KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ V DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VII CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 MỤC ĐÍCH 1.3 YÊU CẦU CỦA ĐỀ TÀI .3 1.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN CHƯƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG .5 2.1 TỔNG QUAN MASSVIE MIMO VÀ CELL NHỎ 2.1.1 Tổng quan hệ thống 2.1.2 Massive MIMO 2.1.2.1 Khái niệm 2.1.2.2 Ưu điểm Massive MIMO 2.1.2.3 MIMO mạng 5G 2.1.3 2.2 Small cell 2.1.3.1 Khái niệm 2.1.3.2 Các loại small cell 2.1.3.3 Ứng dụng cho mạng di động tương lai 10 MƠ HÌNH HỆ THỐNG .11 CHƯƠNG GIẢI PHÁP TỐI ƯU HÓA 14 3.1 VẤN ĐỀ TỐI ƯU HÓA LỒI 14 3.1.1 Thuật ngữ 14 3.1.2 Vấn đề tối ưu hóa lồi theo dạng chuẩn 15 3.2 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN 15 3.3 ĐỊNH LÝ .17 3.4 GIẢI THUẬT 18 CHƯƠNG MÔ PHỎNG .20 4.1 LƯU ĐỒ 20 4.2 CÁC THAM SỐ MÔ PHỎNG .24 4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 25 CHƯƠNG KẾT LUẬN 32 5.1 KẾT LUẬN .32 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 PHỤ LỤC A 34 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ HÌNH 1-1: HỆ THỐNG MASSIVE MIMO .7 HÌNH 1-2: MƠ HÌNH CELL NHỎ .9 HÌNH 2-1: MƠ HÌNH HỆ THỐNG MASSIVE MIMO VÀ CELL NHỎ 11 HÌNH 4-1: LƯU ĐỒ BIỂU DIỄN QUÁ TRÌNH KHỞI TẠO .20 HÌNH 4-2: LƯU ĐỒ BIỂU DIỄN QUÁ TRÌNH XỬ LÝ CÁC TRƯỜNG HỢP 21 HÌNH 4-3: LƯU ĐỒ BIỄN DIỄN QUA TRÌNH XỬ LÝ TIẾP THEO 22 HÌNH 4-4: LƯU ĐỒ BIỂU DIỄN QUÁ TRÌNH THU THẬP DỮ LIỆU VÀ KẾT THÚC .23 HÌNH 4-5: TRƯỜNG HỢP ĐƠN CELL ĐƯỢC PHÂN TÍCH TRONG PHẦN KẾT QUẢ, BS VÀ CÁC SCA ĐẶT CỐ ĐỊNH TRONG KHI 10 NGƯỜI DÙNG ĐƯỢC PHÂN BỐ NGẪU NHIÊN 24 HÌNH 4-6: TỔNG CƠNG SUẤT TIÊU THỤ TRUNG BÌNH NHƯ MƠ HÌNH HÌNH 4-5 XÉT NBS VÀ NSCA THAY ĐỔI, TRONG KHI RÀNG BUỘC QOS LÀ BIT/S/HZ 26 HÌNH 4-7: TỔNG CƠNG SUẤT TIÊU THỤ TRUNG BÌNH NHƯ MƠ HÌNH HÌNH 4-5 XÉT NBS VÀ NSCA THAY ĐỔI, TRONG KHI ĐÓ HỆ SỐ NHIỄU N F =7DB, QOS=1.5 BIT/S/HZ 27 HÌNH 4-8: TỔNG CƠNG SUẤT TIÊU THỤ TRUNG BÌNH NHƯ MƠ HÌNH HÌNH 4-5 XÉT NBS VÀ NSCA THAY ĐỔI, TRONG KHI ĐÓ SỐ NGƯỜI SỬ DỤNG K = 15, QOS = 1.5 BIT/S/HZ 28 HÌNH 4-9: TỔNG CƠNG SUẤT TIÊU THỤ TRUNG BÌNH NHƯ MƠ HÌNH HÌNH 4-5 XÉT NBS VÀ NSCA THAY ĐỔI, VỚI TRƯỜNG HỢP TỐI ĐA ANTEN TRÊN MỖI SCA .29 HÌNH 4-10: TỔNG TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG TRUNG BÌNH TRONG MƠ HÌNH CỦA HÌNH 4-5, VỚI NBS=50 VÀ NSCA=2 XÉT CÁC RÀNG BUỘC QOS KHÁC NHAU VÀ ĐỊNH DẠNG BEAMFORMING 30 HÌNH 4-11: TỔNG TIÊU THỤ ĐIỆN NĂNG TRUNG BÌNH TRONG MƠ HÌNH CỦA HÌNH 4-5, VỚI NBS=40 VÀ NSCA=3 XÉT CÁC RÀNG BUỘC QOS KHÁC NHAU VÀ ĐỊNH DẠNG BEAMFORMING 31 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU BẢNG 1: THÔNG SỐ VỀ PHẦN CỨNG TRONG ĐÁNH GIÁ SỐ LIỆU 24 BẢNG 2: THÔNG SỐ KÊNH TRONG ĐÁNH GIÁ SỐ LIỆU 25 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BS Base Station DAS Distributed-antena System FBS Femto Base Station LTE Long-Term Evolution MBS Macro Base Station MIMO Multi-Input Multi-Output MMSE Minimum Mean-Square Error QOS Quality-of-Service RZF Regularized Zero-Forcing SCA Small-Cell Access Point TDD Time-Division Duplex ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 1/37 CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu Ngày nay, bùng nổ thiết bị di động, với nhu cầu dịch vụ ngày đa dạng người, động lực phát triển mạnh mẽ lĩnh vực thông tin di động Các nhu cầu liên lạc, cơng việc giải trí người ngày có đòi hỏi khắt khe chất lượng, ổn định linh hoạt để tối đa hóa trải nghiệm người dùng Tài nguyên vô tuyến dùng cho thông tin di động hữu hạn đắt đỏ, nhu cầu sử dụng ngày cao, đặt nhiều thách thức cho nhà cung cấp dịch vụ nhà nghiên cứu Một giải pháp để nâng cao hiệu sử dụng tài nguyên vô tuyến công nghệ truyền thông vô tuyến sử dụng đa anten, hay gọi cơng nghệ truyền thơng đa đầu vào đa đầu (Multiple-Input Multiple-Output hay MIMO) Hiện nay, hệ thống thông tin di động tế bào hệ (3G) hệ (4G) chuẩn hố việc ứng dụng cơng nghệ MIMO để tăng tốc độ hay độ tin cậy truyền liệu Tuy nhiên,các tiêu chuẩn quy định việc sử dụng các cấu hình MIMO cỡ nhỏ Ví dụ, hệ thống thơng tin di động 4G (3GPP LTE-Advanced) quy định trạm gốc có tối đa anten thiết bị đầu cuối có tối đa anten.Điều chưa cho phép phát huy hết tiềm mà công nghệ MIMO hứa hẹn mang tới Hệ thống thông tin sử dụng cấu hình MIMO cỡ lớn (Massive MIMO) kỹ thuật thông tin đột phá mới, hứa hẹn phát huy hết khả công nghệ MIMO thông qua việc triển khai hàng trăm anten trạm gốc sử dụng kỹ thuật MUMIMO để phục vụ đồng thời hàng chục người dùng Được đề cử cho phiên 12 tiêu chuẩn 3GPP LTE/LTE-Advanced, công nghệ trở thành lĩnh vực nghiên cứu quan trọng Với lý trên, hệ thống thông tin sử dụng KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/37 cấu hình MIMO cỡ lớn hướng nghiên cứu quan tâm giới Hệ thống massive MIMO có nhược điểm tiêu tốn nhiều lượng phát lúc nhiều anten Vì giải pháp kết hợp cell nhỏ vốn tiêu tốn lượng cho phần cứng nên giảm mức tiêu thụ trung bình hệ thống Tuy nhiên, Việt Nam, hệ thống thông tin sử dụng cấu hình MIMO cỡ lớn chưa nghiên cứu nhiều Từ động lực đó, theo định hướng người hướng dẫn khoa học, học viên lựa chọn đề tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin sử dụng cấu hình MIMO cỡ lớn” làm nội dung nghiên cứu luận văn tốt nghiệp 1.2 Mục đích Để nâng cao hiệu sử dụng lượng tế bào, không làm giảm chất lượng dịch vụ người sử dụng (QoS) Hệ thống mạng phải cải tiến để sử dụng lại khơng gian cao Đề tài phân tích kết hợp hai phương pháp tập trung, trạm BS nhiều đầu vào nhiều đầu (MIMO) điểm truy cập cell nhỏ (SCA) Nếu đề tài triển khai nhà mạng đó, phương pháp tiếp cận tế bào khơng gian thực có nhiều máy phát phục vụ cho người sử dụng cách tạo thành chùm tia đa sóng khơng đồng Mục đích đề tài để giảm thiểu tổng lượng tiêu thụ, đáp ứng chất lượng dịch vụ cho người sử dụng Hơn nữa, giải pháp không bị giới hạn người sử dụng đến máy phát Bằng cách kết hợp MIMO cell nhỏ cải tiến tổng mức tiêu thụ điện thông qua kết mô Luận văn nghiên cứu hệ thống thơng tin sử dụng cấu hình massive MIMO cell nhỏ từ khái niệm ban đầu khía cạnh Hệ thống phân tích dựa theo mơ hình tốn học xử lý kênh tín hiệu, từ đưa biểu thức để đánh giá.Từ phân tích tốn học, luận văn tiến hành mô để làm rõ kết lý thuyết KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 3/37 Cuối cùng, dựa kết mô thu được,chúng ta đưa số nhận xét đánh giá cách trực quan hiệu hoạt động hứa hẹn hệ thống MIMO cỡ lớn 1.3 Yêu cầu đề tài - Tìm hiểu kỹ thuật massive MIMO - Tìm hiểu giải pháp small cell để tăng dung lượng mạng di động - Tìm hiểu hiệu việc kết hợp hai giải pháp massive MIMO small - cell Xây dựng mơ hình tốn học kiểm chứng mơ Matlab u cầu đề tài phải tìm giải pháp tối ưu lượng phát phải đáp ứng chất lượng dịch vụ Từ sở lý thuyết có phải giải tốn tối ưu để hệ thống thiết kế phải đảm bảo chất lượng 1.4 Phương pháp thực Để thực nghiên cứu để tài “Kết hợp giải pháp cell nhỏ massive MIMO để cải thiện hiệu sử dụng lượng cho mạng thông tin di động” đạt kết mong muốn, ban đầu tạo mơ hình hệ thống mạng di động gồm trạm BS điểm truy cập cell nhỏ (mơ tả chi tiết chương 2) Từ xây dựng thuật toán để xét việc giảm thiểu tổng tiêu thụ lượng đảm bảo ràng buộc QoS cho người dùng Sử dụng Định lý để đánh giá thuật toán phức tạp thấp, áp dụng phương pháp đốn RZF-beamforming để tính tốn phân bố cơng suất Từ tìm mức tiêu thụ lượng trung bình Đề tài áp dụng giải thuật phức tạp thấp tiến hành mơ dựa mơ hình kết hợp massive MIMO cell nhỏ Sau tiến hành đánh giá tổng cơng suất tiêu thụ trung bình sóng mang kết hợp kỹ thuật massive MIMO cell nhỏ, so sánh mức tiêu thụ công suất trung bình ba giải pháp tối ưu cho đơn cell, cell nhỏ áp dụng thuật toán phức tạp thấp Các vấn đề tối ưu hóa giải hộp cơng cụ thuật tốn SeDuMi, sử dụng kiểu ngôn ngữ CVX - KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/37 CHƯƠNG Mơ hình hệ thống 1.5 Tổng quan massvie MIMO cell nhỏ 1.1.1 Tổng quan hệ thống Các topo mạng macro-cell cổ điển phù hợp để cung cấp phạm vi lớn, xử lý số lượng người dùng ngày phát triển yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) mà thấy ngày nay, hiệu suất lượng thấp Con đường phía trước dường topo đậm đặc cho phép tái sử dụng khơng gian cao Hai phương pháp tiếp cận đưa nghiên cứu là: MIMO cỡ lớn cell nhỏ Phương pháp tiếp cận mảng anten lớn trạm BS lớn có Điều cho phép tập trung xác lượng phát cho người sử dụng, dẫn đến hiệu suất lượng cao nhiều Việc thu thập kênh khơng thể thiếu MIMO cỡ lớn, đòi hỏi việc khai thác tương hỗ kênh cách sử dụng phân chia theo thời gian song công (TDD) Chế độ làm cho độ xác ước lượng kênh giới hạn số người dùng số lượng anten BS Phương pháp tiếp cận thứ hai triển khai lớp phủ điểm truy cập tế bào nhỏ (SCA) để giảm tải lưu lượng từ BS, khai thác thực tế hầu hết lưu lượng truy cập liệu khoanh vùng yêu cầu người sử dụng có khả di chuyển thấp Cách tiếp cận làm giảm khoảng cách trung bình người sử dụng thiết bị phát, dẫn đến tổn thất lan truyền thấp hiệu suất lượng cao Điều kèm với giá có topo mạng khơng đồng cao, nơi khó kiểm sốt điều phối nhiễu người sử dụng einter-user Để đáp ứng thách thức này, ngành công nghiệp học viện chuyển trọng tâm từ femtocell người dùng triển khai sang SCA nhà khai thác triển khai Loại thứ hai dựa vào kết nối backhaul đáng tin cậy kiểm soát/điều phối chung BS SCA Sự tồn SCA chí minh bạch người dùng, phương pháp tiếp cận tế bào mềm đề xuất cho LTE Tổng tiêu thụ điện mơ với phần công suất tĩnh phụ thuộc vào phần cứng thu phát phần công suất động tương ứng với cường độ KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 22/37 Hình 4-4: Lưu đồ biểu diễn trình thu thập liệu kết thúc 1.12 Các tham số mô KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 23/37 Hình 4-5: Trường hợp đơn cell phân tích phần kết quả, BS SCA đặt cố định 10 người dùng phân bố ngẫu nhiên [1] Bảng 1: Thông số phần cứng đánh giá số liệu Tham số Giá trị Hiệu suất khuếch đại công suất 1  0.388,  0.052 j 0 j Công suất mạch anten 0  189 mW,  j  5.6 mW j Các ràng buộc cho anten q0,l  66, q j , l  0.08 mW j , l Bảng 2: Thông số kênh đánh giá số liệu Tham số Giá trị KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 24/37 Bán kính cell 0.5 km Số kênh thực 10 Tần số sóng mang / số sóng mang F=2 GHz / C=600 Tổng băng thông / băng thông song mang 10 MHz / 15kHz Tỉ lệ phân bố fading hk , j ~ CN (0, Rk , j ) Độ lệch chuẩn shadow fading 7dB Suy hao đường khoảng cách d (km) 148.1+37.6log10(d) dB Trường hợp đặc biệt: khoảng cách 40m từ SCA 127+30log10(d) dB Đồ biến thiên nhiễu (NF = dB) -127 dBm Nhiễu tầng (Nf) -174+10log10(BSC)+NF Số máy phát BS + SCA QoS ràng buộc người sử dụng bits/s/Hz SINR ràng buộc người sử dụng (2QoS-1) x ones(K,1) 1.13 Kết mô nhận xét Phần minh họa kết phân tích thuật tốn đề tài trường hợp mơ tả hình 4-5 Hình cho thấy cell lớn che phủ cell nhỏ Có 10 người dùng hoạt động hệ thống macro cell Trong có người phân bố hoạt động vùng phủ BS SCA có người sử dụng phạm vi 40m Đánh giá hiệu suất trung bình vị trí người dùng thực kênh Bảng cho thấy thông số phần cứng đặc trưng điện tiêu thụ máy phát Các kênh mô tương tự trường hợp cho việc triển khai không đồng theo tiêu chuẩn 3GPP LTE, tỉ lệ nhỏ fading thay đổi để phản ánh tác dụng MIMO cỡ lớn Giả sử tỉ lệ nhỏ fading Rayleigh: Ma trận tương quan không tương quan ( Rk , j � hk , j ~ CN (0, Rk , j ) ) SCA thứ j với người sử dụng k Các ma trận tương quan BS người dùng mơ theo mơ hình kênh vật lý, có đặc tính anten tương quan giảm bậc KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 25/37 kênh Lưu ý suy hao đường truyền khác BS SCA Các tham số kênh xem Bảng Hình 4-6: Tổng cơng suất tiêu thụ trung bình mơ hình hình 4-5 Xét NBS NSCA thay đổi, ràng buộc QoS bit/s/Hz Đầu tiên phân tích tác động việc số anten BS SCA thay đổi: N BS �{20,30, ,100}, N SCA �{0,1, 2,3} Hình 4-6 cho thấy tổng tiêu thụ điện trung bình (trên subcarrier) trường hợp mà 10 người dùng có ràng buộc QoS bit/s/Hz Việc truyền tải đa không gian tối ưu thu cách sử dụng Định lý vấn đề tối ưu hóa lồi giải cơng cụ thuật tốn SeDuMi, sử dụng kiểu ngơn ngữ CVX Hình 4-6 cho thấy việc bổ sung thêm phần cứng làm giảm đáng kể tổng lượng điện tiêu thụ Pdynamic + Pstatic Điều có nghĩa làm giảm phần công suất động, Pdynamic, điều có tập trung lượng tốt suy hao đường truyền thấp hơn, rõ ràng tác dụng việc gia tăng P static phần mạch bổ sung MIMO cỡ lớn mang lại cải tiến hiệu lượng lớn, KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 26/37 mức tiêu thụ lượng đạt nửa số ăng ten BS cách triển khai vài SCA anten đơn khu vực có người dùng hoạt động Cải tiến hiệu suất lượng đạt cách sử dụng SCA đa anten; topo mạng kết hợp MIMO lớn tế bào nhỏ mong muốn đạt hiệu lượng cao với phần cứng bổ sung Tuy nhiên, có điểm bão hòa mà phần cứng thêm khơng làm giảm tổng công suất Lưu ý công suất hiển thị dBm, có 10 lần cải thiện hình 4-6 Hình 4-7: Tổng cơng suất tiêu thụ trung bình mơ hình hình 4-5 Xét NBS NSCA thay đổi, hệ số nhiễu NF =7dB, QoS=1.5 bit/s/Hz Hình 4-7 cho ta thấy việc hệ số nhiễu làm tăng tổng suy hao đường truyền, từ làm tăng tổng cơng suất tiêu thụ trung bình để đảm bảo chất lượng dịch vụ Khi giảm ràng buộc QoS =1.5 bit/s/Hz số anten BS lớn, tổng công suất phát trung bình giảm đáng kể Điều thể rõ kết việc tối ưu KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 27/37 Hình 4-8: Tổng cơng suất tiêu thụ trung bình mơ hình hình 4-5 Xét NBS NSCA thay đổi, số người sử dụng K = 15, QoS = 1.5 bit/s/Hz Hình 4-8 thể tổng cơng suất tiêu thụ trung bình tăng số người sử dụng K=15 Việc làm cho tổng công suất tiêu thụ hệ thống tăng đáng kể Nhưng tối ưu hệ thống tăng số lượng ăn làm giảm tổng cơng suất tiêu thụ trung bình KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 28/37 Hình 4-9: Tổng cơng suất tiêu thụ trung bình mơ hình hình 4-5 Xét NBS NSCA thay đổi, với trường hợp tối đa anten SCA Mặc dù hệ thống cho phép truyền đa dòng, mơ hiển thị xác suất 0-3% để phục vụ người dùng nhiều máy phát Điều phù hợp với hệ Tác động việc tăng NSCA, trường hợp mà SCA phục vụ nhiều người dùng để phục vụ độc quyền, xác suất 20-45% N SCA = giảm với NBS Xác suất phục vụ tăng lên chô SCA tăng N SCA=5 nhiều KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 29/37 Hình 4-10: Tổng tiêu thụ điện trung bình mơ hình Hình 4-5, với N BS=50 NSCA=2 Xét ràng buộc QoS khác định dạng beamforming Tiếp theo, hình 4-10 xem xét NBS = 50 NSCA = cho ràng buộc QoS khác Ba thuật toán beamforming so sánh từ Đinh lý 1: 1) Tối ưu beamforming sử dụng BS; 2) Multiflow-RZF; 3) Tối ưu phối hợp soft-cell không gian Như hình trước, quan sát thấy cải tiến lớn hiệu lượng cách giảm tải người dùng đến SCA Các beamforming MultiflowRZF đề xuất cho kết đầy hứa hẹn cho ứng dụng thực tế, phần lớn cải tiến hiệu lượng đạt kỹ thuật beamforming đắn có độ phức tạp thấp KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 30/37 Hình 4-11: Tổng tiêu thụ điện trung bình mơ hình Hình 4-5, với N BS=40 NSCA=3 Xét ràng buộc QoS khác định dạng beamforming Hình 4-11 xét trường hợp giảm số anten N BS=40 tăng số anten NSCA=3, thấy tổng cơng suất tiêu thụ trung bình tăng lên so với Hình 4-10 Bởi giảm số anten BS làm ràng buộc L 0, nghĩa làm giảm điều phối công suất đến người sử dụng làm cho tổng công suất phát tăng lên KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 31/37 CHƯƠNG KẾT LUẬN 1.14 Kết luận Hiệu suất lượng mạng di động cải thiện cách sử dụng MIMO cỡ lớn trạm BS thay hạ tầng SCA Bài báo phân tích kết hợp khái niệm dựa phối hợp cell mềm, nơi mà người dùng phục vụ cách tạo beamforming không liên kết từ nhiều máy phát Đề tài chứng minh truyền tải đa không gian xảy theo ràng buộc QoS đạt cách giải vấn đề tối ưu lồi Giải pháp tối ưu tự động gán cho người sử dụng máy phát tối ưu, thường BS SCA Phân tích xem xét tiêu thụ lượng phát phần động phần tĩnh phần cứng Đề tài cung cấp kết đầy triển vọng cho thấy tổng tiêu thụ điện cải thiện nhiều cách kết hợp MIMO cỡ lớn cell nhỏ Hầu hết lợi ích thực cách tạo beamforming phức tạp, chẳng hạn hình thành beamforming MultiflowRZF 1.15 Hướng phát triển Đề tài “Kết hợp giải pháp cell nhỏ massive MIMO để cải thiện hiệu sử dụng lượng cho mạng thông tin di động” mô hệ thống nhỏ đánh giá với số lượng nhỏ người dùng Cần phát triển hệ thống để đánh giá sát với thực tế Từ áp dụng mơ hình hệ thống MIMO cỡ lớn kết hợp cell nhỏ thực tiễn Các kết tối ưu cơng suất tiêu thụ trung bình hệ thống sử dụng tiền giải mã RZF, cần sử dụng giải mã khác phức tạp MMSE (minimum mean-square error) trường hợp thực tế mà số lượng anten nhiều KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 32/37 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh: [1] Emil Bjornson, Marios Kountouris, and Merouane Debbah (2013), Massive MIMO and Small Cells: Improving Energy Efficiency by Optimal Soft-Cell Coordination, Stockholm, Sweden [2] J Hoydis, M Kobayashi, and M Debbah (2011), “Green small-cell networks,” IEEE Veh Technol Mag., vol 6, no 1, pp 37–43 [3] E Bjornson and E Jorswieck (2013), “Optimal resource allocation in coordi- nated multi-cell systems,” Foundations and Trends in Communications and Information Theory, vol 9, no 2-3, pp 113–381 [4] S Boyd and L Vandenberghe (2004), Convex Optimization, Cambridge University Press [5] J Sturm (1999), “Using SeDuMi 1.02, a MATLAB toolbox for optimization over symmetric cones,” Optimization Methods and Software, vol 11-12, pp 625– 653 [6] M Bengtsson (2001), “Jointly optimal downlink beamforming and base station assignment,” in Proc IEEE ICASSP, pp 2961–2964 [7] CVX Research Inc (2012), “CVX: Matlab software for disciplined convex programming, version 2.0 beta,” http://cvxr.com/cvx [8] H Holma and A Toskala (2012), LTE Advanced: 3GPP Solution for IMTAdvanced, 1st ed Wiley [9] S Cui, A Goldsmith, and A Bahai (2005), “Energy-constrained modulation optimization,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 4, no 5, pp 2349– 2360 [10] R Kumar and J Gurugubelli (2011), “How green the LTE technology can be?” in Proc Wireless VITAE [11] Jon Mundy, What is Massive MIMO technology? https://5g.co.uk/guides KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 33/37 PHỤ LỤC A Chứng minh: - Đưa dạng toán tối ưu: Để tối ưu Pdynamic + Pstatic (A.1) Tùy thuộc vào: log   SINR k  � k K �w k 1 - H k, j Q j ,l w k , j �q j ,l k , j , l Ta có: log (1  SINR k ) � k  2 k SINR  k (A.4) S hkH,0 w k ,0  �hkH, j w k , j j 1 2� w i,0  �hkH, j w i, j �  k2 i 1 � j 1 � i �k K (A.3) ۳ (A.2) �H S ��h 2 k  k ,0 S ۳ �h K j 0 S ��h i 1 j  i �k S ۳ �h j 0 H k,j H k,j wk,j j 0 H k,j 2 k  (A.6) w k, j K wk,j 2 k  S ��h 1 �h w i, j   k2 k S � H k,j (A.5) i 1 j  i �k H k,j w i, j   k2 (A.7) K S  ��hkH, j w i, j � k2 i 1 j  i �k (A.8) KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 34/37 S �w K � � k,j  w i , j �� k2 � k � � 1 �2  ii � � k � � H k,j � �h j 0 (A.10) S K � � � � � �hkH, j �  W  W hk , j � k2 � � � � k , j i , j � � j 0 i 1 k � � % � � Wk , j  w k , j w kH, j k , j Đặt K �w k 1  ۣ (A.11) H k, j Q j ,l w k , j �q j ,l j , l K �tr (Q k 1 (A.12) j ,l Wk , j ) q j ,l j , l (A.13) - Từ (A.10) (A.13) toán tối ưu viết lại: Tối ưu S K j 0 k 1 � j �tr (Wk , j )  Pstatic (A.14) Tùy thuộc vào: rank (Wk , j ) �1 K � � � 1� H h  W  W hk , j � k2 � � � � � k, j � k, j i, j � � %  j 0 i 1 � k� � � S K �tr (Q k 1 j ,l Wk , j ) �q j ,l k , j , l (A.15) Chứng minh Định lý 1: Tối ưu S K j 0 k 1 � j �tr (Wk , j )  Pstatic (A.16) Tùy thuộc vào: rank (Wk , j ) �1 K � � � 1� H h  W  W hk , j � k2 � � � � � k, j � k , j i , j � � % j 0 i 1 � k � � � S K �tr (Q k 1 j ,l Wk , j ) �q j ,l k , j , l (A.17) KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 35/37 - Ta có hàm phân bố cơng suất K  tr (Q � k 1 u pk , j ukH, j ) q j ,l j ,l k , j K �Q k 1 - j ,l ,k với wk, j  pk*, j uk , j j, l Khi j  0, , S : Q j ,l , k  ukH, j Q j ,l uk , j  ۣ pk , j  tr (Wk , j ) (A.18) l ,k q j ,l j, l pk , j (A.19) g  hiH, j uk , j Tại máy phát j  0, , S có: i , j ,k i, k S K � � � �hkH, j �  �Wk , j hk , j  �hkH, j Wi , j hk , j � k2 j 0 i 1 � % k � (A.20) S � � K � �pk , j g k ,k , j �  � �pi , j g k ,i , j � k2 k j 0 k � i 1 � % (A.21) - Từ (A.19) (A.21) suy ra: S Tối ưu K � �p j 0 j k 1 k, j  Pstatic (A.22) Tùy thuộc vào K �Q k 1 j ,l , k pk , j �q j ,l j , l � � K g  � �pi , j g k ,i , j � k2 k k , j k ,k , j � k � i 1 � % S �p j 0 - Luôn tồn giải pháp với rank (Wk*, j ) �1 k , j giả sử có giải pháp tối ưu {Wk**,j k , j} trường hợp k, j.Chúng ta thay Wk**,j với (A.23) Để chứng minh điều này, rank (Wk**,j ) �1 cho số V �0 Khi đó: H k, j Maximize h Vh k , j subject to tr(V) �tr(Wk**, j ) tr(Q j ,l V) tr(Q j ,l Wk**, j ) h iH, j Vh i , j �h kH, j Wk**, j h k , j i �k Giải pháp V = Wk**,j (A.24) ln có rank = tiêu tốn lượng gây nhiễu Chứng minh hệ 1: KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 36/37 Cho Ak  �1 � 1 diag � hk ,0 hkH,0 , , hk ,S hkH,S � k S �0 �là ma trận chéo T % w  �  w T  S w Tk , S � � tập hợp beamforming vector Q j ,l khối ma Và k � k ,0 trận cho Giả sử w kH Q%j ,l w k  w kH Q j ,l w k w *k   k uk giải pháp tối ưu cơng thức (9), uk đơn vị chuẩn Tính theo hai chiều downlink-uplink ta có: % k  Trong Bk  � i �k  k ukH A k uk k ukH A k uk  �i �k iuiH Ak ui  ukH Bk uk i A i  �j ,l  j ,l Q%j ,l    k ,  j ,l (A.25) hệ số nhân Lagrange tối ưu cho QoS ràng buộc công suất Biểu thức cuối (SINR đường lên) có 1 1 B 2A B giá trị lớn uk vector riêng đặc trưng k k k Khi Bk Ak khối vector chéo, trị số riêng chiếm ưu tạo từ khối vector riêng tương ứng khác khơng cho khối Vì khối tương ứng với BS SCA, điều có nghĩa nên phục vụ người dùng k máy phát Lý để có uk khác có đa dạng giá trị riêng riêng chi phối giải pháp máy phát đơn hỗ trợ ràng buộc cơng suất, điều có nghĩa ràng buộc cơng suất hoạt động Điều chứng minh ba trường hợp nêu hệ KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ... trên, hệ thống thông tin sử dụng KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 2/37 cấu hình MIMO cỡ lớn hướng... ngữ: metrocell, femtocell femtocell, femtocell truy cập công cộng, femtocell doanh KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ĐỒ... ten vào khu vực nhỏ, họ cần sử dụng tần số cao (và bước sóng ngắn hơn) so với tiêu chuẩn mạng di động KẾT HỢP GIẢI PHÁP CELL NHỎ VÀ MASSIVE MIMO ĐỂ CẢI THIỆN HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CHO MẠNG