Kỹ thuật đa anten và mạng đa cấp: Đề xuất cho mạng thông tin vô tuyến tốc độ cao

Trong đó kiến trúc Cell nhỏ và mềm được nhiều sự quan tâm của nhà nghiên cứu vì khả năng cải thiện tốc độ hướng lên đáng kể. Bài viết đánh giá ưu điểm của hai đề xuất này và sự kết hợp chúng lại với nhau thông qua công cụ tối ưu bằng Matlab CVX.

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 15 KỸ THUẬT ĐA ANTEN VÀ MẠNG ĐA CẤP: ĐỀ XUẤT CHO MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN TỐC ĐỘ CAO MASSIVE MIMO TECHNOLOGY AND HETEROGENOUS NETWORK: PROMISING PROPOSALS FOR HIGH DATA RATE WIRELESS COMMUNICATIONS Dương Hiển Thuận Trường Đại học Sài Gịn, Việt Nam Ngày tồ soạn nhận 9/4/2018, ngày phản biện đánh giá 21/4/2018, ngày chấp nhận đăng 01/6/2018 TĨM TẮT Cơng nghệ thơng tin liên lạc vơ tuyến cơng nghệ u thích năm gần đây, nhu cầu truyền liệu tốc độ ngày lớn, dự kiến năm 2020 tốc độ liệu tải xuống mạng 5G 10Gbps Kỹ thuật đa anten xác định kỹ thuật cho phép tăng tốc độ truyền liệu (tăng hiệu sử dụng phổ) theo số anten dùng Mạng đa cấp mạng mật độ cao xem ứng cử viên cho việc tăng hiệu sử dụng lượng tùy theo mật độ trạm phát sóng Trong kiến trúc Cell nhỏ mềm nhiều quan tâm nhà nghiên cứu khả cải thiện tốc độ hướng lên đáng kể Trong báo đánh giá ưu điểm hai đề xuất kết hợp chúng lại với thông qua công cụ tối ưu Matlab CVX Từ khóa: Đa Anten; Mạng đa cấp; Mạng mật độ cao; Mạng 5G; Hiệu sử dụng phổ; Hiệu sử dụng lượng; ABSTRACT Wireless communication is one of the most popular technologies in recent years and the demand for high data rate transmission is growing, and it is expected that in 2020 the download speed of the 5G network is 10Gbps Massive MIMO has been identified as a key technology to handle orders of more data traffic (increasing spectral efficiency) by the number of antennas used Heterogeneous networks (HetNETs) or dense networks are considered candidates for increased energy efficiency depending on the density of the stations In which, the small cell architecture and soft cell approach are concerned much by a lot of researchers due to their significantly improving the uplink capacity In this paper, we evaluate the advantages of these two proposals and combine them together through the optimization tool Matlab CVX Keywords: Massive MIMO; Heterogenous networks (HetNETs); Dense Networks, 5G Networks; Spectral efficiency; Energy efficiency GIỚI THIỆU Truyền thông không dây ngày phổ biến ưu điểm truyền dẫn sóng vơ tuyến điện từ Bên cạnh nhu cầu truyền thông liệu tốc độ cao ngày lớn ứng dụng hình ảnh, video, dịch vụ đa phương tiện,…, phát triển không ngừng Dự kiến hệ thông tin di động thứ (5G) phát triển xuất vào năm 2020 [1, 2] Hệ thống thông tin vô tuyến 5G cho phép dịch vụ liệu với tốc độ tải xuống lên đến 10Gbps hệ thống áp dụng nhiều công nghệ kỹ thuật tiên tiến để đáp ứng nhu cầu nhằm cải thiện hiệu sử dụng nguồn tài nguyên hữu hạn hệ thống phổ tín hiệu lượng cung cấp cho hệ thống Tháng 12 năm 2012 tổ chức METIS (Mobile and wireless communications Enablers for Twenty - twenty (2020) 16 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Information Society) [1, 2] gồm 29 thành viên Ericsson (Thụy điển), Alcatel Lucent (Đức), Deutsche Telekom (Đức), DOCOMO Euro-Labs (Đức), France Telecom SA (Pháp) nhiều tổ chức viễn thông Châu Âu) lần đề xuất mạng 5G Hệ thống dự kiến xuất năm 2020 Năm 2010, Tiến sỹ Thomas L Marzetta làm việc tại Bell Lab lần đề xuất giải pháp sử dụng đa anten (Massive MIMO) cho trạm thu phát gốc BS (Base Transceiver Stations) mạng thông tin di động [3] nhằm tăng khả sử dụng không gian (spatial reuse), tối ưu hiệu sử dụng phổ giảm nhiễu Trong [4-7], kỹ thuật đa anten dùng để tăng hiệu sử dụng lượng cách cung cấp lượng cho thiết bị di động mong muốn giảm nhiễu lẫn Năm 2011, kiến trúc mạng đa cấp HetNETs gồm nhiều kiến trúc cell khác sử dụng cell nhỏ SC (Small Cell) đề xuất [8, 9] Với kiến trúc điểm truy cập cell nhỏ SC chia tải với trạm thu phát gốc BS thông qua điều khiển kết hợp gọi giải pháp Cell mềm (Soft Cell Approaches) Với giải pháp khoảng cách truyền thiết bị di động MS (Mobile Station) hay người dùng đến trạm thu phát giảm đồng nghĩa với giảm lương tiêu thụ Tuy nhiên giải pháp làm tăng nhiễu Cell với Trong báo này, mục giới thiệu vắn tắt công cụ tối ưu Matlab CVX dùng để đánh giá số mơ hình hệ thống đề xuất Mục 3, đánh giá ưu điểm kỹ thuật đa anten hiệu sử dụng phổ tín hiệu theo số anten phát trạm BS Hiệu sử dụng lượng theo mật độ trạm thu phát mô mục Kết hợp ưu điểm hai kỹ thuật đa anten mạng HetNETs mô mục Ở quan tâm đến vấn đề tối ưu hiệu sử dụng lượng thơng qua tốn tối ưu đảm bảo chất lượng dịch vụ đặt người dùng giới hạn công suất phát BS SCs với giả thiết thông tin kênh biết hoàn toàn máy thu máy phát đồng thời nhiễu kết hợp xử lý Và cuối kết luận mục CÔNG CỤ TỐI ƯU CVX (CONVEX OPTIMIZATION CVX TOOLS) Công cụ tối ưu Matlab CVX dùng phần sau báo, chúng tơi tóm lược số ưu điểm đặc tính cơng cụ mục Đây công cụ tối ưu viết phần mềm Matlab Công cụ thiết kế để giải toán tối ưu lõm/lồi DCPs (Disciplined Convex Programs) tốn tuyến tính (linear), bậc hai (quadratic), tốn hình chóp (second-order cone programs) SDP (semidefinite programs) toán phức tạp tối ưu dựa tối thiểu norm (constrained norm minimization) cực đại entropy (entropy maximization), cực đại định thức (determinant maximization) , ,[11,12] Một số ưu điểm công cụ tối ưu CVX: + CVX viết ngôn ngữ Matlab đơn giản khả tính tốn phức tạp cao + Hỗ trợ nhiều hệ điều hành (Window, MAC OSX, Linux 32 bits, 64 bits) + Miễn phí cho nhà nghiên cứu sinh viên + Hỗ trợ nhiều công cụ giải SeDuMi, SDPT3, (cho miễn phí) Gurobi, MOSEK (cho thương mại) + Tài liệu hướng dẫn chi tiết dễ sử dụng + Các mơ tả tốn tối ưu đơn giản mơ tả tốn học ví dụ tìm biến ( x ∈  n cho tối ưu Ax − b ) với A ∈  , m ≥ n, rank ( A ) = n ta có mơ tả đơn giản sau: m×n m = 16; n = 8; A = randn(m,n); b = randn(m,1); cvx_begin Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh variable x(n) minimize( norm(A*x-b) ) cvx_end KỸ THUẬT ĐA ANTEN – HIỆU QUẢ SỬ DỤNG PHỔ 17 anten) Trong trạm BS có K người dùng (hay thiết bị di động) đơn anten Giả thiết kênh truyền vô tuyến kênh fading Rayleigh Để đánh giá hiệu sử dụng phổ theo số lượng anten anten phát trạm BS, giả thiết kỹ thuật phân bố công suất áp dụng cho tỷ số tín hiệu nhiễu SNR người dùng đảm bảo -5dB Dung lượng kênh Egodic hệ thống là: Kỹ thuật MIMO trở thành kỹ thuật thiếu hệ thống truyền thơng vơ tuyến liệu tốc độ cao ví dụ hệ thống LTE trạm BS dùng số lượng  anten lên đến [10] Về số lượng   H  (1) = anten máy phát máy thu tăng lên hệ C  log det  I1 + N HPH    BS     thống tạo độ phân tập cao (degree of freedom) hay nói cách khác hệ thống Trong H ma trận kênh, P ma hoạt động với độ tin cậy cao BER trận đường chéo, phần tử đường hệ thống ước lượng chéo hệ số phân bố công suất cho đảm bảo tỷ số SNR theo yêu cầu người BER  nT nR bên cạnh tốc → d max = d dùng Khi dùng kỹ thuật ZF (Zero Focing) SNR độ liệu kênh truyền MIMO kỹ thuật thu kết hợp cực đại tỷ số MRC cải thiện với tốc độ ước lượng (maximum ratio combining) xét đến ảnh R  r log ( SNR ) → rmax = {nT , nR } hưởng nhiễu tổng tốc độ hay dung lượng kênh hệ thống là: Trong nT , nR số anten phát số anten CZF or MRC  {log det ( I1 + SINR )} (2) thu Bên cạnh tính ưu việc kỹ thuật= MIMO độ phức tạp phần cứng, Trong SINR lượng tiêu thụ q trình xử lý tín 2 H w h D  xD hiệu hệ thống tăng theo số lượng SINR = tỷ số anten, báo bỏ qua NI     việc đánh giá tính phức tạp Ngày số   w H  ∑ h I ,k xI ,k + n   lượng anten dùng trạm BS đề  k =1    xuất tăng lên số lớn hàng trăm hàng ngàn anten gọi kỹ thuật đa anten tín hiệu nhiễu cộng can nhiễu, h D véc [3,6], kỹ thuật nghiên cứu tơ kênh truyền tín hiệu mong muốn, h I ,k rộng khắp véc tơ kênh truyền tín hiệu nhiễu thứ kth, x { } D tín hiệu mong muốn, xI ,k tín hiệu nhiễu thứ kth, n véc tơ nhiễu trắng Gauss cộng, w véc tơ trọng số hay mã trước (precoding matrix) thu Khi sử dụng kỹ hH thuật ZF w ZF = D với kỹ thuật hD Hình Mơ hình đa anten cho trạm thu phát gốc thơng tin di động MRC véc tơ w MRC = ch D c số Trong phần này, đánh giá hiệu sử dụng phổ hệ thống đa anten theo số lượng anten Xét trạm BS với số anten N BS (là số lớn đến vài trăm Hình mô tổng hiệu sử dụng phổ [bit/Hz/cell] theo số lượng anten trạm BS với số lượng người dùng K = 20 , số lượng anten trạm BS từ 20-100 cơng 18 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh suất điều khiển cho tỷ số SNR người dùng luôn đảm bảo -5dB Khi số lượng anten tăng hiệu sử dụng phổ tín hiệu tổng tăng theo Tuy nhiên kết theo lý thuyết phương pháp lý tưởng (ZF) biết kênh truyền hoàn hảo cho kết cách biệt so với kỹ thuật thu MRC thường dùng Qua chúng tơi thấy sử dụng kỹ thuật đa anten cho phép cải thiện hiệu sử dụng phổ đáng kể tăng số lượng anten, nhiên việc nghiên cứu phương pháp thu thích hợp tiệm cận kết lý tưởng vấn đề cần quan tâm SC độc lập với trạm BS; tiếp cận khác cell mềm, SC xem thành phần BS không dùng đến SC trạng thái thụ động (passive) cần tham gia vào truyền nhận liệu SC chuyển sang chế độ tích cực (active) để thực nhiệm vụ Hình Kiến trúc mạng HetNETs (trạm BS trạm SC) Hình Hiệu sử dụng phổ theo số anten phát trạm BS MẠNG ĐA CẤP, MẠNG MẬT ĐỘ CAO – HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG Cùng với nhiều kỹ thuật công nghệ xuất để đáp ứng nhu cầu truyền liệu tốc độ cao, giải pháp kiến trúc mạng đa cấp HetNETs (Heterogeous Networks) gồm nhiều cấu trúc cell hình đề xuất Trong tiếp cận cell nhỏ SC mềm (Soft-cell approach) nhận nhiều quan tâm nhà nghiên cứu có khả cải thiện tốc độ hướng lên (người dùng phát lên trạm SC với tổn hao bé cự ly ngắn); dung lượng hướng xuống cải thiện (tận dụng việc sử dụng lại tài nguyên hệ thống cho SC) cải thiện vùng phục vụ [8] Với số ưu điểm kiến trúc SC số tiếp cận như: tiếp cận dựa vào phân chia tài nguyên hệ thống (resource partioning) tần số thời gian SC xem Việc phân tích đánh giá tổng thể mạng thơng tin HetNETs vơ phức tạp ví dụ phân tích số lượng trạm BS, số lượng trạm SC vùng phủ tối ưu, phân chia tài nguyên hệ thống cho hợp lý,… Do phần xem xét đánh giá hiệu sử dụng lượng theo mật độ trạm mạng xét loại trạm người dùng đơn anten hình Giả thiết trạm BS bố trí khơng gian chiều có dạng phân bố Poisson điểm PPP (Poisson Point Process) với mật độ λ, với vùng có diện tích A số trạm trung bình λA Mỗi trạm BS trang bị M anten phục vụ K người dùng đơn anten Các người dùng phục vụ với trạm BS gần Giả thiết kênh truyền fading Rayleigh Hình Mơ hình mạng mật độ cao Với mơ hình chúng tơi định nghĩa hệ số hiệu sử dụng lượng HQSDNL Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh HQSDNL = HQSDPV [bit/sysbol/km ] CSTTV [J/symbol/km ] (3) Trong HQSDPV hiệu sử dụng phổ vùng tính là:  βK  HQSDPV = l K 1 −  log (1 + SINRU / L ) L   (4) Trong β hệ số sử dụng tín hiệu dẫn đường Pilot (tính hiệu chuẩn dung cho ước lượng kênh), L chiều dài khối, SINRU / L tỷ số tín hiệu nhiễu cộng can nhiễu SINRU giới hạn thông tin kênh truyền vô tuyến khơi phục hồn tồn khơng có can nhiễu tín hiệu dẫn đường Pilot SINRL giới hạn kênh thông tin truyền không hồn hảo can nhiễu lẫn tín hiệu dẫn đường Pilot (contaimination) [13,14] CSTTV công suất tiêu thụ vùng tính theo [15] là:   β K −  Γ ( α + 1)  λ  1 − CSTTV = C1 K + C2  α    L  (πλ )   + C3 HQSDPV (5) Với C1 hệ số phụ thuộc hiệu suất khuếch đại tín hiệu điều khiển công suất; α > hệ số suy hao kênh truyền; C2 hệ số phụ thuộc vào công suất tiêu thụ tĩnh (thụ động), cơng suất cho q trình xử lý tín hiệu dải nền, …; C3 hệ số tỷ lệ cho việc mã giải mã tín hiệu Để đánh giá hiệu sử dụng lượng theo mật độ trạm, giả thiết tỷ số SINR người dùng trì cho tốc độ liệu 1, 2, [bit/Hz] tương ứng với tỷ số SINR 1, 3, dB 19 Kết mô HQSDNL theo mật độ trạm BS thể hình Kết cho thấy hiệu sử dụng lượng cao trì tốc độ truyền liệu thấp tăng mật độ trạm λ hiệu sử dụng lượng tăng theo điều có nghĩa dùng kiến trúc Cell nhỏ cải thiện hiệu sử dụng lượng Tuy nhiên mật độ trạm tăng cao đến giới hạn (λ > 10) hiệu sử dụng lượng khơng cịn cải thiện đáng kể dù tăng mật độ trạm MƠ HÌNH KẾT HỢP KIẾN TRÚC CELL NHỎ VÀ KỸ THUẬT ĐA ANTEN Trong mục này, mô hình tối ưu lượng tổng cho thỏa mãn chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Services) đặt trước với kiến trúc trạm thu phát gốc BS dùng đa anten kết hợp với kiến trúc SC kiến tạo chồng lấp lên (overlay) với giả thiết thơng tin kênh truyền biết hồn tồn máy thu máy phát xét trạm SC trạm BS Giả thiết số lượng anten dùng cho trạm BS N BS (là số lớn giả thiết từ đến vài trăm anten) cung cấp vùng phục vụ cho K  N BS người dùng (hay thiết bị di động) đơn anten thêm vào vùng phủ trạm gốc BS có nhiều cấu trúc SC ( S ≥ ) bố trí ngẫu nhiên với SC trang bị N SC anten (giả thiết ≤ N SC ≤ để đơn giản toán) bị giới hạn cơng suất phát (giới hạn vùng phủ sóng) giống hình bên Hình Mơ hình phân tích BS dùng kỹ thuật đa anten trạm SC Hình Hiệu sử dụng lượng theo mật độ trạm BS Kênh từ trạm BS, SC thứ j đến người dùng thứ k mơ hình fading phẳng khối biểu diễn h kH,0 ∈ 1× N BS 20 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh h kH, j ∈ 1× N SC tín hiệu nhận người dùng thứ k là: yk = h x + ∑ h x k , j + nk j =1 K S K = Pdyn ρ0 ∑ w k ,0 + ∑ ρ j ∑ w k , j (6) = =j = k k S H k ,0 k ,0 Theo [16-18] ta có cơng suất phát tĩnh cơng suất động sau: H k, j η S (9) ηj Psta N BS + ∑ N SC (10) Trong x0 x j tín hiệu phát từ BS = C j =1 C th th SC thứ j đến người dùng thứ k , Trong ρ j ≥ hệ số đặc trưng cho nk   0, σ k2 nhiễu Gauss trắng cộng hiệu suất khuếch đại hoạt động vùng Giả thiết trạm gốc BS trạm SC kết nối tuyến tính giảm từ 6-12 dB so với điểm bảo vào đường trục (Backhaul) cho phép kết hòa dẫn đến hiệu suất giảm (theo [17] trạm BS hợp phân phối tài nguyên cấu trúc cell mềm hiệu suất khuếch đại 38.8% hay (soft-cell) Mỗi người dùng phục vụ ρ0 = 0.388 , trạm SC hiệu suất khuếch đại trạm BS nhiều trạm SC nhiên thông tin mã phát độc lập với 5.2% hay ρ j = 0.052 ), η j ≥ thể phần gọi truyền dẫn đa dòng phân tập không công suất suy hao mạch (bộ lọc, trộn, gian SMT (Spatial Multiflow Transmission) chuyển đổi, trình xử lý tín hiệu giải nền, Bản tin từ trạm BS SC thứ j đến người đồng bộ, ước lượng kênh, cân ) dùng thứ k ký hiệu xk ,0 xk , j với anten (đối với trạm BS chọn x   0,1 , j = 0, , S Bản tin η0 = 189mW , trạm SC chọn η j = 5.6mW ), ( ) ( ) k, j nhân với véctơ lái (beamforming vector) để tạo tín hiệu phát K x j = ∑ w k , j xk , j , (7) k =1 j = 0, , S , w k ,0 ∈  N BS ×1 , wk, j ∈  N SC ×1 với γ k thơng số ngưỡng định chất lượng QoS S SNIRk =  ∑ h 2 + ∑ h kH, j w i , j  + σ k2  S H k ,0 i ,0 =i =j i≠k  w ∑w H k, j 1, , L j Q j l w k , j ≤ q j ,l , l = Trong ma trận (11) trọng số Q0.l ∈  N BS × N BS , Q j.l ∈  NSC × NSC , với j = 1, , S ma trận định nghĩa dương Ma trận ma trận đường chéo, phần tử cơng suất phát anten q j ,l ≥ giới hạn công suất theo vùng phủ trạm thông thường q0,l  q j ,l với ≤ j ≤ S Chúng chọn công suất giới hạn trạm BS q0,l = 66mW tương ứng vùng phủ khoảng 1km công suất giới hạn trạm SC q0,l = 0.08mW tương ứng vùng phủ khoảng 50m Ta có mơ hình tối ưu lượng theo kỹ thuật đa anten SC biểu diễn sau: minimize Pdyn + Psta w k , j ∀k , j j =1 K K k =1 Trong báo quan tâm việc tối ưu véctơ lái w cho tổng công suất phát bao gồm công suất phát tĩnh (static power - công suất phát phụ thuộc vào phần cứng thiết bị thu phát) công suất phát động (dynamic power - công suất phụ thuộc vào tỷ lệ công suất phát) [16, 17, 18] cho đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS người dùng QoS quan tâm tốc độ thông tin [Bit/s/Hz] với giả thiết người dùng phát thông tin song song với Chúng định nghĩa chất lượng QoS người dùng thứ kth log (1 + SNIRk ) ≥ g k h kH,0 w k ,0 + ∑ h kH, j w k , j C ≥ tổng số sóng mang thành phần ( C = 600 chọn gần với hệ thống LTE) Mỗi trạm BS trạm SC có cơng suất giới hạn tùy theo khoảng cách vùng phủ (8) subject to log (1 + SNIRk ) ≥ g k K ∑w k =1 H k, j ∀k , Q j l w k , j ≤ q j ,l , ∀j , l (12) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Ta= đặt Wk , j w k , j w kH, j , ∀k , j , ma trận Wk , j ma trận định nghĩa dương Wk , j  rank ( Wk , j ) ≤ có 21 (1) với trạm phát j = 0, , S , K tổng số người dùng quan tâm Tính thơng số  K K H  ∑ hi , j hi , j + gk q j  i =1 σ i −1  I  hk , j   , ∀k , −1 K   K H I h  ∑ hi , j hi , j + σ gk q j  k , j = i i  , [12] ta có biểu thức u k,j γk = 2γ − ∀k , Theo= tối ưu (12) viết thành biểu thức tối ưu (13) toán tối ưu SDR (SemiDefinte Relation) dùng cơng cụ tối gi ,k , j = hiH, j u k,j ∀i, k , Q j ,k ,l = u kH, j Q j ,l u k,j ∀k , l ưu CVX để giải k (2) Trạm SC thứ jth gửi thông số gi ,k , j , ∑ r ∑ tr ( W ) + P S minimize K j Wk , j 0 ∀k , j =j 0= k k, j sta subject to rank ( Wk , j ) ≤ ∀k , j , S ∑h j=0 H k, j   1 + γ k  (13) K    Wk , j − ∑ Wi , j h k , j ≥ s k ∀k = i   Q j ,k ,l , ∀k , i, l cho trạm BS, Trạm BS giải tốn tối ưu phân bố cơng suất S minimize K ∑ρ ∑ p j pk , j ≥ ∀k , j k =j 0= ∑ tr ( Q j.l Wk , j ) ≤ q j ,l , ∀j, l K k, j + Psta (14) K k =1 Trong σ k2 cơng suất nhiễu trắng Gauss Theo [19] ta có biểu thức (13) tồn kết tối ưu cho ma trận Wk , j thỏa rank ( Wk , j ) ≤ ∀k , j Để tối ưu ma trận Wk , j ta có số trường hợp sau: subject to ∑ Q j ,k ,l pk , j ≤ q j ,l ∀j, l, k =1 S ∑p k, j j=0  g k ,k , j 1 +  gk  K  − ∑ pi , j g k ,i , j ≥ s k ∀k  i =1 (3) Trạm BS gửi phân bố công suất tối ưu p ∀k giải từ (9) cho SC jth * k, j = wk, j pk*, j u k , j ∀k a) Người dùng thứ k phục vụ Trong phần mô ta thực với trạm BS tức * trạm BS có bán kính km, có SC phân bố Wk= 0, ≤ j ≤ S ,j vùng phủ BS có bán kính b) Người dùng thứ kth phục vụ 50m, số lượng người dùng BS 12 (4 trạm SC thứ j tức vùng phủ SC vùng * * lại) người dùng phân bố W = 0, and W = i≠ j k ,0 k ,i (uniform) hình Hệ thống mô c) Người dùng thứ kth phục vụ với thông số gần giống hệ thống trạm BS kết hợp với trạm SC LTE mơ tả [17,20] với bảng phải có tối thiểu trạm thơng số mơ bảng sau: SC có cơng suất tích cực công K Bảng Thông số mô * suất giới hạn ( ∑ tr Q j l Wk , j = q j ,l ) th k =1 ( ) Việc tối ưu theo công thức (12), (13) thực phức tạp tốn nhiều thời gian số lượng anten số lượng cell nhỏ SC tăng cao khó thực thực tế, dùng kỹ thuật MRZF (Multiflow Regularized Zero Forcing) dùng [6] để chuyển đổi toán tối ưu (12) thành tối tối ưu phân bố công suất phát sau: Thông Số Hiệu suất KĐ CS Giá trị = 0.388,= 0.052∀j ρ0 ρj q0,l 66, = q j ,l 0.08mW,∀j , l Max CS Phát /Anten = CS Tiêu hao = η0 189mW, = η j 5.6mW,∀j mạch thụ động /Anten Bán kính giới hạn trạm BS km Bán kính giới hạn trạm SC 50m Tần số sóng mang F = 2GHz 22 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Số sóng mang C = 600 Tổng băng thông 10 MHz Dải thông sóng mang 15 kHz Phân bố small-fading h k , j   ( 0, R k , j ) Độ lệch chuẩn Fading bóng mờ (shadow) dB Tổn hao đường truyền với khoảng cách d 148.1 + 37.6 log10 d dB Công suất nhiễu trắng Gauss σ k2 với Noise 127 dBm Trong hình kết mơ tổng cơng suất trung bình sóng mang theo dự thay đổi số anten trạm BS trạm SC Figure 5dB * SC2 SC1 * 50m Hình Tổng cơng suất trung bình sóng mang theo chất lượng dịch vụ QoS người dùng * * * * * 1km BS * SC3 SC4 * * * Người dùng (user) * Hình Mơ hình mơ Hình thể kết mơ cơng suất tiêu thụ trung bình sóng mang tùy theo chất lượng hệ thống QoS tính theo dung lượng người dùng với số lượng anten phát BS chọn N BS = 50 số anten SC chọn N SC = Quá trình tối ưu trường hợp: Tối ưu theo (12) khơng có Cell nhỏ SC có Cell nhỏ tối ưu theo (14) có SC BS Kết cho thấy chất lượng QoS người dùng yêu cầu cao lượng yêu cầu nhiều tồn SC lượng trung bình sóng mang cải thiện đáng kể, nhiên dùng tối ưu theo (12) tỷ lệ cải thiện đáng kể trình thực triển khai phức tạp số lượng anten lớn, theo thuật tốn (14) MRZF hiệu sử dụng lượng có cải tiến việc thực nhanh (chưa phân tích chi tiết dựa vào thời gian mô phỏng) áp dụng vào thực tiễn Hình cho thấy tăng số lượng anten cơng suất tổng trung bình sóng mang cải thiện đáng kể (tiết kiệm lượng cung cấp) theo lý thuyết tăng số lượng anten cơng suất phát tĩnh tăng lên tường hợp thành phần công suất phát động giảm nhiều so với tăng cơng suất phát tĩnh Điều lý giải dùng trạm SC cơng suất tiêu hao đường truyền giảm xuống Bên cạnh đó, kết mơ cịn cho thấy số lượng anten trạm BS lớn việc tăng thêm anten (trên trạm BS SC) không cải thiện hiệu lượng đáng kể Hình Tổng cơng suất trung bình sóng mang theo số lượng anten trạm BS SC với chất lượng dịch vụ người dùng bit/s/Hz Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh KẾT LUẬN Kỹ thuật đa anten cho phép cải thiện hiệu sử dụng phổ số lượng anten tăng lên Mạng mật độ cao cho phép tăng hiệu sử dụng lượng tăng mật độ trạm đến giới hạn định với giả triết trạm phân bố không gian hai chiều theo quy luật Poisson Khi kết hợp hai kỹ thuật đa anten kiến trúc cell có kích thước nhỏ bố trí chồng lấp (overlay) trạm BS cho phép tối ưu hiệu sử dụng 23 lượng thông qua giải pháp kết hợp thỏa mãn chất lượng dịch vụ đặt trước Tuy nhiên giới hạn tốn kết hợp cịn xét phạm vi trạm BS chưa phát triển mở rộng cho mạng lớn Với nhu cầu liệu mạng truyền thơng vơ tuyến địi hỏi tiết kiệm lượng việc kết hợp hai giải pháp kỹ thuật với giải pháp sử dụng tương lai gần TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] www.metis2020.com https://metis-ii.5g-ppp.eu/ Thomas L Marzetta, "Noncooperative Cellular Wireless with Unlimited Numbers of Base Station Antennas", IEEE Trans on Wireless Commun., Vol 9, No 11, pp 35903600, 2010 F Rusek, D Persson, B Lau, E Larsson, T Marzetta, O Edfors, and F Tufvesson, “Scaling up MIMO: Opportunities and challenges with very large arrays,” IEEE Signal Process Mag., vol 30, no 1, pp 40–60, 2013 H Q Ngo, E G Larsson, and T L Marzetta, “Energy and spectral efficiency of very large multiuser MIMO systems,” IEEE Trans Commun., vol 61, pp 1436–1449, Apr 2013 J Hoydis, S ten Brink, and M Debbah, “Massive MIMO in the UL/DL of cellular networks: How many antennas we need?” IEEE J Sel Areas Commun., vol 31, no 2, pp 160–171, 2013 Erik G Larsson, Ove Edfors, Fredrik Tufvesson, Thomas L Marzetta, "Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems", http://arxiv.org/abs/1304.6690v3, 2014 S Parkvall, E Dahlman, G Jăongren, S Landstrăom, and L Lindbom, Heterogeneous network deployments in LTE the soft-cell approach,” Ericsson Review, no 2, 2011 J Hoydis, M Kobayashi, and M Debbah, “Green small-cell networks,” IEEE Veh Technol Mag., vol 6, no 1, pp 37–43, 2011 E Dahlman, S Parkvall, J Skăold, and P Beming, "3G Evolution HSPA and LTE for Mobile Broadband," Academic Press, 2008 M Grant and S Boyd, “CVX: Matlab Software for Disciplined Convex Programming (Web Page and Software),” Jun 2009 [Online] Available: http://stanford.edu/~boyd/cvx Michael C Grant, Stephen P Boyd "The CVX Users’ Guide" http://cvxr.com/cvx/ December 26, 2017, CVX Research, Inc J Jose, A Ashikhmin, T L Marzetta, and S Vishwanath, “Pilot contamination and precoding in multi-cell TDD systems,” IEEE Trans Commun., vol 10, no 8, pp 2640– 2651, 2011 M Medard, “The effect upon channel capacity in wireless communications of perfect and imperfect knowledge of the channel,” IEEE Trans Inf Theory, vol 46, no 3, pp 933–946, 2000 E Bjornson, L Sanguinetti, J Hoydis, and M Debbah, “Optimal design of energyefficient multi-user MIMO systems: Is massive MIMO the answer?” IEEE Trans Wireless Commun., vol 14, no 6, pp 3059–3075, 2015 24 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh [16] S Cui, A Goldsmith, and A Bahai, “Energy-constrained modulation optimization,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 4, no 5, pp 2349–2360, 2005 [17] G Auer and et al., "D2.3: Energy efficiency analysis of the reference systems, areas of improvements and target breakdown." INFSO-ICT-247733 EARTH, ver 2.0, 2012 [18] D Ng, E Lo, and R Schober, “Energy-efficient resource allocation in OFDMA systems with large numbers of base station antennas,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 11, no 9, pp 3292–3304, 2012 [19] E Bjornson, N Jald´en, M Bengtsson, and B Ottersten, “Optimality properties, distributed strategies, and measurement-based evaluation of coordinated multicell OFDMA transmission,” IEEE Trans Signal Process., vol 59, no 12, pp 6086–6101, 2011 [20] "Further advancements for E-UTRA physical layer aspects (Release 9)." 3GPP TS 36.814, Mar 2010 Tác giả chịu trách nhiệm viết: Dương Hiển Thuận Trường Đại học Sài Gòn Email: dhthuan@gmail.com; thuan.duong@sgu.edu.vn ... Giáo Dục Kỹ Thuật Số 50 (11/2018) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh KẾT LUẬN Kỹ thuật đa anten cho phép cải thiện hiệu sử dụng phổ số lượng anten tăng lên Mạng mật độ cao cho phép... thống là: Kỹ thuật MIMO trở thành kỹ thuật thiếu hệ thống truyền thông vô tuyến liệu tốc độ cao ví dụ hệ thống LTE trạm BS dùng số lượng  anten lên đến [10] Về số lượng   H  (1) = anten máy... thống đề xuất Mục 3, đánh giá ưu điểm kỹ thuật đa anten hiệu sử dụng phổ tín hiệu theo số anten phát trạm BS Hiệu sử dụng lượng theo mật độ trạm thu phát mô mục Kết hợp ưu điểm hai kỹ thuật đa anten