bức

xạ của trạm gốc trong suốt quá trình truyền dữ liệu đường xuống Các biến là

độc lập với N,.

2.2.2.2 Phân tích công suất tiêu thụ mạch

Thứ nhất, gọi P, là công suất tiêu thụ của các chuỗi máy thu phát Khi đó

ta có:

Frc (N,) =(N,Pas +Uh„)1,

P„ là công suất tiêu thụ của các các phần tử mạch dành riêng cho một

ăngten trạm gốc và P,, là công suất tiêu thụ các phần tử mạch dành cho một

người dùng đơn ăngten.

Thứ hai, gọi P„ là công suất tiêu thụ của quá trình ước lượng kênh Khi

đó ta có:

P.„(r„.N,)= r rÝp

Trong đó, L,,, „là hiệu năng tính toán trong mục các phép toán số học giá trị phức trên Jun (flop/wat) tại trạm gốc và những người dùng.

Thứ ba, gọi P„„, là công suất tiêu thụ của các đơn vị mã hóa và giải mã

Thứ tư, gọi P,,,, là công suất tiêu thụ tổng của phần backhaul phụ thuộc

vào tai cua cell b Khi đó ta có:

Trong đó, P,, là phần công suất tiêu thụ phụ thuộc vào tải trên một bít và công suất nay tương tự cho ca đường lên và đường xuống.

Thứ năm, gọi P,, là công suất tiêu thụ của quá trình xử lý tuyến tính Khi

đó, ta có:

hp (r„N,)= L,, |3+2(z, -r,) |

Cuôi cùng, gọi P„, là công suât tiêu thụ cô định được sử dụng cho quạtlàm mát, báo hiệu điêu khiên, và công suât phụ thuộc vào tải của kiên trúc hạ

tang backhaul, bộ dao động nội và bộ xử lý băng gốc.

Công suất tiêu thụ mạch tổng của cell b trong một frame, ký hiệu là Pp,

Pops (r„.N,)= Par + Fre (N,) + Pee (z,.N,)

+Peipy (T,+N,) + Pana (Tp»N,)+ Pre (z, >, )

2.2.2.3 Công suất tiêu thụ tổng

Theo phân tích ở trên, ta có công suất tiêu thụ tổng được định nghĩa là:

P.,(z,.N,) = Pø(r„)+ P„(z„.N,)

2.2.3 Hiệu qua năng lượng

Goi EE, là hiểu quả năng lượng của cell b Theo định nghĩa ta có:

T, =1), (z,.N,)

rE, (z,.N,) =‘

Khi đó, hiệu quả năng lượng tương đương tất định của cell b trong một

frame được định nghĩa là:

2.3 Kết luận chương

Trong chương này, chúng ta tìm hiểu hệ thống MIMO cỡ rất lớn đa cell và đưa ra những phân tích về hiệu quả năng lượng của hệ thống Từ đó, hệ

thống hóa thành công thức toán học sử dụng mô phỏng đánh giá trong chương

3.

Chuong 3 | MÔ PHONG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUA NANG

LƯỢNG TRONG HE THONG MIMO CO RAT LỚN

3.1 Mô tả ngữ cảnh mô phóng

Học viên sử dụng bộ chương trình mô phỏng mMIMOsim viết bằng ngôn

ngữ Matlab được phát triển bởi nhóm nghiên cứu của TS Trương Trung

Kiên(mà học viên là một thành viên) để mô phỏng một mạng thông tin di động

có 7 cell (hay 7 ô tế bào) hình lục giác đều.

Trạm sốc của mỗi cell được đặt ở tâm cell trong khi các thiết bị đầu cuối người sử dụng (User Equipment hay UE) mà trạm gốc đó phục vụ được phân

bố đều trong diện tích của cell tương ứng Các trạm gốc có số lượng ăngten

băng nhau trong khi các UE đều chỉ có 01 ăngten Bảng 3.1 trình bày một số tham số chính được sử dụng trong mô phỏng.

Bảng 3.1: Các tham số hệ thống chính được sử dụng trong mô phỏng

Tên tham sô Giá trị và mô tả

Mô hình suy hao đường truyền 128,1 + 37,6 logio(d), trong đó

d>35m là khoảng cách truyền

dẫn tính theo đơn vị km

Loại ăngten ở UE Đăng hướng

Công suất phát của UE ở đường lên |24đBm (trong cả quá trình

truyền chuỗi hoa tiêu và quá trình truyền đữ liệu)

Công suất phát của trạm gốc ở đường 43dBm

Tần số sóng mang 2GHz