Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Nâng cao hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng trong mạng vô tuyến Mimo song công

Trong mô hình cuối, luận văn kếthợp kỹ thuật vô tuyến nhận thức CR vào mô hình MU-MIMO song công chia sẻ phổ tần, qua đó thiết kế tối ưu tổng tốc độ hệ thống dưới các ràng buộc can nhiễu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYEN XUAN XINH

NANG CAO HIEU SUAT PHO VA HIEU SUATNANG LUONG TRONG MANG VO TUYEN

MIMO SONG CONG

ENHANCING SPECTRAL EFFICIENCY ANDENERGY EFFICIENCY IN FULL DUPLEX

MIMO WIRELESS NETWORKS

Chuyên ngành: KY THUẬT VIÊN THONGMã số: 60.52.02.08

LUẬN VÁN THẠC SĨ

TP HO CHI MINH, thang 01 năm 2019

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠITRUONG ĐẠI HỌC BACH KHOA — ĐHQG HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Hà Hoàng Kha

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Võ Nguyễn Quốc Bao

Cán bộ cham nhận xét 2: PGS TS Đỗ Hồng Tuan

Luận văn thạc si được bao vệ tại Trường Dai học Bach Khoa, DHQG TP HCMngày 11 tháng 01 năm 2019

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch: GS TS Lê Tiến Thường2 Thư ký: TS Trịnh Xuân Dũng3 Phản biện 1: PGS TS Võ Nguyễn Quốc Bao4 Phản biện 2: PGS TS Đỗ Hồng Tuan

5 Uỷ viên: PGS TS Phạm Hong Liên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyênngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI DONG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYEN XUAN XINH MSHV: 1670331Ngày, tháng, năm sinh: 15/04/1993 Nơi sinh: Đồng NaiChuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mãsố: 60.52.02.08I TÊN DE TÀI: Nâng cao hiệu suất phố và hiệu suất năng lượng trong mạng vô

tuyên MIMO song côngII NHIEM VỤ VÀ NOI DUNG:

- Tìm hiểu ly thuyết hệ thống thông tin vô tuyến MIMO hoạt động ở chế độ songcông Phân tích hiệu suất phô và hiệu suất năng lượng của hệ thông MIMO song công.- — Thiết kế khối xử lý tín hiệu phát va thu hiệu qua để nâng cao hiệu suất phô hoặchiệu suất năng lượng của hệ thống.

- Mô phỏng, đánh giá hiệu suất phd và hiệu suất năng lượng trong mang vô tuyếnMIMO song công

- Mô hình toán hoc cho hệ thống MIMO song công, va dé xuất giải pháp nâng caohiệu suất phổ hoặc hiệu suất năng lượng của hệ thống.

- Chương trình mô phỏng phân tích và đánh gia hiệu qua của các giải pháp đạt được.II NGÀY GIAO NHIỆM VU: 10/07/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 17/02/2018V CÁN BỘ HƯỚNG DÂN: PGS TS Hà Hoàng Kha

Tp HCM, ngày 13 thang 07 năm 2017CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Người thầyhướng dẫn PGS TS Hà Hoàng Kha Em rất cảm ơn Thầy đã dành nhữnghướng dẫn nhiệt tình về chuyên môn và cả những khích lệ, động viên trongnhững Em lúc gặp vẫn đề khó khăn trong quá trình viết luận văn hay trong

các vấn đề cuộc sống đời thường để giúp Em hoàn thành luận văn này cách

tốt nhất Nhờ có Thay, Em không chỉ học được kiến thức chuyên môn ma còn

là cách làm việc, học tập một cách nghiêm túc và chuyên nghiệp Bên cạnh

đó, Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô trong bộ môn Viễn Thôngtrường Dại học Bách Khoa TP.HCM Bởi trong suốt chương trình học ThạcSĩ, các thầy cô đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo và cung cấp rất nhiều kiến thức

chuyên môn liên quan Những bài giảng, tài liệu tham khảo đã giúp ích cho

Em rất nhiều trong quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn này.Và trên hết, đó là lòng biết ơn vô vàn đối với Gia Dinh, chính ho đã tạo cho

Em nhiều động lực và cho Em những điều kiện tốt nhất để có thể hoàn thànhluận văn thạc sĩ này.

Cuối cùng, xin gửi lời cám ơn đến các cộng sự đã luôn chia sẻ, giúp đỡ

Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 12 năm 2018

Nguyễn Xuân Xinh

TÓM TẮT

Trong hơn một thập kỷ vừa qua, sự xuất hiện của các thiết bị thông minh(như điện thoại, máy tính bang, các thiết bị kế nối vô tuyến thông minh) kèmtheo đó là các dịch vụ và ứng dụng khai thác, truy cập dữ liệu trực tuyến (như

trò chơi, giải trí, mua bán, giao dich trực tuyến) đã đóng góp đáng ké vào sựgia tăng lưu lượng thông tin khong lồ trong hệ thống thông tin, đặc biệt là

hệ thống thông tin vô tuyến khi các kết nối có xu hướng di động, linh hoạtvà được thực hiện ở bất kỳ nơi nào Theo thống kê số lượng các thiết bị và

kết nối vô tuyến đã gia tăng đáng kể theo từng năm và được dự báo sẽ tiếp

tục tăng và đạt gấp nhiều lần trong các năm kế tiếp Với sự gia tăng cả về sốlượng kết nối và lưu lượng thông tin, hệ thông thông tin vô tuyến thế hệ thứ

5 (5G) đã và đang cứu các giải pháp để cả nâng cao hiệu năng sử dụng phovà năng lượng Trong đó, giải pháp kỹ thuật đa ngõ vào đa ngõ ra (MIMO)cùng với truyền thông song công (FD) là các kỹ thuật triển vọng để cải thiệnhiệu suất sử dụng phổ

Do đó, luận văn nghiên cứu những khó khăn trong hệ thống MU-MIMO songcông đặc biệt là về tự can nhiễu và can nhiễu liên người dùng, và tìm các giải

pháp để thiết kế tiền mã hoá tối ưu Thứ nhất, luận văn thiết kế các bộ tiềnmã hoá trong tối đa hoá tổng hiệu suất pho (SE) của hệ thống MU-MIMOsong công Thứ hai, sự phối hợp thiết kế giữa các tế bào để đạt được tối ưu

hiệu suất năng lượng (EE) được thực hiện Trong mô hình cuối, luận văn kếthợp kỹ thuật vô tuyến nhận thức (CR) vào mô hình MU-MIMO song công

chia sẻ phổ tần, qua đó thiết kế tối ưu tổng tốc độ hệ thống dưới các ràng

buộc can nhiễu cho phép Cuối cùng, mô phỏng số liệu máy tính được trình

bay chi tiết để kiểm chứng tính hiệu quả của các thiết kế trong luận văn, khiđược đem so sánh với các phương pháp hiện có.

Over the past decade, the appearance of smart devices (such as smart phone, tablet, smartwireless-connected devices), online services and applications (e.g., game online, entertain-ment, online transactions) have distributed a considerable increase in data traffic intocommunication systems, particularly wireless communication systems due to their mobil-ity, flexibility and anywhere of connections According to recent statistics, the number ofwireless devices and wireless connections are remarkably grown every year and it is fore-cast that this number will keep rising many folds in the next years With an increasing inboth wireless connections and data traffic, the fifth generation (5G) of wireless networkshas been focusing on the technical approaches to improve the spectral efficiency and en-ergy efficiency Among them, the multiple-input multiple-output (MIMO) and full-duplex(FD) transmission are potential techniques for spectral efficiency improvement

Therefore, this thesis studies the challenges of full-duplex MU-MIMO systems, e.g.,the problems of self-interference and multi-user interference, and finds the optimal pre-coding designs Firstly, the thesis focuses on designing precoder matrices to maximizethe system throughput (spectral efficiency (SE)) in FD MU-MIMO network Secondly,the coordinating designs among cells for optimal energy efficiency (EE) are addressed.In the last model, this thesis invokes cognitive radio (CR) spectrum sharing into theFD MU-MIMO mode and then designs the precoders to maximize the sum-rate underthe allowable interference constraints Finally, the numerical simulations were conductedto verify the effectiveness of designed precoders in this thesis as compared to the priorconventional methods.

LOI CAM DOAN

Em tên Nguyễn Xuân Xinh, là học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Viễn Thông,

khóa 2016, tại Dại Học Quốc Gia TP.HCM - Trường Dại Học Bách Khoa Thành Phố HồChí Minh Em xin cam đoan những nội dung sau đều là sự thật:

- Công trình nghiên cứu này hoàn toàn do chính em thực hiện trong suốt quá trìnhthực hiện đề tài dưới sự hướng dẫn của PGS TS Hà Hoàng Kha

- Các tài liệu và các trích dẫn trong luận văn đều được tham khảo từ các nguồn thựctế, uy tín và độ chính xác cao

- Các số liệu và kết quả mô phỏng được thực hiện một cách độc lập và hoàn toàn

trung thực.

Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 12 năm 2018

Nguyễn Xuân Xinh

1.1.1 Yêu cầu kỹ thuật cho mạng vô tuyến thế hệ thứ 5- 5G

1.1.2 Xu hướng tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu di động 1.1.3 Mức tiêu thụ năng lượng trong ngành viễn thong 4

1.2 Lý do chọn đề tài xxx va 6

1.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận van ) le F

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cttu ẶẶ Ặ Q Q So 81.4.1 Đối tượng nghiên ctu 2 ra 8

1.4.2 Phạm vi nghiên ctu va 31.5 Phương pháp nghiên đỨU 2 0200002 2 ae 3

1.6 Bố cục của luận văn cà xxx và 9

1.7 Các bài báo đã hoàn thành trong luận văn Ũ

2 TONG QUAN CÁC VAN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ LY THUYET LIÊN

2.1 Kỹ thuật đa ngõ vào đa ngõ ra MIMO 412.1.1 MIMO điểm đếnđim 212.1.2 MIMO đa người dùng (MU-MIMO) 122.1.3 Massive MIMO 0.0.00 00002 ee k r va 12

2.2 Truyền thông vô tuyến song công (FD) 13

2.2.2 Phương pháp loại bỏ tự can nhiễu trong thông tin vô tuyến song công 16

22.21 — Triệt tự can nhiễu thụ động 17

2.2.2.2 Triệt tự can nhiễu trên miền tương tự 18

2.2.2.3 Triệt tự can nhiễu trên mềnsỐố 19

2.2.2.4 Mô hình ứng dụng của song công trong thông tin vô tuyến 212.2.3 Vô tuyến song công trong mạng thong tin t6é bao 21

Vấn đề truyền thông xanh Q2 22Mạng vô tuyến nhận thtte CR 0.000.000 00000 ee 23Ly thuyết cơ bản về toán tối ưu Q2 252.5.1 Bài toán tối ưu cơ ban Q.2 2525.2 Tốiưulồi cà en 262.5.3 Bài toán tối ưu hàm mục tiêu dang phân sO 27

2.5.3.1 Cơ bản của hàm tựa-lõm 27

2.5.3.2 Giải thuật Dinkelbach cho tối ưu phân số lõm-lồi 27

2.5.4 Phương pháp lặp cho bài toán tối ưu không lỗi 28

2.5.4.1 Phương pháp Majorization-Minimization (MM) 28

2.5.4.2 Giải thuật tối ưu lỗi tuần tự - SCP 29

2.5.4.3 Giải thuật lặp SCP dựa trên DC 30

Kết luận chương Q Q Q Q Q Q Q Q g v v v vn 303 THIẾT KE TIỀN MÃ HOÁ TOI ĐA HIỆU SUẤT PHO TRONG FDMIMO 313.1 Gidithiéu 2 ng v v v va 313.2 Mô hình hệ thống MU-MIMO song công và bài toán tối ưu hiệu suất phổ 333.3 Thiết kế bộ tiền mã hoá cho hệ thống MU-MIMO song công 35

3.3.1 Thiết kế bộ tiền xử lý toiwu 2 35

3.3.2 Thiết kế phân bổ công suất đều 38

3.4 Kết quả mô phỏng và nhận xết Q Q Q Q Q Q QQ 383.4.1 Mô phỏng 1: Đặc tính hội tu của thuật toán tốiưu 38

3.93.4.2 Mô phỏng 2: Sự thay đổi của tong tốc độ theo công suất phát cực đại 39

3.4.3 Mô phỏng 3: Ảnh hưởng của mức độ tự can nhiễu đến hiệu năng

hệ thống Ặ Q Q Q Q Q Q Q Q v v v xv 2 40Kết luận chương Q Q Q Q Q Q Q Q g v v v vn 40

ll

5 TIỀN MÃ HOA CHO CR FD MU-MIMO VỚI CSI KHÔNG HOÀN

HẢO 54

5.1 Gidithiéu On va v v g v v và v va ĐO

5.2 Mô hình hệ thống Ặ 200000000 v 2 56

5.2.1 Mô hình tínhiệu 0 0020000.000 0.000048 Sí

5.2.2 Các ràng buộc bền vững của công suất can nhiễu 59

5.3 Thiết kế bộ tiền mã hoá bền vững cho tối da hoá tổng tốc độ kênh của hệ

thống FD MU-MIMO 20.0.000 0.000000 bee 60

5.3.1 Bài toán tối đa hoá tổng dung lượng 605.3.2 Biến đổi hiệu của hai hàm lõm cho hàm mục tiêu 615.3.3 Biến doi LMI cho các ràng buộc công suất can nhiễu bền vững tại

PU OQ Quà và và Q à v v v va 62

5.4 Kết quả mô phong 2 0000 Q Q Q Q vxv 2 65

5.4.1 Trường hợp mô phóng 1: Đặc tính hội tụ của giải thuật và CDF

can nhiễu tạ PU Q2 TT va 669.4.2 Trường hợp mô phỏng 2: Ảnh hưởng của mức độ sai lệnh trong kênh

SU-PU Channel lên chất lượng hệ thống 66

6 KET LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU KE TIẾP 72

6.1 Kết luận chung va 726.2 Hudng nghiên cứu ké tiép 2 ee 736.2.1 Thông tin kênh truyền không hoàn hao 736.2.2 Sự suy hao phan cứng thu-phat 736.2.3 Bảo mật trong hệ thống song công 0 736.2.4 Truyền đồng thời thong tin va năng lượng 74

Tai liéu tham khao 75

1

Danh sách hình ve

1.11.21.3

1.4

2.12.22.3

2.4

2.92.6

2.7

3.13.23.33.4

414.2

4.3

4.4

5.1

Những yêu cầu về chat lượng va hiệu năng trong mang 5G (5G Flower [ï])

Sự gia tăng lưu lượng dữ liệu di động trong năm 2016 của các khu vực [2] 3

Dự báo nhu cầu lưu lượng dt liệu di động hằng tháng giai đoạn 2016-2021

aTy lệ của sự tiêu thụ năng lượng tai trạm gốc BS với các trường hợp triển

khai tế bào khác nhau (Nguồn EARTH Project [Ì)

Mô hình MIMO điểm-đến-điểm [‡] Mô hình MIMO đa người dùng đường lên [3| Le

Mô hình MIMO da người dùng đường xuống |4]| lí

Các công suất thành phần của tín hiệu phát cho mô hình WIEi điển hình sử

dụng băng thông 80MHz (nửa trái) và yêu cầu trong loại bỏ tự can nhiễutrên miền tương tự và miền số (nửa phải) |] so.Ứng dụng của kỹ thuật song công truyền thông vô tuyến [ö] Dinh hướng giải pháp kỹ thuật cho truyền thông xanh [ï] Ba loại chính của vô tuyến nhận thứcCR 4

Mô hình hệ thống của một mang vô tuyến MU-MIMO song công đa tế bào đã

Đặc điểm hội tụ của Thuật toán 3 cho các giá trị khác nhau của quỹ công

suất phất gà v xxx xxx V Bt

Tong hiệu suất năng lượng (EE) trung bình với các bộ tiền mã hoá được

thiết kế bằng tối ưu EE và SE .Ặ Q2 5

Tổng tốc độ trung bình với các bộ tiền mã hoá được thiết kế tối ưu EE và

1V

DANH SÁCH HÌNH VẼ

5.2 Độ hội tụ của giải thuật với các giá tri khác nhau của +pụ và v trong mộttrường hợp cu thể của kênh truyền và vị trí người dùng 67

5.3 Ham tích luy xác suất (CDF) của công suất can nhiễu với ypy = —60 dBm

và các giá tri khác nhau của độ sai lệch kénhv 685.4 Tong tốc độ tối đa như một ham của công suất can nhiễu với các giá trị

F108 neoi 8 2 aa T 695.5 Tổng tốc độ tối đa trung bình theo mức sai số kênh truyền với các giá trị

khác nhau của ypy - - - cà gà kg TT va 705.6 Tong công suất phat trung bình thay đổi theo mức sai số kênh với các giá

trị khác nhau cla pỤ - - cv và v.v va 71

Danh sách bảng

2.1 So sánh hiệu năng của mô hình FD và HD |S] 16

5.1 Tham số mô phỏng cho hệ thống vô tuyến nhận thức MU-MIMO song công 6ä

Mái

at tat

Fourth GenerationFifth GenerationAnalog-to-Digital ConvertAutomatic Gain ControlAdditive White Gaussian NoiseBase Station

Co-Channel InterferenceCumulative Distribution FunctionCoordinate Multi-Point

Cognitive RadioCloud Radio Access NetworkChannel State InformationDifference of two Convex functionsDownlink

Downlink UserDegree of FreedomEnergy EfficiencyFull-DuplexFull-Duplex CommunicationFrequency Division Multiple AccessHalf Duplex

Identical and Independence DistributionInterference Alignment

Vil

Từ viết tắt

ICICTLMILoSMACMAC-BCMIMOMISOMMSEMSEMU-MIMONLoSPAPUQosRASCPSESISICSINRSISOSNRSUSU-MIMOSVDTDMAULULUZF

Interference ChannelInformation and Communications TechnologyLinear Matrix Inequality

Line-of-SightMedium Access ControlMultiple Access Channel-Broadcast ChannelMultiple-Input Multiple-Output

Multiple-Input Single-OutputMinimum Mean Square ErrorMean Square Error

Multi-User Multiple-Input Multiple-OutputNon Line-of-Sight

Power AmplifierPrimary UserQuality of ServiceRadio AccessSequential Convex ProgrammingSpectral Efficiency

Self InterferenceSuccessive Interference CancellationSignal to Interference plus Noise RatioSingle-Input Single-Output

Signal to Noise RatioSecondary UserSingle-User Multiple-Input Multiple-OutputSingular Value Decomposition

Time Division Multiple AccessUplink

Uplink UserZero-Forcing

vill

Danh sách lưu đồ giải thuật

Giải thuật Dinkelbach cho bài toán phân số lồi- lõm

Giải thuật lặp cho tối đa hoá hiệu suất pho

Thuật toán lặp cho tối ưu hiệu suất năng lượng Giải thuật bền vitng tôi đa hoá SE

Hn> W BD fF

1X

Chương 1

MỞ ĐẦU

Trong chương mở đầu, luận văn trình bày về cơ sở hình thành vấn đề nghiên cứu (yêucầu trong mạng vô tuyến thế hệ tiếp theo, nhu cầu sử dụng lưu lượng đữ liệu, mức tiêuthụ năng lượng ngành viễn thông) từ đó nêu lên lý do lựa chọn đề tài Tiếp theo đó,chương này giới thiệu mục tiêu và nhiệm vụ, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phươngpháp nghiên cứu và bố cục luận văn Mục cuối cùng liệt kê các công trình được công bố

trong khi thực hiện luận văn.

1.1 Đặt vẫn đề nghiên cứu

Trong phần này, luận văn trình bày tổng quan về tình hình phát triển của kỹ thuật thôngtin và truyền thông, nhu cầu lưu lượng dữ liệu và xu hướng chuyển đổi giữa yêu cầu tốiưu hiệu suất phổ tần (SE) dần sang tối ưu hiệu suất năng lượng (EE) Những yếu tố nàycũng là mục đích, động cơ và ý nghĩa cấp thiết để thực hiện luận văn này

1.1.1 Yêu cầu kỹ thuật cho mang vô tuyến thế hệ thứ 5 - 5GTrong bối cảnh phát triển của các thế hệ thông tin vô tuyến từ 1G đến 5G và các thế hệ

kế tiếp, mạng thông tin vô tuyến thế hệ thứ 5 - WC5G (Wireless communications fifthgeneration - WC5G) đặt ra các yêu cầu và thách thức mới về cả dịch vụ và sự vận hành

hiệu quả [i] Cu thể, về chất lượng dịch vụ (QoS), WC5G cần phải đáp ứng sáu yêu cầu

Hình 1.1: Những yêu cầu về chat lượng và hiệu năng trong mang 5G (5G Flower [1)).

e Do trễ đầu cuối đến đầu cuôi: Dat ở mức mili giây (ms) cho các kết nối đáp ứng

e Hiệu suất pho tần: được cải thiện cho dap ứng tốc độ cao và mật độ dày của cácthiết bị

e Hiệu suất năng lượng: thiết kế xanh và thân thiện với môi trường.e Hiệu quả kinh tế: ngoài 2 yếu tố kể trên, việc đầu tư có hiệu quả kinh tế cao trong

triển khai hạ tầng cơ sở cũng được quan tâm.Hình 1.1 biểu diễn an dụ các yêu cầu kỹ thuật của WC5G là một bông hoa với các

cánh hoa tượng trưng cho sự đồng đều về chat lượng dich vu (QoS), và các lá tượng trưng

2

1 MO DAU

cho tinh v@én hành hiệu qua Bong hoa trên được gọi là bông hoa 5G (5G flower) [1] Cóthể thấy trong Hình 1.1, các yêu cầu chất lượng của mang 5G đều cao hơn so với mang

thế hệ thứ tư - 4G trước đó Diều này đặt ra các nhiệm vụ nghiên cứu mới về cả thiết kế

và triển khai để có thể đạt các mục tiêu nêu trên về QoS và tính hiệu quả.Để góp phần giải quyết các yêu cầu cho mạng WC5G nêu trên, luận văn này hướng

tới mục tiêu nghiên cứu và thiết kế giải pháp cho việc đáp ứng yêu cầu về nâng cao tốc độ

di liệu trong yêu cầu QoS (được biết đến là cải thiện hiệu suất phổ SE) cũng như hiệu

suất năng lượng EE trong yêu cầu vận hành hiệu quả Dây cũng chính là mục tiêu chính

của luận văn Trong các tiểu mục tiếp theo, các số liệu thống kê và dự báo của việc hình

thành hai yêu cầu cấp thiết nêu trên sẽ được trình bày làm rõ

1.1.2 Xu hướng tăng trưởng của lưu lượng dữ liệu di động

Nam My DAO 44 0,

Tay Âu NN 52°

Trung va Đông Châu Au fo 64 %

My La Tinh (6s

Chau A, Thái Bình Duong SII 71

Trung đông va chau phi yas %

0 20 40 60 80 100

Hình 1.2: Sự gia tăng lưu lượng dit liệu di động trong năm 2016 của các khu vực [2].Trong xu thế phát triển nhanh chóng và toàn cầu hoá của hệ thống và kỹ thuật thông

tin và truyền thong (ICT), đặc biệt là thông tin vô tuyến, các thống kê va dự báo về tốc

độ cũng như xu hướng phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến được công ty Cisco

trong giai đoạn 2016 — 2021 chỉ ra rằng kết nối vô tuyến sẽ tăng cả về số lượng, chất lượngvà độ thông minh của mạng kết nối [2] Một số van đề chính về thông tin vô tuyến giaiđoạn 5 năm (2016 — 2021) được thống kê và ước lượng như sau

Tổng lưu lượng dit liệu di động tăng 63% trong năm 2016 so với năm trước đó 2015.Trong đó tổng lưu lượng của các vùng gia tăng nhanh và được biểu diễn trong Hình 1.2

Cu thé, Trung Dong và Châu Phi có tốc độ cao nhất (96%), kế đến là Chau A Thái Bình

Dương là 71%, trung và đông Âu tăng 64%, Tây Âu gia tăng 52%, và tỷ lệ tăng của BắcMỹ là 44% trong năm 2016 Một số quốc gia có tốc độ gia tăng lớn phải kể đến nhưIndonesia, Trung Quốc và Ấn Dộ với tốc độ tăng tương ứng là là 142%, 86% và 76% Dự

3

35

2417

Hình 1.3: Dự báo nhu cầu lưu lượng đữ liệu di động hang tháng giai đoạn 2016-2021 [2]

báo về lưu lượng dit liệu di động trong Hình 1.3 cho thấy, nhu cầu sử dung dif liệu tăngđều và sẽ đạt 49 Exabytes (EB) (1 EB = 1 tỷ GB) mỗi tháng vào năm 2021, gấp 7 lầnso với năm 2016 Và tỷ lệ tăng trưởng phức hằng năm (Compound Annual Growth Rate- CAGR) lên tới 47% từ năm 2016 đến 2021

Qua số liệu trên, có thể thấy một con số khong lồ của nhu cầu lưu lượng thông tin di

động Tuy nhiên, theo lý thuyết cơ sở của dung lượng kênh thông tin vô tuyến (lý thuyết

Shannon), để nâng cao dung lượng kênh vô tuyến hoặc phải tăng băng thông kênh hoặc

tăng được tỷ số tín hiệu trên nhiễu Vì thế, gần đây nhiều công trình nghiên cứu về van

đề này, ví dụ như giải pháp nâng cao hiệu suất phổ hay tái sử dụng nguồn tài nguyên phổtần hay tìm kiếm dải phổ thay thé Trong luận văn này, kỹ thuật giải quyết can nhiễu vàbài toán nâng cao hiệu suất phổ tần sẽ được xem xét và thiết kế lại để đáp ứng mục tiêu

nâng cao hiệu suất pho tan

1.1.3 Mức tiêu thụ năng lượng trong ngành viễn thông

Với sự phát triển nhanh chóng và rộng rãi của kỹ thuật thông tin và truyền thong (ICT)đã trình bày trong tiểu mục 1.1.2, một vấn đề nảy sinh tất yếu chính là tiêu thụ nănglượng cũng sẽ gia tăng.

Hình 1.4 mô tả tỷ lệ mức tiêu thụ năng lượng của một trạm gốc BS trong hệ thống

di động tế bào Trong các biểu đồ ở Hình 1.4, rõ ràng rằng hai tỷ lệ tiêu thụ năng lượng

nhiều nhất đó là phần khuếch đại công suất - PA và xử lý giải nền - BB Ở mô hình

Macro cell, phần khuếch đại công suất chiếm 57% tổng năng lượng tiêu thu, và giảm dan

ở các hệ thống Micro cell là 38%, pico cell là 28% và Femto cell là 22% Dối với phần xửlý giải nền, mô hình Eemto cell có tỷ lệ tiêu thụ năng lượng nhiều nhất là 47%, kế đến là

pico cell 41%, kế tiếp là Micro cell là 38%, cuối cùng là Macro cell 13% Như vậy, có thể

4

MACRO CELL MICRO CELL

Lam mat

10%

PABB 57%

BB41% BB

47%

MS11%MS

11%

DC - DCRE DC ; DC

14% 8% 12%PA: khuếch dai công suat, MS: cung cap chinh,

ĐC — DC: chuyền đổi nguồn, =7; vô tuyến, BB: xu lý giải nên.

Hình 1.4: Tỷ lệ của sự tiêu thụ năng lượng tại trạm gốc BS với các trường hợp triển khai

tế bào khác nhau (Nguồn EARTH Project [3])

cải thiện đáng kế hiệu suất sử dụng năng lượng khi trực tiếp tác động vào hai phần tiêuthụ năng lượng có tỷ lệ lớn này.

Hơn nữa, sự tiêu thụ năng lượng của ngành công nghiệp viễn thông nói chung và của

1 MO DAU

các thiết bi di động nói riêng được nhận định là thuộc nhóm các ngành tiêu thụ năng

lượng lớn (ví dụ như, Telecom Italia là công ty tiêu thụ điện thứ hai tại Italia như trongtài liệu [9]), và xét trên tong thể, sự tiêu thu năng lượng của mang di động dang gia tăngnhanh hơn kỹ thuật ICT [9] Ngoài ra, với sự gia tăng đáng kể của các thiết bị thông

minh và kết nối vô tuyến đang trở nên được ưa chuộng hơn, thì việc tiêu thụ năng lượng

của các kết nối vô tuyến sẽ gia tăng một cách đáng kể nếu không có các biện pháp phùhợp được áp dụng Theo thống kê trong [10, 11, 12], lượng năng lượng tiêu thụ khổng lồ

tại các trạm gốc (BS) dẫn đến tiêu tốn chỉ phí cao trong truyền thông vô tuyến Hơn 50%năng lượng được sử dụng cho phần truy cập vô tuyến (RA), và 50% — 80% được sử dụngcho phần khuếch đại công suất (PA) Cũng theo [12], chi phí năng lượng xấp xỉ 18% củatổng chi phí trong thị trường Châu Âu và hon 32% tại Ấn Dộ.

Sự ảnh hưởng của van đề năng lượng có thể được thể hiện qua ba khía cạnh sau:

e Về khía cạnh người phát triển hệ thống, để giảm chi phí vận hành, hoạt động dựatrên giảm năng lượng tiêu thụ, một số các công ty lớn đã bắt đầu các dự án về hiệu

qua năng lượng như Huawei với tên gọi “Green Communications, Green Huawei,and Green World” như trong [15], hay của công ty Ericsson như trong [10]

e Về khía cach người sử dụng, van đề năng lượng trong truyền thông vô tuyến là van

đề tất yếu để duy trì kết nối Sẽ là rào cản lớn nhất trong khai thác dịch vụ vô

tuyến khi thời lượng sử dụng năng lượng lưu trữ bị hạn chế.e Về vẫn đề môi trường, sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng là góp phần vào

cuộc chiến bảo vệ môi trường, cắt giảm khí thải nhà kính Trong đó ngành viễn

thông thế giới chiếm khoảng 5% tổng khí thải CO; [11] Vì vậy thiết kế, khai thác

và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên năng lượng sẽ có ý nghĩa lớn cho môi trường

cả hiện tại và tương lai.Từ các tình hình phát triển như nêu trên, hiệu suất năng lượng EE không chỉ mang lạihiệu quả kinh tế cao hơn mà còn thể hiện được trách nhiệm xã hội khi tham gia vào cuộcchiến chống biến đổi khí hậu toàn cầu Do đó, đây được xem là bước chuyển cần thiết vàquan trọng từ việc tối ưu dung lượng và hiệu suất phổ SE qua việc tối ưu hiệu suất năng

lượng EE trong việc thiết kế các hệ thống mạng vô tuyến

1.2 Ly do chọn đề tài

Tw các vấn đề nêu trên, việc cải thiện hiệu suất năng lượng trong mạng vô tuyến là mộtlĩnh vực cần thiết và có sự ảnh hưởng nhất định đến hiệu suất của hệ thong thong tin vàtruyền thông trong tương lai Chính từ các nguyên nhân cấp bắt nói trên, nhiệm vụ trong

luận văn sẽ hướng tới việc thiết kế hệ thống vô tuyến cải thiện hiệu suất phổ (SE) và

1 MO DAU

nâng cao hiệu suất năng lượng (EE) Một số định hướng chính trong luận văn nay đượctrình bày tóm tắt như sau (chi tiết về kỹ thuật được trình bày trong các phần sau):

e Truyền thông song công (Full-Duplex (FD) Communication - FDC): Truyền thông

song công có thể giúp truyền và nhận dữ liệu trong cùng một nguồn tài nguyên photần và thời gian, qua đó nâng cao hiệu năng sử dụng tài nguyên phổ tần Nói cáchkhác, FD sẽ giúp cải thiện hiệu suất phổ - SE trong hệ thống viễn thông hiện đại

e Kỹ thuật truyền thông MIMO: Kỹ thuật MIMO đã được công nhận là kỹ thuậttương lai, gần hơn là mạng di động thế hệ thứ 5 (5G) khi MIMO mang lại độ phân

tập cao, tăng độ tự do DoF trong thiết kế để truyền tải nhiều dữ liệu hơn và phụcvụ nhiều hơn thiết bị người dùng trong một nguồn tài nguyên phổ, qua đó giúpnâng cao hiệu suất phổ - SE

e Hiệu suất năng lượng: hiệu suất năng lượng là một chủ đề gần đây đang thu hút sựquan tâm và nghiên cứu cả trong học thuật và công nghiệp Tối ưu hiệu suất nănglượng trong mạng MIMO kết hợp truyền thông song công (FD) đã là một van đềcần thiết trong hệ thống thông tin hiện đại, trong đó hệ thống kết hợp nâng cao

hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng

Như vậy, mục tiêu của luận văn là kết hợp các kỹ thuật tiên tiến bao gồm truyền thông

song công (FDC), kỹ thuật MIMO, vấn đề tối ưu hiệu suất pho (SE) và hiệu suất nănglượng (EE) để đạt được mục tiêu nâng cao hiệu năng sử dụng phổ tần và năng lượng

Mục đích này hướng đến việc thiết kế một hệ thống thông tin vô tuyến trong tương laikhi chúng phải đáp ứng nhu cầu lưu lượng và năng lượng cho kết nối ngày càng gia tăngvề số lượng, chất lượng, sự thuận tiện và mức độ thông minh

Chính vì những định hướng trên, luận văn thực hiện có tên “NÂNG CAO HIỆU

SUAT PHO VÀ HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG VÔ TUYẾN

MIMO SONG CONG.”

1.3 Mục tiêu và nhiệm vu của luận vănDựa trên các định hướng nêu trên, luận văn cần đạt được các kiến thức và kết quả sau:

e Trình bày giải thuật tính toán cho tối đa hóa hiệu suất phổ của hệ thống MU-MIMOsong công Mô phỏng đánh giá thiết kế đưa ra và so sánh với giải pháp đã có.e Trình bày giải pháp thiết kế đa tế bào cho tối đa hóa hiệu suất năng lượng trong

hệ thống MU-MIMO song công Mô phỏng đánh giá thiết kế Trình bày đặc điểmcủa thiết kế hiệu suất năng lượng và hiệu suất phổ

1 MO DAU

e Trinh bày giải pháp thiết kế bền vững tối đa hóa tốc độ kênh của hệ thống

MU-MIMO nhận thức với thông tin trang thái kênh không hoàn hao Mô phỏng đánhgiá thiết kế đưa ra, trình bày ưu điểm của thiết kế Robust khi kênh truyền là khônghoàn hảo.

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứuĐối tượng nghiên cứu của luận văn này bao gồm:

e Hệ thống MIMO song công đa người dùng và vấn đề tối ưu hóa hiệu suất phổ tần

khi thiết kế ma trận tiền mã hóa của bộ phát.e Thiết kế đồng thời hệ thống MU-MIMO song công đa tế bào để tối đa hiệu suất

MIMO song công Trong đó được giới hạn trong phạm vi sau:

e Trong các phân tích ở chương sau, luận văn giả sử các điều kiện hoàn hảo của phầncứng thu-phát, kỹ thuật loại bỏ can nhiễu đảm bảo yêu cầu, kênh truyền được ướclượng day đủ (ngoại trừ chương 5)

e Luận văn cũng giả sử rằng trạng thái thông tin kênh truyền (CSI) đã được biết tại

trung tâm xử lý, và độ lợi kênh không đổi trong quá trình thực hiện thiết kế các ma

trận tiền mã hóa của hệ thống.e Các giải thuật thiết kế trong luận văn được giả sử sẽ được thực hiện ở trung tâm

xử lý sau đó kết quả được phát quảng bá cho các bộ phát, do đó giải thuật thiết kếchỉ phù hợp cho hệ thống thiết kế tập trung

1.55 Phương pháp nghiên cứuTrong luận văn này, phương pháp nghiên cứu được sử dung là kế thừa các công trình

nghiên cứu trước đây Các công trình liên quan được khảo sát, phân tích, tổng hợp, và

Phương pháp có thể trình bày qua các bước sau:

e Thu thập các tài liệu liên quan về vấn đề đang quan tâm xem xét, bao gồm: hiệu

suất pho và năng lượng trong mang MIMO và kỹ thuật song công (FD).e Thực hiện việc xây dựng mô hình MU-MIMO song công và thành lập các bài toán

tối ưu về hiệu suất phổ (SE), (EE) năng lượng

e Tiến hành phân tích bài toán tối ưu và đưa ra giải thuật thiết kế cho từng mô hình

và bài toán cụ thé.

e Dánh giá hiệu quả ứng dụng của từng giải thuật thiết kế

1.6 Bo cục của luận vănToàn bộ luận văn sẽ được trình bày theo một bố cục liên hệ mạch lạc với nhau xuyên

suốt trong luận văn này Các nội dung của luận văn sẽ được chia thành các chương cụ thểđể có thể dễ dàng xem xét và nắm bắt vấn đề cũng như tạo sự mạch lạc, logic cho luậnvăn Cụ thể, bố cục của luận văn được trình bày như sau

e Chương 1, chương mở đầu, bao gồm đặt vẫn đề nghiên cứu, lý do chọn đề tài, phạmvi và đối tượng nghiên cứu, nhiệm vụ của luận văn và các bài báo đã hoàn thành

của luận văn.

e Chương 2 trình bày tóm lược tổng quan về các vấn đề nghiên cứu và cung cấp các

lý thuyết toán tối ưu được sử dụng trong thiết kế ở các chương kế tiếp.e Chương 3 trình bày thiết kế các bộ tiền mã hoá để tối ưu hiệu suất phổ của hệ

thống MIMO da người dùng ở chế độ song công.e Chương 4 nghiên cứu tối đa hoá hiệu suất năng lượng trong mạng di động song

công MIMO đa người dùng đa tế bào

e Chương 5 thiết kế giải thuật bền vững cho cho tối ưu hiệu suất phổ trong hệ thống

MIMO nhận thức dạng nền với thông tin kênh liên kết không hoàn hảo

e Chương 6 tóm tắt lại kết quả nghiên cứu đồng thời đề xuất các hướng bổ sung, phát

triển đề tài

1 MO DAU

Cuối cùng là phụ luc và danh mục các tài liệu tham khảo trong luận văn.Các ky hiệu tốn học: Xuyên suốt trong luận văn này, các ký hiệu tốn học được kýhiệu thống nhất Luận văn định nghĩa các ký hiệu tốn học như sau Luận văn sử dụng

ký tự thường in đậm và ký tự hoa in đậm để ký hiệu lần lượt cho cho véc-tơ và ma trận.Phép tốn Ạ là phép biến doi Hermitian của ma trận A Phép Tr (A) và |A| tương ứng

là phép tính trace và định thức của A Ký hiệu A > 0 mang ý nghĩa rằng A là ma trận

bán xác định dương Ký hiệu L„ biểu diễn ma trận đường chéo đơn vị kích thước n x n.Ký hiệu Y @M biểu diễn phép nhân Kronecker của ma trận Y và M Hàm số R{-} đểlấy phần thực của tham số Hàm số vec(M) cung cấp phép biến đổi véc-tơ cột hố matrận M.

1.7 Cac bài báo đã hồn thành trong luận vănTrong quá trình thực hiện luận văn, các nội dung nghiên cứu đề cập trong các chương kếtiếp đã được viết thành 2 bài báo khoa học (tính đến ngày 01/12/2018) đã được đăng và

trình bày tại các hội nghị quốc tế Cụ thể được liệt kê như sauNhững bài báo đã được đăng hội nghị quốc tế:1 Xuan-Xinh Nguyen & Ha Hoang Kha, “Precoder Design for Spectral Efficiency

Maximization in Full Duplex MIMO Wireless Systems,” ?w Proc The 2017 tional Symposium on Electrical and Electronics Engineering (ISEE 2017), Ho ChiMinh city, Viet Nam, pp 228-233, Nov 2017 (ISBN: 978-604-73-5317-0)

Interna-2 Xuan-Xinh Nguyen & Ha Hoang Kha, “Energy Efficient Full-Duplex MulticellMulti-User MIMO Networks” in Proc IEEE Conf Advanced Technologies for Com-munications (ATC), Ho Chi Minh city, Viet Nam, pp 163-167, Oct 2018 (ISBN:978-1-5386-6541-1, ISSN: 2162-1039)

10

Chương 2

TONG QUAN CÁC VAN DE

NGHIEN CUU VA LY THUYETLIEN QUAN

Trong chương này, luận văn cung cấp các vấn dé liên quan trong kỹ thuật thong tin vôtuyến và nội dung cơ bản về toán tối ưu Trong đó, bao gồm các lý thuyết cơ sở về kỹthuật đa ngõ vào đa ngõ ra (MIMO), kỹ thuật truyền thông song công (FD), định hướngthiết kế truyền thông xanh, kỹ thuật vô tuyến nhận thức (CR), bài toán tối ưu và cáchtiếp cận cho các bài toán tối ưu cơ bản

2.1 Ky thuật đa ngõ vào đa ngõ ra MIMOViệc sử dụng nhiều antenna, hay được biết đến là kỹ thuật đa ngõ vào đa ngõ ra MIMO là

một phương pháp quan trọng trong cải hiện hiệu suất phổ tần Dược hình thành và pháttriển trong hơn hai thập niên qua, nhưng những thành tựu đáng kể trong thiết kế đángchú ý mới được hình thành trong một thập niên gần đây Từ những phát triển về khả

năng tính toán của máy tính đến các chương trình hỗ trợ, các thiết kế liên quan MIMO

được phát triển mở rộng và nhanh chóng hơn Kỹ thuật MIMO được phân thành ba danggồm: MIMO điểm-điểm, MIMO đa người dùng ( Multiple-User MIMO - MU-MIMO) vàMassive MIMO.

2.1.1 MIMO diém-dén-diémMIMO diém-dén-diém (point-to-point MIMO) nổi lên từ những thập niên 1920 va là một

dạng đơn giản nhất của hệ thống MIMO, bao gồm một trạm gốc BS được trang bị mộtmang antenna phục vụ một thiết bị đầu cuối cũng được trang bị một mang antenna, như

trong hình Hình 2.1 Để phục vụ đa người dùng, những thiết bị đầu cuối khác trong hệ

11

2 TONG QUAN CÁC VẤN DE NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYET LIEN QUAN

PLY YU

Ludng Khoi Mang | 2 Y = ny 2| Mang Khôi Ludng

wen xử Pe} Anten ; \« Hv] uu y~ 3: Anten- PP xử wa

dt liéu , b - , đữ liệu

lý na | KW ~~ VM| "2 lý

Thiết bị phát Thiết bị thu

Hình 2.1: Mô hình MIMO điểm-đến-điểm [4]

thống MIMO điểm-đến-điểm có thể được ghép thông quan các nguồn tài nguyên trựcgiao, ví dụ như kỹ thuật đa truy cập phan chia thời gian (TDMA) hoặc đa truy cập phanchia tần số (FDMA) Xem xét mô hình MIMO điểm-điểm như Hình 2.1, với K antennaphát và M antenna thu, khi đó, dung lượng kênh được cho bởi |4, 14]

SNR

Huy + ~~ HHỈCMTMO—PP = logy (2.1)

Trong trường hop tỷ số tin hiện trên nhiễu (SNR) đủ lớn, dung lượng kênh tỷ lệ tuyến

tính với min(M, K) va tỷ lệ hàm log với SNR Như vậy, hiệu suất pho của liên kết tăng

với việc tăng đồng thời số lượng antenna của cả thiết bị thu và phát Tuy nhiên, hệ thốngbị giới hạn bởi: 1) Thiết bị trở nên phức tạp với yêu cầu trang bị của chuỗi RE cùng với

xử lý tín hiệu số; 2) Diéu kiện đường truyền tầm nhìn thang (LoS) cần đạt được cho độlợi hiệu suất phổ; 3) Với khoảng cách xa, SNR của đường dẫn nhỏ, hiệu suất pho đượccải thiện không đáng kể khi min(M, K) tăng

2.1.2 MIMO đa người dùng (MU-MIMO)MIMO đa người dùng hay được viết là MU-MIMO (viết tắt của từ Multi-user MIMO) Ýtưởng trong MIMO đa người dùng cho hệ thống tế bào đơn là khai thác phân tập không

gian để phục vụ một số người dùng đầu cuối trên cùng một tài nguyên băng tần và thời

gian Môt hình MIMO đa người dùng cho hệ thống tải lên (UL) được mô tả như trongHình 2.2, và hệ thống MU-MIMO đường xuống (DL) được trình bày trong Hình 2.3

Khái niệm của việc phục vụ đồng thời nhiều thiết bị đầu cuối đã được hình thành từsớm, tuy nhiên việc phân tích các lý thuyết thông tin một cách chặt chẽ của hệ thống

MIMO đa người dùng thì được thực hiện khá lâu sau đó.

2.1.3 Massive MIMO

Massive MIMO (hay con được biết đến với tên gọi large scale MIMO, very large MIMO)

là một dang mở rộng cua MIMO dang người dùng (MU-MIMO), trong đó tram BS được

trang bị đến vài trăm antenna và phục vụ đồng thời hàng trăm thiết bị đầu cuối So vớimô hình MU-MIMO trong mục 2.1.2, về cấu trúc, Massive MIMO không khác nhiều Sựkhác nhau cơ bản trong phần cứng hệ thống là trạm BS được trang bị nhiều antenna hơn

12

2 TONG QUAN CÁC VẤN DE NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYET LIEN QUAN

Thiét bi phat 1 CSI

CSIma MIS YN - Vai Máng Tiên Luồng

Luong dir liệu N CSI

Thiét bi thu se,— You

Hình 2.2: Mô hình MIMO đa người dùng đường lên [4]

Về phần xử lý tín hiệu của hệ thống Massive MIMO, ba đặc điểm riêng biệt của Massive

MIMO so với MU-MIMO truyền thống như [4] Thứ nhất, chỉ có tạm gốc BS ước lượngkênh truyền Thứ hai, số lượng antenna thường lớn hơn rất nhiều số lượng thiết bị đầucuối Thứ ba, xử lý tín hiệu tuyến tính được dùng cho cả đường tải xuống DL và đường

tải lênh UL Những đặc tính đó giúp Massive MIMO có thể tăng số lượng antenna tại

trạm gốc mà vẫn đảm bảo quá trình xử lý vừa phải, giảm tải với các thuật toán phức

tạp.

2.2_ Truyền thông vô tuyến song công (FD)

Giao thức song công là một khái niệm không mới, khi đã và đang được quan tâm trong

lĩnh vực truyền thông nói chung, bao gồm thông tin có dây, thong tin quang và thông tinvô tuyến Nội dung trong mục này của luận văn được giới hạn và đề cập đến việc truyềnthông song công trong hệ thống thông tin vô tuyến

Thách thức lớn nhất trong kỹ thuật FD chính là sự chênh lệch lớn giữa biên độ tự can

13

2 TONG QUAN CÁC VẤN DE NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYET LIEN QUAN

we y ]

YMy

Thiét bi thu N

Hình 2.3: Mô hình MIMO đa người dùng đường xuống [4]

nhiễu SI và tín hiệu nhận được tại bộ thu Trong mục này, luận văn sẽ trình bày kháiquát về thông tin vô tuyến song công gồm khái niệm, ưu điểm, nhược điểm, kỹ thuật loại

bỏ tự can nhiễu, các mô hình ứng dụng, và song công trong thông tin tế bào

2.2.1.1 Khai niệmKhái niệm thông tin song công được hiểu là thực hiện song song việc truyén và nhận tín

hiệu trong cùng một nguồn tài nguyên (khung thời gian và dải tần số), giúp thực hiện

trao doi đồng thời các luồng dữ liệu, qua đó FD có tiềm năng nâng cao hiệu suất phổ tan

với hệ số nhân đôi (theo lý thuyết) so với bán song công (HD) Tuy nhiên việc truyền và

nhận đồng thời gây ra vấn đề tu can nhiễu, làm giảm đáng kể độ lợi (thậm chí độ lợi âm)của hệ thống song công (FD) so với bán song công (HD) Mặc dù có nhiều ưu điểm về

cải thiện hiệu suất phổ tần, vẫn còn nhiều vẫn đề cần nghiên cứu với chế độ song công

2.2.1.2 Uu điểmMột số ưu điểm của việc triển khai kỹ thuật song công trong truyền thông (được tong

hợp trong [8, 15]) gồm:e Dộ lợi thông lượng: So sánh với chế độ bán song công truyền thống, chế độ song

công có tiềm năng gấp đôi thông lượng kênh của đường liên kết vật lý đơn.e Tránh sự xung đột: Trong giao thức đa truy cập nhận biết sóng mang tránh xung

đột (carrier sense multiple access with collision avoidance - CSMA/CA), mỗi nút

mạng bán song công HD phải nhận biết thong tin kênh trước khi hoạt động Tuy

14

2 TONG QUAN CÁC VẤN DE NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYET LIEN QUAN

nhiên, trong hệ thống song công, chỉ cần nút mang đầu tiên nhận biết thông tin

này cho hoạt động.e Giải quyết vấn đề thiết bi đầu cuối an: Giả sử một điểm truy cập (Access point -

AP) cần truyền và nhận thông tin đến một đầu cuối trong một nhóm các thiết bịkhông xác định, nếu không có một lịch trình hoạt động chính xác, dit liệu từ các

thiết bị và AP có thé bị chồng chéo gây mat thông tin Van đề này có thể được giải

quyết khi AP và đầu cuối hoạt động ở FD, khi đó các đầu cuối khác sẽ nhận biết

được AP bắt đầu truyền, chúng sẽ trì hoãn để tránh chồng chéo thông tin HoặcAP phát các tín hiệu dò “ACK” để ngăn các đầu cuối khác phát

e Giảm nghẽn với điều khiển truy nhập môi trường (MAC): Suy hao thông lượng do

nghẽn có thể được cải tiến bằng sử dụng chế độ song công ở những nút mạng cónghẽn.

e Giảm độ trễ đầu cuối đến đầu cuối (end-to-end): Chế độ song công có thể nhận vàchuyển tiếp gói dữ liệu một cách đồng thời nhờ đó giảm được thời gian truyền góitin từ đích đến đích trong mô hình mạng đa chặng Khác với kỹ thuật lưu-và-chuyển

tiếp được sử dụng trong chế độ bán song công trước đây khi thời gian trễ tăng theosố lượng chặng của mạng

e Nâng cao khả năng phát hiện người dùng sơ cấp trong môi trường vô tuyến nhậnthức (CR): Vấn đề phát hiện một người dùng sơ cấp thì không dễ dàng và trở thànhmột thách thức khi nếu người dùng sơ cấp hoạt động ở chế độ bán song công (HD).Một lợi ích của chế độ song công (FD), khi thiết bị sơ cấp truyền cùng một thời

điểm, điều này giúp việc quét và phát hiện ở thiết bị thứ cấp dễ dàng hơn

2.2.1.3 Nhược điểmBên cạnh những điểm mạnh kế trên, việc triển khai chế độ song công gặp phải nhiềuthách thức sau [S]

e Giới hạn chất lượng bởi can nhiễu: Trong một thiết bị song công, bộ nhận luôn chịuảnh hưởng bởi can nhiễu từ bộ phát Nguồn can nhiễu này dẫn đến sự suy giảm độlợi của hệ thống song công

e Giảm độ tin cậy liên kết: Chế độ FD gây ra giảm độ tin cậy nối giữa 2 nút mạng

bất kể giá trị của SNR Như kết quả trong [15] - kỹ thuật tiên tiến nhất hiện có,

FD gây ra tỷ lệ mất kết nối là 88%, và giảm xuống 67% nếu không kết hợp loại can

nhiễu miền số thời trên tổng thời gian, so với chế độ HD

e Tỷ lệ mất gói cao: Hoạt động ở chế độ FD dẫn đến việc phải xử lý gấp đôi gói tinso với chế độ HD, do đó tỷ lệ mất gói tin tăng lên

15

2 TONG QUAN CÁC VẤN DE NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYET LIEN QUAN

Bang 2.1: So sánh hiệu năng của mô hình FD va HD [8]

MO HINH HD MO HINH FD

Cao hon (gap doi HD, theo

Thông lượng Thâp hơn lý thuyết)

Tu can nhiễu Khong CóXung đột thiết bi an Ảnh hưởng Dược Giảm bớt

Lạc Thấp hơn nhờ lịch trình FD

Quá tải Cao hơn MACĐộ tre đầu cuôi đên đầu Cao hơn Thấp hơncuôỗi

Kích thước bộ đệm Thấp hơn Cao hơnTỷ lệ mất gói PLR Thấp hơn Cao hơnThời gian kết nối liên kết Cao hơn Thấp hơn

Phát hiện thiệt bị sơ cap Thách thức Dược cải thiệntrong CR

e Yêu cầu kích thước bộ đệm lớn hơn: Để giảm tỷ lệ mất gói trong chế độ song công,một bộ đếm với kích thước đủ lớn cần được trang bị để dữ liệu có thể đảm bảođược chuyển tiếp (gói dữ liệu có thể bị huỷ do vượt quá kích thước bộ đệm) Như

vậy, với yêu cầu khắt khe hơn về tỷ lệ mất gói, một bộ đệm có kích thước lớn hơnđược yêu cầu cho hoạt động chế độ song công

Bảng 2.1 so sánh hiệu năng của mô hình song công và bán song công trên các khía

cạnh khác nhau Nhìn chung, kỹ thuật song công cải thiện được hiệu năng hệ thống sovới bán song công trên hầu hết khía cạnh

2.2.2 Phương pháp loại bỏ tự can nhiễu trong thông tin vô tuyến

song cong

Nhu đã đề cập trước đó, biên độ của tự can nhiễu lớn hơn tín hiệu mong muốn nhận đượcrất nhiều (~ 100 dB với khoảng cách truyền 500 m) [8, 16] Vì thế việc triệt tự nhiễu là

yếu tố quyết định có hay không kỹ thuật song công có thể thành hiện thực trong thông tin

vô tuyến Lấy ví dụ trong hệ thống thông tin có dây, công suất của tự can nhiễu khoảng

3-6 dB thấp hon công suất phát va chi cần độ lợi 20-30 dB của bộ loại bỏ nhiễu để hệthống có thể hoạt động Tuy nhiên, trong hệ thống vô tuyến, vì suy hao đường truyềncao, độ lợi của việc triệt tự can nhiễu cần đạt được để hệ thống có thể giải mã thông tin

là rất cao (~ 100 dB)

Hình 2.4 biểu diễn các thành phần công suất thu của tự can nhiễu tại bộ thu từ bộphat trong hệ thống thông tin song công cho mô hình WiFi điển hình sử dung băng thông

16

2 TONG QUAN CÁC VAN DE NGHIÊN CUU VA LÝ THUYET LIÊN QUAN

Ạ Transmitted Signal Receiver

20 Ä a

60 dB ofAnalogCancellation

oO pransmitter Dieital

œ l " nojse ; igita

l I- : Cancellation: I:

_ P-90 : oes - Ỷ

-90 dBm Receiver Noise floor

Hình 2.4: Các công suất thành phần của tín hiệu phát cho mô hình WiFi điển hình sử

dụng băng thông 80MHz (nửa trái) và yêu cầu trong loại bỏ tự can nhiễu trên miền tươngtự và miền số (nửa phải) lỗ|

80 MHz [5] Trong đó một thành phần tín hiệu chính được phát với công suât 20 dBm(100 mW) trong môi trường có nên nhiễu tai bộ thu là -90 dBm (1 pico watt) Thànhphần công suất tự can nhiễu tuyến tính sẽ là 20 — (—90) = 110 đB cao hơn nhiễu nền.Thành phần công suất tự can nhiễu hài phi tuyên là —10 dBm (80 dB cao hơn nhiễunên) Cudi cùng là nhiễu bộ phát tại khoảng —40 dBm (50 dB cao hơn nhiễu nên) Như

vậy hệ thống song công cần loại bỏ được 110 dB của triệt tự can nhiễu tuyến tính đểgiảm thiểu tự can nhiễu về nền nhiễu Và cần đạt được sự triệt 80 dB của thành phan

nhiễu phi tuyến Độ lợi loại bỏ thành phần tương tự phải đạt ít nhat 50 dB của nhiễutương tự Tóm lại, bat kỳ thiết kế song công nào cũng cần cung cấp độ lợi 110 dB củaloại bỏ tự can nhiễu tuyến tính, 80 dB của loại bỏ tự can nhiễu phi tính và 60 dB loạibỏ trên miền tương tự Nửa phải Hình 2.4 cho thấy được các yêu cầu cho các loại bỏ tựcan nhiễu, trong đó loại bỏ tự can nhiễu miền tương tự và miền số cần đạt độ lợi 60 dB

và 50 dB, tương ứng Vì thế để có thể truyền thông song công trong hệ thống vô tuyến,việc phát triển một hay kết hợp nhiều kỹ thuật loại bỏ tự can nhiễu là rất quan trọng

Tuy đã có nhiều phương pháp loại bỏ tự can nhiễu được đề xuất, kỹ thuật loại tự can

nhiễu có thể được phân thành 3 loại chính theo |6, 16, 17], bao gồm: triệt SI thụ động,triệt SI trên miền tương tự và triệt SI trên miền số Các tiểu mục kế tiếp của luận văn

nêu chi tiết các phương pháp triệt nhiễu tiên tiễn nhất của loại bỏ can nhiễu

2.2.2.1 Triệt tự can nhiễu thụ động

Triệt SI thụ động được thực hiện dựa trên sự gia tăng suy hao đường nhờ vào tách rời/cáchly vật lý để giảm bớt công suất nhiễu tại bộ thu Phương pháp này được chia thành ba

17

2 TONG QUAN CÁC VẤN DE NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYET LIEN QUAN

cách tiếp cận nhỏ bao gồm:e Cách ly antenna: Day là phương pháp đơn giản nhất trong triệt SI thu động dự trên

nguyên lý của suy hao đường Bằng cách tăng khoảng cách phân ly giữa antennaphát và thu Diều này đồng nghĩa với khoảng cách càng lớn thì hiệu quả loại bỏ SĨ

càng cao Sự cách ly tự nhiên dựa trên sự che chắn bằng các lá chắn cũng có thểđược sử dụng Như được tổng hợp trong [S], cách ly antenna có thể đạt độ lợi triệt

SI lần lượt 48 dB va 70 dB cho antenna nén và cách ly 5 m

e Triệt SI trên antenna: nguyên lý cd ban của phương pháp nay là sử dụng hai antennaphát và 1 antenna thu, cặp antenna phát được đặt ở khoảng cách d va d+ À/2 (vớiA là độ dài bước sóng) so với antenna thu Khi đó tín hiệu nhận được tại thu từ cặp

antenna phát lệch pha và triệt tiêu lan nhau, theo lý thuyết tạo ra tín hiện null lại

antenna thu Như được tong hợp trong [8], cách tiếp cận này đạt được độ lợi triệt

SI 30 dB, khi kết hợp với triệt SI trên miền số và tương tự cho độ lợi là 60 dB

e Triệt SI thụ động theo hướng: trong phương pháp này, hướng bức xạ của antennaphát và thu được đặt sao cho tối thiểu hoá sự chồng và được điều chỉnh để đạt tựcan nhiễu là nhỏ nhất Do đó SI có thể đạt được loại bỏ một phần trước khi đến bộthu.

Tuy nhiên, phương pháp “triệt can nhiễu thụ động” thường yêu cầu kích thước lớn của

hệ thống để có thể triển khai việc cách ly antenna thu và phát Dược cho là chỉ phù hợpcho hệ thống chuyển tiếp (cách ly 4 - 6m cho độ lợi triệt nhiễu 80 dB) Hoặc với phướng

pháp kết hợp phân cực chéo và tấm chắn kim loại, độ lợi loại bỏ can nhiễu tối đa khoảng

60 dB cho khoảng cách antenna 0.2 — 0.4 m (như được tổng hợp trong [16, Chương 1Ì)

Theo như các kết quả được trích dẫn trên, việc chỉ sử dụng triệt can nhiễu theo phương

pháp thụ động sẽ không thể đáp ứng yêu cầu chất lượng đường truyền vô tuyến Vì thếcần có các phương pháp khác, gọi chung là triét tự can nhiễu chủ động, kết hợp để có thé

đạt được triệt can nhiễu hiệu quả hơn Giải pháp triệt chủ động, bao gồm triệt trên miềntương tự và trên miền số, sẽ được trình bày trong các mục kế tiếp

2.2.2.2 Triệt tự can nhiễu trên miền tương tự

Trên lý thuyết, việc triệt tự can nhiễu trên miền tương tự là không bắt buộc, bởi, nếu độ

lợi kênh tự can nhiễu có thể được ước lượng với độ chính xác cao, việc tái tạo các mẫu

số của tự can nhiễu được thực hiện, sau đó thành phan tự can nhiễu được trừ ra Kếtquả thu được tín hiệu mong muốn Tuy nhiên, dưới tác động của công suất cao tự can

nhiễu, bộ điều khiển độ lợi tự động (AGC) bi bão hoà Điều này làm giảm độ nhạy đốivới tín hiệu mong muốn khi chuyển đổi ADC (do hạn chế của vùng dynamic và độ phân

giải lượng tử), vốn có công suất nhận tai bộ thu nhỏ hơn rất nhiều SI Hệ quả là hệ thống

18

2 TONG QUAN CÁC VẤN DE NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYET LIEN QUAN

không thể giải mã được dữ liệu trên miền tần số Vì thé, các nhà nghiên cứu đều đồng

tình rằng bắt buộc phải có loại bỏ tu can nhiễu trên miền tương tự trước khi tín hiệuđược số hoá [8, 16]

Loại bỏ thành phan SI tuyén tính trên mién tương tự: Loại bỏ SI trên miền

tương tự được thực hiện bằng cách tạo một bản sao của tín hiệu phát đi sau đó kết hợp

với SI tai bộ thu, để giảm bớt can nhiễu hoặc tại tang RF hoặc tai tầng giải nền tươngtự trước khi chuyển đổi tương tự sang số (ADC) Kỹ thuật này được thực hiện theo babước chính sau:

e Tạo tín hiệu SI đảo: Ban SI đảo được thực hiện bằng cách đảo pha của nó Tuynhiên, sự điều chỉnh pha bị méo pha bởi giới hạn băng thông Chúng làm hạn chế

khả năng loại bo SI.

e Diều chỉnh độ trễ và suy hao: Tín hiệu lan truyền đều chịu tác động của suy hao và

trễ trong tất cả môi trường Vì vậy một giá trị tương đồng cần được bổ xung chotín hiệu SI đảo.

e Tạo SI-rỗng: Dat được bằng cách kết hợp tự can nhiễu và phiên bản đảo của nó.Các kết quả chứng minh rang loại bỏ tự can nhiễu miền tương cho độ lợi triệt SI hàng

chục decibel Cụ thể, đạt độ lợi triệt can nhiễu lên đến 45 dB tại băng thông 40 MHz [SÌ.Một điểm đáng lưu ý trong phương pháp SI đảo là sự bất tương đồng giữa bản tín hiệuthực hiện và tín hiệu SI thực tế Khi tín hiệu được chuyển lên cao tần để phat đi, tín

hiệu trở thành một phiên bản phi tuyến không mô hình được bởi thành phần tương tự

không hoàn hảo hoặc sự lựa chọn tần số không phẳng Vì thế các yêu tố méo phi tuyến

cần được quan tâm trong phương pháp loại bỏ SI trên miền tương tự

Loai bỏ thành phan SI phi tuyén trên mién tương tự: Trong môi trường biénđổi thời gian (gồm hiện diện của kênh fading, công suất phát, và các thông số dao độngkhác) gây ra các thành phần méo phi tuyến Cụ thể, cần phải có một cơ chế thích nghỉđể điều chỉnh tức thời các thông số thiết kế (suy hao và độ trễ trong tạo mau SI đảo) sao

cho hiệu quả Trong hệ thống thực tế, các giải pháp về thích nghi trên cả miền thời gian

và tần số cần được kết hợp để chống lại thành phần SI phi tuyến Điều khó khăn chínhlà thời gian dap ứng nhanh so với chu kỳ lặp lại của triệt SI mỗi 100 ms [8]

2.2.2.3 Triệt tự can nhiễu trên miền sốMặc dù loại bỏ can nhiễu trên miền tương tự có thể dat được mức độ loại bỏ đến 45

dB cho băng thống 40 MHz nhưng can nhiễu con dư lại lên đến 45 dB so với nền nhiễu(chưa áp dụng triệt SI thụ dong) [8] Diéu này chứng tỏ rằng nếu chỉ dừng lại ở loại bỏ

can nhiễu miền tương tự, hệ thống FD không thể hoạt động vì tự can nhiễu Diều đó cần

thiết phải thực hiện triệt SI tại tầng kế tiếp của quá trình giải mã - triệt SI trên miền số

19

2 TONG QUAN CÁC VẤN DE NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYET LIEN QUAN

Triệt tự can nhiễu SI trên miền số là một cơ chế loại bỏ SI chủ động, bằng cách nhận

biết can nhiễu và loại bỏ chúng đối với tín hiệu sau khi lượng tử hoá bởi chuyển đổi tươngtự sang số ADC Nội dung của phương pháp này được tổng hợp từ [8] như bên dưới

Cơ ban của loại SI trên mién số: Loại bỏ tự can nhiễu trên miền số được đánhgiá là một giải pháp hữu hiệu khi mà tự can nhiễu chưa thể loại bỏ hết trên miền tương

tự Phương pháp này gồm hai bước chính sau: 1) Ước lượng kênh tự can nhiễu SI, 2) sửdụng kênh SI trong việc tạo ra các mẫu số cho việc khử tự can nhiễu tại bộ thu Theo cơchế đó, việc xác định chính xác kênh SI là điều rất quan trong Mặt khác, kênh SI đượcmô hình hoá bao gồm cả tồn dư của mạch triệt tương tự và độ trễ phản xạ môi trường.Hai yếu tố trên được gọi lần lượt là thành phần phi tuyến và tuyến tính Một số phươngpháp cho ước lượng 2 thành phần nên trên được trình bày như sau

Ước lượng thành phan tuyén tính của kênh tự can nhiéu: Bang cách mô hình

kênh SI như một hàm phi nhân quả của tín hiệu số (biết trước) được phát đi z[n], tín

hiệu nhận được g[n], có thể được mô hình tuyến tính gồm k mẫu z{|n] trước và sau thờiđiểm n, là một hàm theo kênh SI như sau

Ước lượng thành phan phi tuyến của kênh tự can nhiéu: Sau khi thành phan

tuyến tính được xác định và loại bỏ bớt, thành phần phi tuyến còn lại gây tu can nhiễu

khoảng 20 đB trên nền nhiễu Mô hình phi tuyến chính xác không dễ dàng để thực hiện,vì thế một mô hình tổng quát dựa trên chuỗi Taylor có thể được thực hiện cho việc xấp

xỉ thành phần phi tuyến này trên miền giải nền số

Nói cách tổng quát, để giải quyết các vấn đề nên trên và cải thiện khả năng loại bỏcan nhiễu miền tương tự - số, hệ thống cần phải được đánh đổi cân bằng giữa triệt trên

20

2 TONG QUAN CÁC VẤN DE NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYET LIEN QUAN

miền tương tự và số Mặt khác cần cải thiện tính hiệu quả của cả 3 phương pháp trên

Ngoài ra, có thể dựa vào các đặc tính phân tập của của hệ thống đa antenna để khai thácđộ lợi loại bỏ tự can nhiễu

2.2.2.4 Mô hình ứng dung của song công trong thông tin vô tuyến

Nguôn phát Thiết bi thu Neuon 1 Tram goc BS Thiết bị

tải lên

a) Mạng chuyền tiếp song công b) Mạng 2 chiều song công c) Mạng tế bao song công.

Hình 2.5: Ứng dụng của kỹ thuật song công truyền thông vô tuyến [6].

Ba cấu trúc mạng sử dụng kỹ thuật song công cơ bản (có thể ứng dụng cho việc triểnkhai trong phát triển cơ sở hạ tầng) như được trình bày như trong Hình 2.5 Trong môhình (a), truyền song công có thể được áp dụng vào hệ thống truyền thông hợp tác vớinút chuyển tiếp song công Mô hình (b) mô tả truyền thông hai chiều điểm đến điểm với

các thiết bị đầu cuối song công Cuối cùng, mô hình trong (c) là thông tin tế bào songcông, trong đó trạm gốc phục vụ cho thiết bị đường lên và đường xuống đồng thời vớichế độ song công

2.2.3 V6 tuyén song công trong mạng thông tin tế bàoMột trong những ứng dụng quan trọng của kỹ thuật song công trong thông tin vô tuyến

là mạng tế bào song công Trong đó một trạm gốc (BS) có thể phục vụ đồng thời một

hay nhiều thiết bị đường xuống (DL) và thiết bị đường lên (UL) trên cùng một daitần và một khung thời gian (gần đây thu hút được nhiều sự quan tâm và nghiên cứu[18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28]) Việc thu và phát đồng thời lam sinh ra tự cannhiễu (SI) tai trạm gốc (BS) va can nhiễu đồng kênh (CCI) tại thiết bị DL từ thiết bị

UL Mặc dù bị ảnh hưởng của cả SI va CCI, nhưng tự can nhiễu (SI) được nhận định

là lớn hơn rất nhiều (do công suất phát lớn tại trạm gốc (BS) và khoảng cách giữa cặpantenna thu phát nhỏ) và là nguyên nhân chính làm suy giảm chất lượng của hệ thốngsong công Ngược lại, nhiễu CCI thường nhỏ hơn (do công suất phát nhỏ và khoảng cách

21

2 TONG QUAN CÁC VẤN DE NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYET LIEN QUAN

lớn của các thiết bi) và có thé không tồn tại khi cách ly dia lý [18] hay loại bỏ đáng kể

khi sử dụng giải thuật phân nhóm các thiết bị UL và DL [21].Tuy nhiên, bằng các kỹ thuật tân tiễn kết hợp cả 3 giải pháp (trong mục 2.2.2) trong

loại bỏ tự can nhiễu, thông tin vô tuyến song công tế bào được nhận định là có thể thànhhiện thực khi có thể loại bỏ tự can nhiễu bằng với biên độ nhiễu nền [22] Mở ra nhữngbài toán mở mới trong thiết kế búp sóng (beamformer), phân bổ công suất, lập lịch trìnhnhóm thiết bị, hiệu suất năng lượng để nâng cao hiệu suất hoạt động của mạng vô

tuyến song công tế bào

2.3 Vẫn đề truyền thông xanh

Truyền thông xanh hay còn được biết đến là truyền thông hiệu quả năng lượng cao, mụcđích hướng tới là sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên năng lượng hơn là chỉ tập trung

vào hiệu suất phổ như trước đây Có bốn nhóm giải pháp được đề xuất trong [7] và đượcbiểu diễn như trong Hình 2.6 Các giải pháp được đề xuất bao gồm: cấp phát nguồn tàinguyên, kế hoạch và triển khai mạng, thu và truyền năng lượng, giải pháp phần cứng

PHAN BO TRUYEN THONG XANH, GIAI PHAPTAI NGUYEN HIỆU SUAT NĂNG LƯỢNG PHAN CỨNG

THU & TRUYENNANG LUGNG

Hình 2.6: Dinh hướng giải pháp kỹ thuật cho truyền thong xanh [7]

Nội dung của bốn nhóm giải pháp được trình bay chi tiết trong [7] và tóm tắt như

Sau:

e Phân bổ tài nguyên (Resource Allocation): Phan bo tài nguyên của hệ thống (như

tần số, thời gian, năng lượng ) để tối đa hóa hiệu suất năng lượng của hệ thốngthay vì chỉ tối đa hóa dung lượng Phương pháp này có thể đạt được hiệu suất nănglượng bền vững với sự đánh đổi giữa năng lượng và dung lượng

e Thiết lập và triển khai mạng (Network deployment và planning): Triển khai các

node mạng để tối đa hóa năng lượng tiêu thụ thay vì chỉ tối đa hóa vùng phủ sóng

22

2 TONG QUAN CÁC VẤN DE NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYET LIEN QUAN

như trước Ngoài ra, các tram thu phat sóng có sử dụng thuật toán tắt/bật dé giảmthiểu việc sử dụng năng lượng

e Thu năng lượng và truyền (Energy Harvesting và Transfer): Phương pháp này giúp

hệ thống thông tin có thể thu hoạch năng lượng từ chính sóng tín hiệu nhận đượchoặc từ các nguồn tài nguyên tái tạo (như gió, mặt trời ) Việc đánh đổi qua lạigiữa thu năng lượng và dung lượng là bài toán trong giải pháp kỹ thuật này.

e Giải pháp phần cứng xanh (Energy-efficient Hardware solutions): Bao gồm các thiếtkế thu phát thân thiện với môi trường, thiết kế mạng mới dựa trên truy cập vô tuyến

đám mây (CRAN) và sử dụng các chức năng mạng được ảo hóa.Một số nghiên cứu gần đây quan tâm nhiều hơn đến việc thiết kế với tiêu chuẩn đo là

hiệu suất năng lượng (EE) Dai lượng của EE thường được sử dụng là “bits-per-Joule”

EE được định nghĩa là tỷ lệ của thông lượng trên tổng năng lượng sử dụng, và được môhình hoá như biểu thức sau [7, Công thức (2):

Hiệu suất pho [b/s]Hiệu suất năng lượng [b/J] = — ——

Tong công suât sử dụng [W] (2.4)Chúng chứng tỏ rằng, dung lượng kênh trên đơn vị năng lượng chỉ có thể đạt được bằng

cách sử dụng một số không giới han của “degrees of freedom” trên mỗi bit thông tin(truyền với băng thông hữu hạn hay với thời gian dài nhất) Trong luận văn này, một

trong bốn hướng tiếp cận trên là “Cấp phát nguồn tài nguyên,” cụ thể hơn là tài nguyênnăng lượng, được sử dụng trong thiết kế để đạt được giải pháp trong thiết kế giúp cải

thiện hiệu suất năng lượng Ca ba giải pháp còn lại nằm ngoài phạm vi nghiên cứu của

luận văn này.

2.4 Mang vô tuyên nhận thức CR

Trong các hệ thống vô tuyến truyền thống, hoạt động của chúng là độc lập và việc sử

dụng nguồn tài nguyên pho tần là độc quyền [18, 19] Chúng tự quản lý việc thiết kế các

thiết bi trong nội bộ hệ thống mà không phi chịu bat kỳ ràng buộc nào tt bên ngoài

Điều đó được cho là chưa tận dụng và khai thác hết mức tài nguyên phổ khan hiếm Vídụ như thiết lập thêm các ứng dụng khác trên cùng dải phổ mà không ảnh hưởng đến hệthống hiện có hay tận dụng thời gian rảnh của nguồn phổ tần hiện có

Như vậy để phục vụ thêm các thiết bị khác thì một dải phổ tần mới cần được khaithác Dây thực sự là thách thức khi nguồn tài nguyên phổ thì có giới hạn nhưng nhu cầu

sử dụng ngày càng tăng [1, 2] Một giải pháp mang tính hứa hẹn cho van dé này là kỹthuật Wô tuyến nhật thúc - CR [29] Mô hình mang 0ô tuyến nhận thúc (CR) cho phép

23

2 TONG QUAN CÁC VẤN DE NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYET LIEN QUAN

,

>» `| |Bộ phat SU Bộ thu SU Bộ phat SU Bộ thu SU

a Mô hình nhận thức dạng nền (Underlay CR) _b Mô hình nhận thức dạng phủ (Overlay CR).

Hệ thống PU hoạt động Hệ thông PU không hoạt động.a a a aa -B] | a

7 J 7 Ø/

Bộ thu PU Bộ thu PU || Bộ thu PU Bộ thu PU

Bo phat SU Bộ thu SU |} Bộ phát SU Bo thu SU

c Mô hình nhận thức dang xen kẽ (Interweave CR).

Hình 2.7: Ba loại chính của vô tuyến nhận thức CR

một hệ thống mạng thứ cấp (SU) khác hoạt động bằng cách chúa sẻ phổ tần với các thiết

bị sơ cấp (PU) Diều này đạt được với điều kiện là hệ thống thứ cấp phải được thiết kếsao cho đạt được các yêu cầu về bảo vệ hệ thống mạng sơ cấp (ví dụ như công suất nhiễutối đa gây ra cho mạng sơ cấp ở mức cho phép hay không làm can nhiễu đến hệ thống

sơ cấp) Trong mục này, luận văn trình bày ngắn gọn về phân loại và đặc điểm từng loại,

chi tiết mời người doc xem [29] và các tài liệu tham khảo trong tài liệu.Dựa trên các yêu cầu trong hoạt động, mạng vô tuyến nhận thức được chia thành ba

loại chính sau [29]:

e Vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay CR): Như được mô tả trong Hình 2.7.a,trong đó hệ thống thứ cấp SU hoạt động song song với hệ thống sơ cấp PU sử dụng

chung tài nguyên pho tần Giả sử rằng bộ phat SU có công suất cực đại P,,, và độ

lợi kênh từ bộ phát SU đến bộ thu PU là T, khi đó điều kiện ràng buộc can nhiễulà PT < 7, với T là ngưỡng can nhiễu cho phép tai PU Khi đó công suất phát tai