Massive MIMO và kĩ thuật điều khiển thông lượng người dùng

Mục lục I,Giới thiệu MIMO 1,Tổng quan MIMO 1.1,Giới thiệu: 1.2 Phân loại 1.3 Ưu nhược điểm .6 Khái niệm Massive MIMO ứng dụng 2.1 Khái niệm Massive MIMO 2.2 Lợi Massive MIMO 2.3 Ứng dụng .8 II Hệ Thống Massive MIMO 2.1 Mô tả hệ thống Massive MIMO đơn cell 2.2 Hoạt động hệ thống Massive MIMO .11 2.3 Mơ hình hệ thống cho Uplink Downlink 15 2.4 Hiệu sử dụng phổ , lượng .17 III Kỹ thuật điều khiển thông lượng đồng cho người dùng hệ thống Massive MIMO 18 3.1 Một số kỹ thuật ước lượng tuyến tính 18 3.2 Mơ hình kênh tương đương 19 3.3 Tính tốn phẩm chất kênh Massive MIMO 20 3.4 Kỹ thuật điều khiển thông lượng người dùng đồng 26 Kết Luận 29 Lời mở đầu Ngày nay, tài nguyên vô tuyến dùng cho thông tin di động giới hạn đắt đỏ, nhu cầu sử dụng ngày cao, nhiều thách thức đặt 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) triển khai áp dụng cho mạng 4G tiếp tục cho 5G.Trong việc điều khiển phân phối luồng liệu cho người dùng vấn đề vơ quan trong MIMO, nhóm em chọn đề tài “Kỹ thuật điều khiển thông lượng đồng cho người dùng hệ thống Massive MIMO.” Trong tiểu luận nhóm bọn em trình bày gồm chương : Chương I: Giới thiệu Massvie MIMO Phần giới thiệu định nghĩa MIMO, phân loại lợi ích sử dụng nhược điểm nó, nói hệ thống Massvie MIMO Chương II : Hệ thống Massvie MIMO Phần trình bày chi tiết Massive MIMO lấy ví dụ hệ thống Massvie MIMO đơn cell , mô tả đường truyền liệu cho đường Uplink Downlink, cuối việc hiệu sử dụng phổ lượng hệ thống Chương III : Kỹ thuật điều khiển thông lượng đồng cho người dùng hệ thống Massive MIMO Phần vào việc sử dụng phương pháp ước lượng để mơ hình hệ thống cơng thức tốn học từ đưa việc tính tốn để điều khiển thông lượng cho người dùng Phần cuối tổng kết Em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Thế Ngọc cô Lê Tùng Hoa giúp đỡ nhóm em Trong q trình làm tiểu luận có nhiều thiếu sót ,rất mong thầy bỏ qua cho nhóm em I,Giới thiệu MIMO 1,Tổng quan MIMO 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 cho lĩnh vực thông tin di động Do tài nguyên vô tuyến dùng cho thông tin di động giới hạn đắt đỏ, nhu cầu sử dụng ngày cao, nhiều thách thức đặt 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 thơng vơ tuyến sử dụng đa ăngten, hay gọi công nghệ truyền thông đa đầu vào đa đầu (Multiple-Input Multiple-Output hay MIMO) triển khai áp dụng cho mạng 4G cho 5G Tuy nhiên hệ công nghệ từ 1G-4G tận dụng hết khả phân tài nguyên cho nhiều người dùng miền tần số, thời gian, mã trải băng rộng…trong chưa tận dụng khả phân theo không gian Hệ thống Massive MIMO, ứng cử viên cho mạng 5G thực điều Theo búp sóng “ảo” phân đến người dùng vị trí khác hoạt động khe thời gian - tần số Công nghệ tạo nên bước phát triển đột phá, đồng thời đem lại hiệu suất phổ hiệu suất lượng tăng lên hàng chục, hàng trăm lần Không hệ thống Massive MIMO dễ dàng cho phép điều khiển thơng lượng (throughput) đồng cho người dùng cell, điều không dễ thực trọng hệ cộng nghệ trước hiệu ứng xa-gần người dùng trạm sở Đây vấn đề lựa chọn nghiên cứu luận văn là: kỹ thuật điều khiển thông lượng người dùng đồng Massive mimo Hiệu dung lượng bị giới hạn kênh truyền truyền dẫn không dây vấn đề cần giải Đó giống vấn đề hệ thống MIMO hình ảnh sử dụng nhiều anten máy phát máy thu Trên thực tế hoạt động hiệu kênh truyền không dây hiệu ứng fading đa đường MIMO lợi dụng đa đường để ta tăng tín hiệu để cung cấp tính sau : - Beamforming: kỹ thuật hướng búp sóng: cho phép anten chỉnh theo hướng thích hợp để đạt SNR tốt cách tăng cơng suất thu - Phân tập khơng gian: tín hiệu máy phát mã hóa khơng gian miền thời gian với số dự phòng để cải thiện BER hiệu suất hệ thống - Ghép kênh khơng gian: tập hợp dòng liệu truyền song song từ anten khác xử lý tín hiệu thích hợp sử dụng máy thu để tách dòng liệu - Có nhiều Viện nghiên cứu, nhóm nghiên cứu, phòng thí nghiệm tập trung nghiên cứu sâu sắc MIMO người ta cho rằng: công nghệ MIMO thực tảng hệ thống 3G, 4G mạng khơng dây khác Trong hệ vơ tuyến tín hiệu phát phát theo nhiều đường phải dùng định tuyến để định tuyến “ bó đường truyền ảo” Khi nói đến khái niệm “các đường” đường phải có “khoảng cách” hay “khe hở”, tín hiệu hồn tồn nhảy từ đường sang đường chúng truyền phía thiết bị thu mơ hình MIMO phải sử dụng thuật toán đặc biệt vi xử lý tín hiệu đặc biệt để tách khơi phục tín hiệu thu thành tín hiệu nguyên thủy ban đầu phía phát Như ta định nghĩa MIMO hệ thống thơng tin vô tuyến sau: “Nếu hệ thống thông tin vơ tuyến sử dụng nhiều anten phía phát lẫn phía thu ta gọi hệ thống MIMO” Hình Mơ hình kênh MIMO với Nt anten phát Nr anten thu Ưu điểm Với tất đặc tính kể ta kết luận vắn tắt ưu điểm hệ MIMO sau:  Tăng dung lượng (capacity) kênh truyền tăng tốc độ liệu  Tăng cường khả chống Fading chí phần khai thác  Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng điều khiển hướng phát xạ khơng máy phát thu) Nhược điểm 1.2 Phân loại Phụ thuộc vào mức độ sử dụng đa anten máy phát máy thu , kĩ thuật đa anten phân loại thành : -Một đầu vào nhiều đầu (SISO : Single-Input Multi-Output) -Nhiều đầu vào, đầu (MISO: Multi Input Single Output) -Nhiều đầu vào ,nhiều đầu (MIMO: Multi Input Multi Output) Như kịch trạm gốc có nhiều anten thơng tin với UE có anten , đường lên gọi SIMO đường xuống gọi MISO.Khi đầu cuối di động nhiều anten sử dụng đường truyền trở thành MIMO đầy đủ Mặc dù thuật ngữ MIMO sử dụng theo nghĩa rộng bao hàm SIMO MISO trường hợp đặc biệt Trong liên kết MIMO điểm đến điểm trạm gốc MS gọi MIMO đơn người sử dụng (SU-MIMO : Single User MIMO), đa người sử dụng (MU-MIMO) cho phép nhiều MS thông tin đồng thời với trạm gốc chung cở sở sử dụng tài nguyên miền tần số thời gian Mở rộng , xét ngữ cảnh nhiều ô, trạm gốc lân cận chia sẻ ante theo cách MIMO ảo để thơng tin với tập UE ô khác ta có thuật ngữ MIMO đa người sử dụng đa 1.3 Ưu nhược điểm a, Ưu điểm Dung lượng : Do sử dụng nhiều anten đầu phát đầu thu nên truyền tín hiệu ta truyền nhiều đường liệu song song mà dung lượng hệ thống cải thiện Chất lượng : Với kĩ thuật xử lí khơng gian nhiễu đầu thu giảm mạnh so với trường hợp hệ thống có anten thu : Với kĩ thuật tạo búp tín hiệu truyền theo hướng mong muốn công suất phát tập chung vào hướng mong muốn , giảm cơng suất phát thiết bị Tăng cường khả chống Fading chí phần khai thác Loại bỏ nhiễu (chẳng hạn tạo búp sóng điều khiển hướng phát xạ không máy phát thu) b, Nhược điểm Nhược điểm lớn MIMO có nhiều anten dẫn đến độ phức tạp lớn , thể tích giá thành phần cứng lớn nhiều so với SISO Sử dụng nhiều anten ta thu nhiều độ lợi tạo búp sóng phân tập lớn Tuy nhiên sử dụng nhiều anten thể tích thiết bị lớn điện thoại ngày nhỏ Chi phí giá thành cho thiết bị cao (do sử dụng nhiều ăng-ten thu phát, phải dùng vi xử lý đặc biệt chuyên dụng…) Khái niệm Massive MIMO ứng dụng 2.1 Khái niệm Massive MIMO Massive MIMO (mô hình MIMO cỡ lớn) hệ thống mạng MIMO đa người dùng số anten trạm phát lớn so với số lượng người dùng Phần mơ tả mơ hình mạng viễn thơng thu phát tín hiệu đơn giản đường lên đường xuống Để đơn giản nghiên cứu mơ hình mạng đơn tế bào Mạng MIMO tiêu chuẩn có xu hướng sử dụng hai bốn ăng ten Mặt khác, MIMO khổng lồ hệ thống MIMO có số lượng ăng ten đặc biệt cao Khơng có số thiết lập cho tạo nên thiết lập MIMO lớn, mơ tả có xu hướng áp dụng cho hệ thống có hàng chục chí hàng trăm ăng ten Ví dụ, Huawei, ZTE Facebook trình diễn hệ thống MIMO khổng lồ với số lượng lên tới 96 đến 128 ăng ten 2.2 Lợi Massive MIMO Ưu điểm mạng MIMO so với mạng thông thường nhân lên dung lượng kết nối không dây mà không cần nhiều phổ tần Các báo cáo cải tiến đáng kể lực có khả mang lại lợi nhuận cao gấp 50 lần tương lai Máy phát / máy thu trang bị nhiều, đường dẫn tín hiệu tốt hiệu suất tốt tốc độ liệu độ tin cậy liên kết Mạng Massive MIMO phản ứng nhanh với thiết bị truyền dải tần số cao hơn, điều cải thiện vùng phủ sóng Đặc biệt, điều có lợi ích đáng kể để có tín hiệu mạnh nhà (mặc dù tần số cao 5G có vấn đề riêng vấn đề này) Số lượng ăng-ten lớn mạng MIMO khổng lồ giúp khả chống nhiễu gây nhiễu có chủ ý cao nhiều so với hệ thống sử dụng số ăng-ten Cũng cần lưu ý rằng, mạng MIMO khổng lồ sử dụng công nghệ định dạng tia, cho phép sử dụng phổ mục tiêu Các mạng di động ngu ngốc cách chúng phân bổ nhóm phổ tất người dùng vùng lân cận, dẫn đến tắc nghẽn hiệu suất khu vực đông dân cư Với Massive MIMO trình tạo chùm vậy, quy trình xử lý thơng minh hiệu nhiều, tốc độ độ trễ liệu đồng mạng 2.3 Ứng dụng Mặc dù nguyên tắc MIMO tiêu chuẩn sử dụng nhiều tiêu chuẩn Wi-Fi 4G, Massive MIMO thực phát huy tác dụng 5G xuất Thật vậy, người ta kỳ vọng Massive MIMO yếu tố định thành phần 5G Một vai trò mạng 5G xử lý gia tăng lớn việc sử dụng liệu xung quanh Cisco ước tính đến năm 2020 - 5G thiết lập để hướng tới đối tượng - có 5,5 tỷ người dùng di động toàn giới, người tiêu thụ 20 GB liệu tháng Điều chí khơng bao gồm tác động to lớn mà Internet of Things dự đốn có mạng di động Khả lớn MIMO để phục vụ nhiều người dùng - nhiều thiết bị - đồng thời khu vực cô đọng trì tốc độ liệu nhanh hiệu suất ổn định làm cho trở thành cơng nghệ hoàn hảo để giải nhu cầu kỷ nguyên 5G tới II Hệ Thống Massive MIMO Trong hệ thống truyền thông không dây, giới hạn hiệu hệ thống nằm lớp vật lý, lượng thơng tin truyền hai địa điểm giới hạn độ khả dụng phổ tần số, định luật truyền sóng vơ tuyến lý thuyết thơng tin Do có ba phương thức để tăng hiệu mạng vơ tuyến là: tăng mật độ triển khai điểm truy cập (tức tăng hệ số sử dụng lại tần số); bổ sung thêm băng tần; áp dụng kỹ thuật tăng hiệu suất sử dụng phổ Do việc triển khai thêm điểm truy cập cấp phát dải tần tốn không dễ dàng, nên nhu cầu tối đa hóa hiệu suất phổ băng tần cho trước điều tất yếu Kỹ thuật MIMO (Nhiều đầu vào nhiều đầu ra) phương pháp khả thi để cải thiện hiệu suất phổ cách sử dụng chiều không gian Trong hệ thống Massive MIMO (MIMO cỡ lớn) dạng đặc thù kỹ thuật MIMO, ứng cử viên sáng giá cho mạng thông tin di động hệ thứ Phần mô tả tổng quan mơ hình hệ thống Massive MIMO từ phiên trước nguyên lý hoạt động trình bày theo phần 2.1 Mơ tả hệ thống Massive MIMO đơn cell 2.1.1 Hệ thống Multiuser MIMO Ý tưởng hệ thống Multiuser MIMO trạm sở phục vụ nhiều đầu cuối sử dụng chung tài nguyên không gian – tần số, khác với hệ thống SU – MIMO (MIMO đơn người dùng) chỗ phục vụ đầu cuối với nhiều anten Giả sử máy đầu cuối đơn anten, mơ hình MU-MIMO bao gồm trạm phát với anten người dùng hoạt động Hình 2.1a: Đường lên Hình 2.1b: Đường xuống Hình 2.1 : Hệ thống Multiuser MIMO Hình 2.1 mơ tả hệ thống MU-MIMO mơ hình đường lên đường Trong kênh đường xuống, máy đầu cuối nhận liệu khác Trong đường lên đường xuống, ln có K kết nối đồng thời hoạt động kênh không-thời gian Khác với trường hợp MIMO điểm-điểm, máy đầu cuối khác không kết hợp với nhau, việc mã hóa giải mã thực độc lập Tại đường lên, đầu cuối có giá trị cơng suất riêng, khác với kênh đường xuống giới hạn cơng suất tính tổng công suất phát xạ tất anten Trên đường lên, trạm phát phải biết thông tin kênh, đầu cuối phải cho biết tốc độ truyền tải cho phép riêng biệt Trên đường xuống, trạm sở đầu cuối phải biết thơng tin kênh Do hệ thống MU-MIMO tiêu tốn nhiều tài nguyên cho việc truyền thông tin pilot hai chiều 2.1.2 Hệ thống Massive MIMO đơn cell Xét kênh truyền gồm có anten phát tín hiệu x(t) qua kênh truyền thu tín hiệu y(t) anten thu.Mối quan hệ x(t) y(t) tuyến tính theo phương trình 10 Trong tạp âm : tín hiệu từ UE thứ k cell l : độ lợi kênh truyền từ UE k, cell l tới BS j Hình 2.4 : Minh họa mơ hình truyền dẫn UL hệ thống Massive MIMO Tín hiệu từ UE biểu diễn với vector v hướng cho đường lên : b, Downlink Mơ hình truyền dẫn Massive MIMO cho UL mơ tả hình 2.5 16 Hình 2.5 : Mơ hình đường dẫn DL hệ thống Massive MIMO Tín hiệu nhận UE thứ k cell j 2.4 Hiệu sử dụng phổ , lượng Sử dụng anten mảng lớn trạm phát, thấy đồng thời phục vụ nhiều người dùng với băng tần qua việc phân đường truyền độc lập búp ảo, làm tăng hiệu suất phổ từ 10-100 lần Ngoài mảng anten lớn trạm sở đem lại độ lợi công suất thu tập trung công suất phát đem lại hiệu suất lượng tăng đến 10 lần Những phân tích chi tiết chương sau cho thấy việc tăng số anten làm tăng bậc tự khơng gian tín hiệu dẫn đến làm đơn giản phép xử lý tín hiệu dựa vào đặc tính vecto ma trận ngẫu nhiên có độ dài lớn 17 III Kỹ thuật điều khiển thông lượng đồng cho người dùng hệ thống Massive MIMO Chương trình bày kỹ thuật hệ thống Massive MIMO đường xuống đường lên đồng thời tính tốn phẩm chất đường truyền hệ thống đơn cell Sau đề xuất kỹ thuật điều khiển thông lượng đồng Song trước hết phần đầu chương điểm lại kỹ thuật ước lượng tuyến tính làm sở cho việc phân tích xử lý tín hiệu đơn giản hiệu phía sau 3.1 Một số kỹ thuật ước lượng tuyến tính Xét phương trình tổng quát y= Hx+n Trong : x : vectơ biểu diễn giá trị K tín hiệu nguồn phát từ K vị trí khác y : vectơ biểu diễn giá trị tín hiệu nhận từ M vị trí thu H: ma trận kênh truyền từ nguồn phát tín hiệu đến nơi thu n : vecto tạp âm Trong phương trình trên: - Khi biết y, x, ước lượng H ta gọi ước lượng kênh, x lúc đóng vai trò Pilot để dò kênh - Khi biết y, H , ước lượng x ta gọi tách liệu Sở dĩ ta dùng từ ước lượng khơng thể tính xác đại lượng muốn tìm biết đại lượng có tạp âm ngẫu nhiên n tham gia nên ước lượng tốt theo tiêu xác định Ngồi H x đại lượng ngẫu nhiên theo hàm phân bố dụng tính chất phân bố để ước lượng tốn quan trọng kỹ thuật viễn thơng Về phương pháp luận, không quan tâm đến phân bố riêng H x, toán đối 18 ngẫu với tham gia tạp âm: biết đại lượng, ước lượng đại lượng thứ - Chú ý toán dùng phương pháp ước lượng tuyến tính điển hình khác trình bày đây, nên ta cần xét toán biết trước y, H ước lượng x Trong phương pháp này, x tính thơng qua phép nhân vecto quan sát y (thu được) với ma trận xử lý A theo (2.1), nên gọi ước lượng tuyến tính Ba phương pháp là: - Ước lượng cho tỷ số tín tạp (SNR) cực đại, gọi MRC (Tổ hợp tỷ số cực đại) - Ước lượng cho sai lệch so với vecto quan sát y nhỏ nhất, gọi ZF hay LS - Ước lượng cho sai lệch so với vecto nguồn tín hiệu x nhỏ nhất, gọi MMSE 3.2 Mơ hình kênh tương đương Phương trình qua kênh tổng quát: Nếu khơng biết kênh xác mà có ước lượng qua pilot đặt H = +ε phương trình viết lại thành: Ta phương trình tương đương, kênh biết xác kênh ước lượng Z đóng vai trò H xác v tạp âm tương đương có cộng thêm sai số ước lượng kênh Áp dụng mô hình kênh tương đương vào đường truyền viễn thơng thực tế hệ Massive MIMO có tính đến suy hao đường truyền, thay biểu diễn kênh nói thành , 19 : - Hệ số βk diễn tả suy giảm công suất chung theo khoảng cách từ máy MS k đến anten m BS (do khoảng cách anten m nhỏ so với khoảng cách nên suy giảm công suất giống nhau), suy giảm thay đổi chậm theo thời gian - Thừa số hkm lại diễn tả biến đổi nhanh theo thời gian (phân bố Raylegh) Ta có biểu diễn kênh thực tế: Các tính tốn mơ hình tốn học giữ ngun cho h, cần bổ sung thêm thừa số (do thừa số biến đổi chậm) ngồi cơng suất tín tạp nơi thu ρ chuẩn hóa tạp âm thay Pβ (với P cơng suất máy phát tính theo tạp âm máy thu chuẩn hóa) Theo đó: Phương pháp ước lượng sử dụng MRT/MRC (ở đường lên MRC đường xuống MRT) Zero Forcing 3.3 Tính tốn phẩm chất kênh Massive MIMO 3.3.1 Tính tốn phẩm chất đường xuống Đường xuống hệ thống Massive MIMO mã trước với ma trận A xác định tùy theo phương pháp MRT hay ZF Trong luận văn để đơn giản ta tập trung theo kỹ 20 thuật MRT Phương trình có dạng: Đường xuống hệ thống Massive MIMO mã trước với ma trận A xác định tùy theo phương pháp MRT hay ZF Trong luận văn để đơn giản ta tập trung theo kỹ thuật MRT Phương trình có dạng: Ở Edl công suất tổng BS, không điều khiển, công suất chia cho K dòng liệu M anten, G ma trận kênh có tính đến suy hao cơng suất Để dễ theo dõi phân tích ta xét trường hợp: BS biết kênh xác sau BS khơng biết kênh xác mà phải ước lượng qua Pilot sau rút số nhận xét a) Khi trạm sở biết kênh xác a) Khi trạm sở biết kênh xác Ma trận kênh có phần tử : Để dễ theo dõi ta tường minh cho K=2, ma trận tín hiệu nhận Khi biết kênh H xác, mã trước theo kỹ thuật MRT A chọn là: 21 Áp dụng tính chất ma trận ngẫu nhiên đố với M lớn, thay vào phương trình ta có: Áp dụng tính chất ma trận ngẫu nhiên phần (2.3.1) ma trận kênh H Ta có : Nên : Do tỷ số tín tạp máy A là: 22 Tổng quát với K máy thu (K