Hệ thống MIMO quy mô lớn (LS MIMO) là hệ thống sử dụng số lượng lớn các -
anten, có thể lên tới hàng trăm anten. Hình 1.2 mô tả hệ thống MIMO quy mô lớn với hàng trăm anten phát ở trạm gốc và K người dùng có thể phục vụ đồng thời.
Những anten được bổ sung sung thêm ở trạm gốc giúp tập trung năng lượng vào vùng nhỏ hơn của không gian, mang lại những cải tiến rất lớn về dung lượng và tiết kiệm năng lượng bức xạ. MIMO quy mô lớn sẽ dùng các anten để phục vụ cho một số nhỏ hơn nhiều người dùng đồng thời trong cùng cùng tài nguyên thời gian tần số, mà trong đó mỗi -
người người dùng chỉ cần sử dụng thiết bị đầu cuối với anten đơn. Sự chênh lệch giữa số lượng anten ở trạm gốc và số người dùng là điều kiện để hệ thống hoạt động tốt trong thực tế. Điều này giúp hệ thống LS MIMO tạo khả năng phát triển mạng băng thông rộng tương - la i. Ngoài ra, hệ thống MIMO quy mô lớn còn thể hiện tính mềm dẻo khi có thể có rất nhiều cấu hình và kịch bản triển khai mảng anten cũng như khả năng kết hợp nhiều thành phần có độ chính xác thấp cùng làm việc hiệu quả với nhau [30, 35, 36].
Hình 1.2
Trong hệ thống LS MIMO, thông tin trạng thái kênh (CSI) là một yếu tố then chốt. -
Trạm gốc trong hệ thống LS MIMO cần thông thông tin về CSI để tiền mã hóa ở đường -
xuống và lọc thu ở đường lên. Hệ thống MIMO quy mô lớn sử dụng song công phân chia theo thời gian (TDD) và kết hợp với các phương pháp hoa tiêu truyền thống để thu được CSI ở đường lên cũng như đường xuống. Các trạm gốc ước lượng CSI nhờ kênh hoa tiêu đường lên từ các đầu cuối. Nhờ vào tính đối xứng kênh truyền song công phân chia theo thời gian, ma trận kênh truyền đường xuống sẽ là chuyển vị liên hợp của ma trận kênh truyền đường lên. Nhờ đó trạm gốc có thể sử dụng hoa tiêu đường lên để ước lượng trạng ,
thái kênh và thiết kế bộ tiền mã hóa phía phát ở đường xuống hoặc lọc thu ở đường lên. Hệ thống MIMO quy mô lớn có thể sử dụng các bộ mã hóa và lọc thu tuyến tính đơn giản mà vẫn cho phép đạt được hiệu suất cao như các phương pháp MRC/MRT, ZF…
Tuy nhiên, để hiện thực hóa việc triển khai các hệ thống MIMO quy mô lớn còn rất nhiều thách thức, cụ thể :
• Yêu cầu về số lượng vùng phát sóng độc lập
• Việc lắp đặt các anten và RF/IF ở các thiết bị đầu cuối.
• Bộ tách tín hiệu có độ phức tạp cao và vấn đề ước lượng kênh phức tạp...
Số lượng của vùng phát sóng độc lập không chỉ bị giới hạn bởi khoảng cách giữa các anten, độ lớn của sóng mang mà còn bị giới hạn bởi sự tán xạ xung quanh các thiết bị đầu cuối hoặc do ảnh hưởng của hiệu ứng lỗ kim (pin-hole), khi đó tất cả các đường truyền từ các anten phát đến anten thu đều đi qua một điểm chung (pin-hole). Điều này có thể dẫn
đến số lượng vùng phát sóng độc lập bị giảm (nghĩa là hạng của ma trận kênh thấp). Hệ
cuối một cách phù hợp để vừa đảm bảo số lượng anten là lớn, vừa đảm bảo yêu cầu về số lượng vùng phát độc lập.
1.2.2.2
Như đã biết, khi tăng khoảng cách giữa các anten tại thiết bị đầu cuối thì lại giảm
tương quan giữa độ khuếch đại kênh vì tương quan ở phía thu làm giảm dung lượng MIMO. Khi khoảng cách lớn hơn λ/2, trong đó λ là chiều dài sóng mang, thì được xem là tương quan yếu giữa các anten. Trong khi điều này có thể thực hiện dễ dàng ở các trạm phát sóng, thì đây lại là vấn đề khó khi triển khai ở các thiết bị người dùng có kích cỡ nhỏ. Ví dụ, tại mức tần số sóng mang 2.5 GHz, nửa bước sóng là 6cm; vì thế trên các thiết bị cầm tay như điện thoại di động chỉ có thể đặt nhiều nhất là 2 anten.
Tuy nhiên, có thể áp dụng cho các thiết bị đầu cuối có kích thước cho phép lắp đặt số lượng anten lớn như trong các thiết bị IPTV/HDTV không dây cố định, các trạm BSC… Ngoài ra, giảm bước sóng mang cũng có thể là một giải pháp cho vấn đề lắp đặt anten. Ví
dụ, sóng mang 5GHz (λ/2 là 3cm) và 60 GHz (λ/2 là 2.5 mm) sẽ cho phép lắp nhiều anten hơn ở các thiết bị đầu cuối [15].
Một số xu hướng kênh MIMO quy mô lớn gần đây:
NTT DoCoMo thông báo rằng hệ thống MIMO V BLAST 12x12 có tốc độ dữ liệu -
5 Gbps và hiệu suất phổ 50 bps/Hz tại băng thông 4.6 GHz với tốc độ di chuyển 10
Km/hr.
Phát triển của các chuẩn Wifi (phát triển từ IEEE 802.11n lên IEEE 802.11ac để
dành được tốc độ truyền dẫn đa gibabit ở băng thông 5GHz) xem xét sử dụng
MIMO 16x16.
Các phép đo kênh MIMO 64x64 tại 5 GHz ở môi trường trong nhà đã được công bố [95].
1.2.2.3 Thu
Một trong các thành phần chính của hệ thống LS-MIMO là bộ thu tín hiệu. Nhiệm vụ của bộ thu là khôi phục lại các ký hiệu truyền đồng thời từ nhiều anten phát khác nhau.
Trong các ứng dụng thực tế, bộ thu MIMO là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu năng và độ phức tạpcủa hệ thống. Độ phức tạp trong các bộ tách tối ưu đều tuân thủ quy luật số mũ theo số lượng anten phát. Khi số lượng anten càng lớn thì độ phức tạpcó xu hướng càng lớn. Từ quan điểm xem xét dựa trên độ phức tạp thì các bộ tách tối ưu điển hình bao gồm: ộ B tách ZF, MMSE... Tuy nhiên, hiệu năng của các bộ tách này lại tương đối thấp chưa tương ,
xứng với độ phức tạp. Vì thế, cần có các bộ tách MIMO quy mô lớn có thể có hiệu năng gần bằng với hiệu năng của bộ tách tối ưu, nhưng lại có độ phức tạp ở mức chấp nhận được.
Gần đây các thuật toán xuất phát từ mạng neural (nơ ron)/ học - máy (machine
các tín hiệu CDMA đa người dùng, khi mà số lượng người dùng trong hệ thống lớn như thuật toán LAS (Likelihood Ascent Search). Với hệ MIMO V BLAST, độ phức tạp trên -
mỗi ký hiệu của thuật toán LAS bằng bình phương của số anten truyền khi NT NR. Điều này làm cho thuật toán LAS có thể triển khai trong thực tế. Đặc biệt, ngoài nghiên cứu về
thuật toán LAS cho bộ tách MIMO quy mô lớn thì cũng đã có những nghiên cứu về bộ xử
lý FPGA/ASIC dùng thuật toán LAS cho MIMO BLAST 32x32 sử dụng 4-/16-/64-QAM.
Như đã biết, CSI cần thiết cho bộ tách MIMO vì thế, vấn đề ước lượng kênh chính xác ở phía thu cũng rất quan trọng. Đối với các hệ thống MIMO quy mô lớn, số lượng hệ số kênh để tính toán là khá lớn. Đã có một số đề xuất liên quan đến ước lượng kênh dựa trên huấn luyện có sự trợ giúp của hoa tiêu để phục vụ cho mục đích này [106].
Như vậy, với tính khả thi của các thuật toán có độ phức tạp thấp, ước lượng bộ / tách kênh không phải là vấn đề lớn khi triển khai các hệ thống MIMO quy mô lớn.