Giải pháp và phân tích mạng Massive MIMO hỗ trợ Internet vạn vật (IoT)

Hệ thống mạng di động MIMO đa người dùng

• Xử lý tuyến tính
• Ước tính kênh

Từ vector tín hiệu nhận được cùng với kiến thức về CSI, BS sẽ phát hiện mạch lạc các tín hiệu được truyền từ K người dùng, mô hình kênh (2.2) là kênh đa truy cập có tổng dung lượng [12]. Ưu điểm: việc xử lý tín hiệu rất đơn giản vì BS chỉ cần nhân vectơ nhận được với chuyển vị liên hợp của kênh ma trận H, sau đó phát hiện từng luồng riêng biệt Quan trọng hơn, MRC có thể được thực hiện một cách phân tán. Với TDD, do BS và user không thể truyền và nhận dữ liệu cùng một lúc trên cùng một tần số, có thể xảy ra hiện tượng truyền hướng xuống và truyền hướng lên không đồng bộ.

• Đối với đường xuống: BS cần CSI để mã hóa trước các tín hiệu được truyền, trong khi mỗi người dùng cần độ lợi kênh hiệu quả để phát hiện các tín hiệu mong muốn. Để có được kiến thức về hiệu quả khuếch đại kênh, BS có thể điều khiển định dạng chùm và mỗi người dùng có thể ước tính độ lợi kênh hiệu quả dựa trên các tín hiệu pilot nhận được.

Sơ bộ toán học

Trên một lưu ý khác, với Massive MIMO, bộ thu phát 40 watt đắt tiền nên được thay thế bằng một số lượng lớn của ăng-ten công suất thấp và rẻ tiền. Trong phần này, chúng tôi xác định giới hạn dưới dung lượng cho kênh SISO có nhiễu và với CSI một phần/hoàn hảo tại máy thu. Trong đề tài này xem xét xử lý tuyến tính, kênh end-to-end có thể được được coi là kênh SISO nhiễu và có thể được mô hình hóa như trong (2.36).

Vì entropy vi phân của RV với phương sai cố định được cực đại hóa khi RV là Gaussian, chúng tôi có được. Hơn nữa, trong hầu hết các môi trường lan truyền, khi số lượng ăng-ten BS lớn, kênh cứng lại (kênh hiệu quả lợi ích trở nên tất định), và do đó, giới hạn này rất chặt chẽ.

Đề xuất mô hình

Số lượng anten (M): Số lượng anten trên trạm cơ sở có thể ảnh hưởng đến khả năng phục vụ đồng thời của hệ thống và khả năng tăng cường tín hiệu. Khi có nhiều người dùng di động cùng truy cập vào hệ thống, tốc độ truyền dữ liệu có thể giảm do sự cạnh tranh tài nguyên đường truyền. Nhiễu kênh truyền là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến năng lực của hệ thống, do đó phần lớn được đưa vào xem xét trong các công trình nghiên cứu.

 Nhiễu do tái sử dụng tín hiệu pilot: nhằm để giảm kích thước tín hiệu pilot, nhiều đề tài đã tái sử dụng tín hiệu pilot, gây ra nhiễu giữa các pilot không trực giao. Trong đề tài này, việc phân chia khung TDD truyền thống ra thành nhiều khung thời gian với nhiều pha huấn luyện pilot, do đó số lượng users tham gia vào mạng ứng với mỗi pha này là nhỏ.

Đề xuất giao thức TDD cải tiến

Ký hiệu TCT, TpC, TdC là kích thước (đơn vị số symbol) của 1 CT, thời gian truyền pilot của user di động UC và data cần truyền của UC, tương ứng. KI,N = KI), TpI,n và TdI,n là thời gian truyền pilot và truyền data của user IoT tại thời điểm n, tương ứng. Khi chia nhỏ các user IoT tham gia mạng MIMO thành các khe thời gian khác nhau giúp cho việc ấn định các pilot trực giao được thực hiện dễ dàng hơn. Một cách đơn giản có thể hiểu với TDD truyền thống, các UC và tất cả UI sẽ cùng gửi dữ liệu 1 lúc, bắt đầu sau khi hệ thống xác định kênh truyền, điều này làm cho thời gian truyền dữ liệu của các user UC bị giảm do thời gian xác định kênh truyền của tất cả user.

 Sử dụng kỹ thuật tách chủ động (active separation): Trong giai đoạn truyền dữ liệu của user UC, user UI,1 có thể tạm ngừng việc truyền tín hiệu pilot của mình để tránh gây nhiễu cho tín hiệu dữ liệu của user UC.  Sử dụng kỹ thuật mã hóa (encoding): Các user UC và UI,1 có thể sử dụng mã hóa tín hiệu của mình để làm cho chúng khác biệt và dễ phân biệt tại trạm cơ sở.

Phân tích giải thuật

 Sử dụng kỹ thuật mã hóa (encoding): Các user UC và UI,1 có thể sử dụng mã hóa tín hiệu của mình để làm cho chúng khác biệt và dễ phân biệt tại trạm cơ sở. Bằng cách này, trạm cơ sở có thể giải mã và phân tách tín hiệu dữ liệu của user UC. và tín hiệu pilot của user UI,1 một cách chính xác. Phương pháp này đòi hỏi kỹ thuật mã hóa riêng cho từng user khác nhau, làm phức tạp thêm cho hệ thống. Trước những yêu cầu và khó khăn khi thực hiện phương pháp TDDE như trên học viên đề nghị một giải thuật để có thể giải quyết các vấn đề trên. Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tiến hành phân tích theo từng pha trong mô tả của giao thức TDDE. a) Pha (1a): user di động truyền tín hiệu pilot. Ngay lúc này tại BS đồng thời nhận tín hiệu pilot của nhóm user IoT và tín hiệu dữ liệu của các user di động, điều này có khả năng gây ra nhiễu tương xung. (3.13) Sau khi tách được dữ liệu của user di động và tín hiệu pilot của khe thứ nhất các user IoT, BS sẽ tiến hành nhận và tách dữ liệu của nhóm user IoT đầu tiên và tín hiệu pilot của khe thứ 2 các user IoT tiếp theo, lần lượt như vậy cho đến khi hoàn tất hết các khe như pha (3a).

Xem xột hai cụng thức (3.14) và (3.15) cú thể nhận thấy rừ ràng hiệu suất sử dụng phổ của phương pháp TDDE tốt hơn so với phương pháp TDD truyền thống vì thời gian truyền dữ liệu của user di động kéo dài từ ngay sau khi kết thúc huấn luyện pilot đến hết chu kỳ. Còn đối với phương pháp TDD truyền thống, hệ thống phải huấn luyện hết toàn bộ các tín hiệu pilot từ các user di động và toàn bộ các user IoT rồi mới có thể truyền dữ liệu.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

- Với KI=25 thì tốc độ truyền của TDD truyền thống đã giảm xuống chỉ còn gần 13bits/s/hz, điều này là do khi gia tăng số lượng user IoT lên 125 thì tổng thời gian dành cho ước lượng kênh truyền quá dài, làm cho thời gian truyền dữ liệu bị rút ngắn lại. - Đối với TDD truyền thống, khi tăng số lượng user IoT tham gia vào hệ thống vượt giá trị ngưỡng, cụ thể KI=20 hay UI=100, thì tổng tốc độ data của hệ thống sẽ giảm. Kết quả thể hiện việc chia số user IoT, UI, thành nhiều nhóm, mỗi nhóm ứng với một khe pilot training, sẽ làm tăng hiệu suất sử dụng phổ khi N xấp xỉ 10% UI ; Ngoài ra, kết quả cũng thể hiện khi N lớn hơn 10% UI thì hiệu suất tăng không đáng kể.

Cụ thể, tại M=50 thì tốc độ truyền dữ liệu của TDDE là 5 bits/s/hz, còn tốc độ truyền dữ liệu của TDD truyền thống là 4 bits/s/hz, sự chênh lệch hầu như không đáng kể.  Số lượng user IoT tham gia hệ thống: Khi số lượng user IoT tăng lên, tốc độ truyền dữ liệu của TDDE có thể tăng do tăng cường hiệu suất sử dụng phổ và khả năng truyền dữ liệu đồng thời.