Kỹ thuật pilot đường xuống trong hệ thống massive MIMO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ MAI QUANG TRUNG KỸ THUẬT PILOT ĐƯỜNG XUỐNG TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ MAI QUANG TRUNG KỸ THUẬT PILOT ĐƯỜNG XUỐNG TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO Ngành: Công nghệ Điện tử — Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60 52 02 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRỊNH ANH VŨ Năm 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan kết nghiên cứu đƣa luận án dựa kết thu đƣơ ̣c trình nghiên cứu riêng tôi, không chép kết nghiên cứu tác giả khác Nội dung luận án có tham khảo sử dụng số thông tin, tài liệu từ nguồn sách, tạp chí, báo khoa học đƣơ ̣c liệt kê danh mục tài liệu tham khảo Hà Nội, ngày tháng 07 năm 2015 Tác giả luận văn Mai Quang Trung Mục lục LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU CHƢƠNG I TỔNG QUAN KỸ THUẬT MASSIVE MIMO CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Khái niệm Massive MIMO 1.2 Tiềm Massive MIMO 10 1.3 Các yếu tố hạn chế MIMO lớn Error! Bookmark not defined 1.3.1 Kênh thuận nghịch Error! Bookmark not defined 1.3.2 Sự lan truyền sóng vô tuyến đáp ứng kênh trực giao.Error! Bookmark no 1.4 Các vấn đề tiếp tục nghiên cứu Error! Bookmark not defined 1.5 Tóm tắt chƣơng Error! Bookmark not defined CHƢƠNG II MASSIVE MIMO KẾT HỢP PILOT ĐƢỜNG XUỐNGError! Bookmark n 2.1 Đặt vấn đề Error! Bookmark not defined 2.2 Mô hình hệ thống Error! Bookmark not defined 2.2.1 Ƣớc lƣợng kênh theo Pilot đƣờng lênError! Bookmark not defined 2.2.2 Phƣơng trình tín hiệu đƣờng xuống Error! Bookmark not defined 2.2.3 Tạo pilot-beamforming Error! Bookmark not defined 2.3 Dung đƣờng xuống đạt đƣợc Error! Bookmark not defined 2.3.1 Phát theo tỷ số cực đại (MRT) Error! Bookmark not defined 2.3.2 Phát theo cƣỡng không (Zero-Forceing).Error! Bookmark not defined 2.4 Một số kết Error! Bookmark not defined 2.5 Tóm tắt chƣơng Error! Bookmark not defined CHƢƠNG MÔ PHỎNG Error! Bookmark not defined 3.1 Sơ đồ mô Error! Bookmark not defined 3.2 Chƣơng trình Matlab: Error! Bookmark not defined 3.3 Kết mô Error! Bookmark not defined KẾT LUẬN Error! Bookmark not defined Tài liệu tham khảo 11 DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AWGN Additive white Gaussian noise Tạp âm trắng chuẩn cộng tính BER Bit error rate BPSK Binary phase shift keying Tỉ số bit lỗi số bit phát Điều chế pha nhị phân BS Base station Trạm sở CDF Cumulative density function Hàm mật độ tính lũy CSI Channel state information Thông tin trạng thái kênh FDD Frequency division duplex Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency division multiple Đa truy cập theo tần số access IID Independent and identically Phân phối xác định độc lập distributed LMS Least mean square Trung bình bình phƣơng nhỏ LS Least square Bình phƣơng nhỏ LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MF Matched Filter Bộ lọc phù hợp MIMO Multiple input multiple output Nhiều đầu vào nhiều đâu MMSE Minimum mean square error Trung bình bình phƣơng lỗi tối thiểu MRC Maximum ratio combining Kết hợp tỷ lệ tối đa MRT Maximum ratio transmission Phát tỷ số cực đại MS Mobile station Trạm di động MSE Mean square error Trung bình bình phƣơng lỗi MU-MIMO Multi-user MIMO Đa ngƣời dùng MIMO NLOS Non line-of-sight Tầm nhìn không thẳng NOP Near optimal Gần tối ƣu OFDM Orthogonal Frequency division multiple Đa truy cập phân tần trực giao Pilot- beamforming Tạo búp hoa tiêu PCS Personal communications service Dịch vụ thông tin liên lạc cá nhân PSK Phase shift keying Điều chế khóa dịch pha QAM Quadrature amplitude modulation Điều chế biên độ vuông góc QPSK Quadature phase shift keying Điều chế pha trực giao RF Radio Frequency Tần số vô tuyến Rx Receiver Máy thu sóng SIR Signal to interference radio Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR Signal to noise radio Tỉ số cƣờng độ tín hiệu so với nhiễu TDD Time division duplex Song công phân chia theo thời gian TDMA Time division multiple access Đa truy cập theo thời gian Tx Tranmitter Máy phát sóng ZF Zero – Forcing Cƣỡng không DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ HÌNH NỘI DUNG Hình 1.1 Mô hình hệ thống có anten phục vụ ngƣời dùng di động Hình 1.2 Cấu hình ăng-ten triển khai cho trạm sở MIMO lớn Hình 1.3 Hiệu quang phổ đƣờng lên Hình 1.4 Mô hình diễn tả ô nhiễm pilot Hình 1.5 Mức tổng đƣờng xuống đƣợc sử dụng mã trƣớc MRT thiết bị đầu cuối anten trạm sở Hình 2.1 Mô hình hệ thống Massive MU-MIMO đƣờng xuống Hình 2.2 Hiệu phổ so với SNR cho thiết lập nhiều ngƣời dùng Hình 2.3 Hiệu phổ so với khoảng kết hợp cho mã trƣớc MRT ZF Hình 3.1 Sơ đồ mô hình mô Hình 3.2 Trạm sở phát QAM qua ma trận mã trƣớc đến thiết bị đầu cuố i Hình 3.3 Mô hệ thống 3x4 Hình 3.4 Mô hệ thống 3x10 Hình 3.5 Mô hệ thống 3x20 MỞ ĐẦU Trƣớc nhu cầu phát triển ngày tăng dịch vụ thông tin di động, kỹ thuật truyền tin lĩnh vực đƣợc nhà khoa học tập trung nghiên cứu mạnh mẽ điều kiện băng tần hạn chế quốc gia Nếu nhƣ hệ di động từ 1G đến 3G tài nguyên miền thời gian tần số đƣợc khai thác sử dụng triệt để hệ phát triển 4G 5G miền không gian đƣợc nghiên cứu phát triển nhằm khai thác tối đa hiệu sử dụng thông qua kỹ thuật MIMO (Multiple input- Multiple output) Luận văn trình bày nguyên tắc hệ thống Massive MIMO (còn gọi mà MIMO tập lớn, đƣợc nhắm đến cho hệ truyền tin di động 5G) triển vọng lợi ích to lớn Phần xem xét tập trung Massive MIMO có bổ sung Pilot (là tín hiệu biết trƣớc để giúp cho việc xác định đáp ứng kênh khoảng thời gian kết hợp) đƣờng xuống nhằm cải thiện hiệu lỗi phần minh chứng số kịch mô 7 CHƯƠNG I TỔNG QUAN KỸ THUẬT MASSIVE MIMO CHO THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Khái niệm Massive MIMO Hệ thống thông tin MIMO (viết tắt cụm từ Multiple Input – Multiple Output) lĩnh vực vô tuyến truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten máy phát máy thu nhằm tận dụng chiều không gian để cải thiện tốc độ chất lƣợng truyền thông tin Khi vận dụng hệ thống cho đa ngƣời dùng thông tin tế bào, tức phía nhiều anten tập trung trạm sở, phía nhiều ngƣời dùng có anten đơn, có lợi lớn so với hệ thống MIMO điểm-điểm thông thƣờng chỗ: ngƣời dùng hoạt động với anten giá rẻ, không cần môi trƣờng có nhiều tán xạ, phân bổ nguồn lực đƣợc đơn giản hóa, thiết bị đầu cuối tích cực sử dụng tất khe thời gian-tần số Tuy nhiên, MIMO đa ngƣời dùng, với số anten phục vụ trạm sở số thiết bị đầu cuối kết hợp song công theo phân chia tần số, công nghệ có khả phát triển phức tạp hệ thống xử lý tín hiệu Theo tài liệu [2] tác giả Erik G Larsson, Ove Edfors, Fredrik Tufvesson, Thomas L.Marzetta, giới thiệu lại đôi nét công nghệ Massive MIMO đƣợc nêu báo Massive MIMO (còn đƣợc gọi MIMO tập hợp lớn) bƣớc đột phá sử dụng lượng lớn anten phục vụ trạm sở với số thiết bị đầu cuối kết hợp với kỹ thuật song công theo thời gian Những anten bổ sung dƣ trạm sở giúp tập trung lƣợng vào vùng nhỏ không gian, mang lại cải tiến lớn dung lƣợng tiết kiệm lƣợng xạ Để có hình dung đơn giản hệ thống ta đƣa ví dụ nhƣ sau: Trạm sở có M=3 anten phục vụ, K=2 ngƣời dùng di động (Hình 1.1) giả sử trạm sở biết đƣợc ma trận kênh H: hàng ma trận kênh anten anten phục vụ với máy di động Hình 1.1 Mô hình hệ thống có anten phục vụ người dùng di động Ma trận kênh: h1a h2a h3a  H    h1b h2b h3b  H=(KxM) (1.1) Từ ma trận kênh, trạm sở tính ma trận nghịch đảo ma trận G cho:  g11 g12  h1a h2a h3a     1 0 HG   g 21 g 22       h1b h2b h3b   g 31 g 32 0 1   (1.2) Ở G đóng vai trò nhƣ ma trận giả nghịch đảo H (G=H-1) thực mã trước dòng liệu nhắm đến máy di động (tức nhân với G=H-1) sau phát anten T1, T2, T3:  g11 g12   c11 c12 c13  da1 da da3    H D   g 21 g 22   C  c 21 c 22 c 23  db1 db2 db3   g 31 g 32    c31 c32 c33 1   T1   T   T (1.3) Sau qua kênh xuôi tín hiệu lại đƣợc nhân với ma trận kênh H, nên cuối ngƣời dùng nhận đƣợc liệu mình:  c11 c12 c13  h1a h2a h3a   HC  H H D    c 21 c 22 c 23  h1b h2b h3b    c31 c32 c33 1 (1.4)   da1 da da3   A   D     db1 db2 db3   B  Điểm then chốt hệ thống phát triển số anten trạm sở M lớn nhiều số ngƣời dùng di động (M>>K) Điều dẫn đến: - Ma trận kênh phải đƣợc xác định từ pilot phát từ máy di động kênh ngược Vì pilot tín hiệu trực giao đôi nên để phát từ M anten trạm sở dùng hết thời gian thời gian kết hợp kênh - Ma trận kênh xác định từ pilot kênh ngƣợc đƣợc sử dụng chiều kênh xuôi tức kênh có tính thuận nghịch, điều thực liên lạc song công miền thời gian (TDD) Đặc điểm M>>K đƣợc thể ma trận kênh ƣớc lƣợng từ pilot ˆ ≠H (do có tạp âm nhiệt tham gia vào tín hiệu) Điều dựa giới hạn [6]: H ˆ ˆH  I lim (1/ M).HH K M /K  (1.5) Do tính chất vecto ngẫu nhiên độc lập dài, dẫn đến dung lƣợng dự kiến Massive MIMO phụ thuộc vào việc cung cấp đƣờng truyền tiệm cận trực giao thiết bị đầu cuối (1.5) Các thí nghiệm kiểm chứng điều không phát hạn chế tính chất Bên cạnh việc Massive MIMO đem lại nhiều hiệu ứng không giống với truyền thống, kỹ thuật phát vấn đề hoàn toàn cần ý nhƣ: Nhiều thành phần có độ xác thấp giá rẻ phối hợp làm việc hiệu với nhau; Cách thu nạp đồng thiết bị đầu cuối tham gia; Khai thác bậc tự bổ sung đƣợc cung cấp dƣ thừa anten phục vụ; Giảm lƣợng tiêu thụ nội để đạt đƣợc đạt hiệu lƣợng tổng cộng, cách tìm kiếm kịch triển khai kỹ thuật điều kiện Với Massive MIMO, ta coi hệ thống sử dụng mảng anten với vài trăm anten phục vụ đồng thời vài chục thiết bị đầu cuối tài nguyên thời gian-tần số Nhìn chung, Massive MIMO tạo khả phát triển mạng băng thông rộng tƣơng lai (cố định di động), với hiệu lƣợng, phổ, an toàn mạnh mẽ 10 Tính mềm dẻo Massive MIMO thể nhiều cấu hình kịch cho phép triển khai mảng anten (hình 1.2) Mỗi đơn vị anten nhỏ tích cực, nuôi qua đƣờng dẫn quang kỹ thuật số điện Hình 1.2 Một số cấu hình kịch triển khai cho anten trạm sở Massive MIMO.[2] 1.2 Tiềm Massive MIMO Công nghệ Massive MIMO dựa đồng pha tính toán xử lý đơn giản tín hiệu từ tất anten trạm sở Một số lợi ích cụ thể hệ thống Massive MU-MIMO là:  Massive MIMO tăng dung lượng (tốc độ) gấp 10 lần nhiều đồng thời nâng cao hiệu xạ lượng cỡ 100 lần Sự tăng dung lƣợng kết ghép kênh không gian sử dụng Massive MIMO Điều dễ thấy từ mô hình ví dụ: Mã trƣớc dƣờng nhƣ tạo nên búp (beamforming) song song từ trạm sở đến máy di động dùng 11 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt [1] Bài giảng Thông tin di động, Thông tin số Trịnh Anh Vũ; Tiếng Anh [2] Erik G Larsson, Ove Edfors, Fredrik Tufvesson, Thomas L.Marzetta Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems, IEEE Communications Magazine, February 2014; [3] Hien Quoc Ngo, Erik G Larsson, Thomas Marzetta,Massive MU-MIMO Downlink TDD Systems with Linear Precoding and Downlink Pilots, Fifty-first Annual Allerton Conference, Allerton House, UIUC, Illinois, USA ,October 3, 2013; [4] Robert W Heath, What is the Role of MIMO in Future Cellular Networks: Massive? Coordinated? mmWave?, the University of Texas at Austin, 2013; [5] S M Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Estimation Theory Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1993; [6] Thomas L Marzetta, How much training is required for multiuser MIMO? Bell Laboratories, Lucent Technologies, Murray Hill, 2006 [...]... khai kỹ thuật mới này trong điều kiện hiện nay Với Massive MIMO, ta coi rằng hệ thống sử dụng mảng anten với vài trăm anten phục vụ đồng thời vài chục thiết bị đầu cuối trong cùng tài nguyên thời gian-tần số Nhìn chung, Massive MIMO tạo khả năng phát triển mạng băng thông rộng tƣơng lai (cố định và di động), với hiệu quả về năng lƣợng, về phổ, an toàn và mạnh mẽ 10 Tính mềm dẻo trong Massive MIMO. .. 10 Tính mềm dẻo trong Massive MIMO còn thể hiện trong nhiều cấu hình và kịch bản cho phép triển khai mảng anten (hình 1.2) Mỗi đơn vị anten nhỏ và tích cực, nuôi qua một đƣờng dẫn quang kỹ thuật số hoặc điện Hình 1.2 Một số cấu hình và kịch bản triển khai cho các anten trạm cơ sở của Massive MIMO. [2] 1.2 Tiềm năng của Massive MIMO Công nghệ Massive MIMO dựa trên sự đồng pha và tính toán xử lý rất... ngẫu nhiên độc lập dài, dẫn đến dung lƣợng dự kiến trong Massive MIMO phụ thuộc vào việc cung cấp các đƣờng truyền tiệm cận trực giao giữa các thiết bị đầu cuối (1.5) Các thí nghiệm kiểm chứng điều này cho đến nay đã không phát hiện bất kỳ hạn chế nào trong tính chất này Bên cạnh việc Massive MIMO đem lại nhiều hiệu ứng không giống với truyền thống, kỹ thuật này còn phát hiện ra những vấn đề hoàn toàn... rất đơn giản các tín hiệu từ tất cả các anten ở trạm cơ sở Một số lợi ích cụ thể của hệ thống Massive MU -MIMO là:  Massive MIMO có thể tăng dung lượng (tốc độ) gấp 10 lần hoặc nhiều hơn và đồng thời nâng cao hiệu quả bức xạ năng lượng cỡ 100 lần Sự tăng dung lƣợng do kết quả ghép kênh không gian sử dụng trong Massive MIMO Điều này dễ thấy từ mô hình ví dụ: Mã trƣớc dƣờng nhƣ đã tạo nên các búp (beamforming)... then chốt trong hệ thống trên khi phát triển là số anten ở trạm cơ sở M sẽ lớn hơn rất nhiều số ngƣời dùng di động (M>>K) Điều này sẽ dẫn đến: - Ma trận kênh phải đƣợc xác định từ các pilot phát từ các máy di động trên kênh ngược Vì các pilot là các tín hiệu trực giao đôi một nên nếu để phát từ M anten trạm cơ sở sẽ dùng hết thời gian trong thời gian kết hợp kênh - Ma trận kênh xác định từ các pilot trên... L.Marzetta Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems, IEEE Communications Magazine, February 2014; [3] Hien Quoc Ngo, Erik G Larsson, Thomas Marzetta ,Massive MU -MIMO Downlink TDD Systems with Linear Precoding and Downlink Pilots, Fifty-first Annual Allerton Conference, Allerton House, UIUC, Illinois, USA ,October 2 3, 2013; [4] Robert W Heath, What is the Role of MIMO in Future Cellular Networks: Massive? ... trong thời gian kết hợp kênh - Ma trận kênh xác định từ các pilot trên kênh ngƣợc đƣợc sử dụng luôn trong chiều kênh xuôi thì tức là kênh có tính thuận nghịch, điều này chỉ có thể khi thực hiện liên lạc song công trong miền thời gian (TDD) Đặc điểm M>>K đƣợc thể hiện ngay cả khi ma trận kênh ƣớc lƣợng từ pilot ˆ ≠H (do có tạp âm nhiệt tham gia vào tín hiệu) Điều này dựa trên giới hạn [6]: H ˆ ˆH  I lim... Austin, 2013; [5] S M Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Estimation Theory Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1993; [6] Thomas L Marzetta, How much training is required for multiuser MIMO? Bell Laboratories, Lucent Technologies, Murray Hill, 2006