Xuất thuật toán phân nhóm người dùng bằng cách điều khiển băng thông cho

5. Bố cục của luận án

2.4 xuất thuật toán phân nhóm người dùng bằng cách điều khiển băng thông cho

cho mạng truyền hình số mặt đất thế hệ tiếp theo

2.4.1 Mô hình hệ thống

2.4.1.1 Mô hình tín hiệu

Xét hệ thống truyền hình mặt đất sử dụng massive MIMO như trên hình 2.16, bao gồm một trạm gốc (BS) được trang bị nhiều ăng-ten phát trong cấu hình UCA phục vụ trạm di động đơn ăng ten (MS). Hệ thống có khả năng đồng thời tạo ra nhiều chùm tia truyền đi. Mỗi chùm được trang bị số chuỗi RF hoạt động, với < N. Số lượng chùm tia tối đa là tương ứng cho số nhóm người dùng di động.

Angle [degree] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 N or m al iz ed A rra y G ai n [d B] 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Chùm #Nb Chùm #1 RF Front- End 1 Chùm #1 Bộ cân bằng kên h 11 w 12 w 1 1N w

Hình 2. .16 Sơ đồ khối của mô hình hệ thống đề xuất

Đối với mỗi chùm tia thứ i, ta gán một nhóm MS . Suy ra G là tổng số các

MS, ta có , = , , , {1,2, … }. Giả sử MS thứ k được phục vụ bởi chùm thứ , kênh giữa BS và i MS là × , vectơ định hướng búp sóng cho người dùng k trong nhóm g được đưa ra bởi = × , Ng là số ăng-ten hoạt động cho chùm tia đó. Ký hiệu dữ liệu được truyền cho người dùng k được ký hiệu là v i ớ {| | }= 1, . là tạp âm nhiệt AWGN (Additive White Gaussian Noise) với (0, ).

Công suất phát trên mỗi ăng-ten là pa, công suất truyền cho chùm g là

= × (2.92)

Tín hiệu yknhận được bởi người dùng k trong nhóm g được đưa ra bởi

= í + { } ó + , { } ê ó + (2.93)

Tỷ số tín hiệu trên can nhiễu và tạp âm SINR (Signal to Interference Plus - Noise Ratio) cho người dùng thứ kđược phục vụ bởi chùm cho bởig

SINR( ) =     { } ,   { } (2.94) Tổng tốc độ là: = (1 + SINR ( )) [b/s/Hz]. (2.95) 2.4.1.2 Mô hình kênh

Mảng ăng ten có phần tử ăng ten. Các phần tử của mảng được phân bố đồng N

phần tử ăng ten sẽ dẫn đến sự không khớp của các phần tử méo cấu trúc và giảm hiệu , năng băng thông, do đó, lựa chọn tối ưu khoảng cách giữa các phần tử là

= , (2.96)

và lựa chọn bán kính tối ưu [85] là:

= , (2.97) trong đó L là sóng hài Fourier cao nhất của mẫu phần tử định hướng, L = 1. λ là bước sóng ở tần số trung tâm, là bán kính của mảng và số phần tử.r N

Đáp ứng trường được chuẩn hóa cho chuỗi thứ m là

F ( ) = ( , ) ( ( ) ( )), (2.98)

trong đó:

( , ) là v ị trí góc được xác định b i góc cở ực điểm và góc phương vị , = là vị trí góc của phần tử thứ n,

= là hằng số lan truyền không gian tự do,

( , ) là mẫu phần tử định hướng. Đối với các phần tử định hướng, trong mặt phẳng phương vị, ( ) = 1 + và đối với trường hợp các phần tử đa hướng

( ) = 1.

Trong ph n này, luầ ận án s dử ụng mô hình kênh một vòng [104], trong đó là góc phương vị của vị trí người dùng, là khoảng cách giữa BS và MS, s ρ là bán kính của vòng tán xạ và là góc lan truyền, có thể được xấp xỉ là∆

arctan ( / ). (2.99) Đầu vào (m, p) của ma trận hiệp phương sai kênh được cho bởi R [86]

[ ] , = ( )( ) , (2.100) trong đó

( ) = ( ( ), ( ))là vectơ cho sóng phẳng với góc tới α (AoA- Angle of

Arrival)

λ là bước sóng của sóng mang,

Kênh hình học được đưa ra bởi

= , ( , ), (2.101) trong đó

đại diện cho suy hao đường truyền giữa BS và MS,

L là số lượng các bộ phân tán,

, là pha ngẫu nhiên được giới thiệu bởi mỗi bộ phân tán l,

( , )là vectơ lái (steering vector).

Các phân tán nằm đồng đều xung quanh MS với góc lan tỏa nhất định. Suy hao đường truyền giữa BS và MS được đưa ra bởi:

= 103.8 +20.9 ( ) [dB], (2.102) trong đó khoảng cách tính bằng km.s

2.4.2 Đề xuất thuật toán phân nhóm người dùng

Ý tưởng phân nhóm người dùng được minh họa trong hình 2.17. Giả sử rằng các MS phân bố đồng đều xung quanh BS. Mỗi chùm với băng thông khác nhau phục vụ một nhóm cụ thể. Chùm #1 r Nhóm 1 Nhóm 2 Nhóm Nb 12N N-1 d

Hình 2. .17 Nhóm người dùng bằng điều khiển băng thông.

Trong [87], các tác giả cho thấy rằng đối với bất kỳ hướng nào của dạng búp sóng là

= , với có thể là bất kỳ số thực nào (2.103) Độ rộng của tia theo phương thẳng đứng là

= 1 tại R → 0 (2.104) Độ rộng chùm tia theo phương ngang là

= 1 tại R → 0 (2.105) Định hướng tối đa là

( ) = ( / ) (2.106) Vì vậy, dựa trên kết quả này, nếu muốn tập trung vào nhóm người dùng ở xa, ta thì độ định hướng phải lớn. Điều đó có nghĩa là số lượng phần tử ăng-ten hoạt động cho chùm này là lớn và do đó, băng thông trở nên nhỏ hơn và số lượng người dùng mà

chùm này phải phục vụ cũng giảm theo. Nếu băng thông lớn hơn, số lượng người dùng trong nhóm này tương ứng với chùm tia đó có thể lớn hơn nhưng tốc độ bit cho mỗi người dùng bị giảm do công suất truyền giảm.

Khoảng cách tương quan kênh giữa hai MS m và pđược định nghĩa là ( , )

= var

  = ( ) ( ) [0,1], (2.107) trong đó và là kênh truyền của hai MS, là số lượng ăng-ten, giả sử rằng hai MS nằm trong cùng một nhóm . Giá trị này định lượng hiệu quả của BS có thể phục g

vụ một người dùng mà không ảnh hưởng đến người khác. Góc tương quan giữa hai MS m và là p

=arccos( ( , )) (2.108)

Góc này phụ thuộc vào mối tương quan của kênh truyền. Nếu các MS có kênh tương quan trực giao = .

Luận án muốn tối đa hóa tổng tốc độ cho chùm tia như sau:

maximize

, (1 + SINR ( ))

ràng buộc bởi (2.109) Luận án đề xuất thuật toán để nhóm các MS được phânthành các chùm Nb, như được mô tả trong huật toán 1 với lưu đồ thuật toán như sau:t

Bắt đầu Kết thúc Tính Tìm Tính Tìm Tính Tìm Thêm MS vào nhóm Thiết lập người dùng trung tâm Sai Sai Sai Sai Sai Sai Sai Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng Ngvà MSs ( ) 2 g i h 1≤ ≤g Nb 1≤ ≤i Nu * ( ) 2 arg max g i g i g= h * * { } i i g g G =G i 1≤ ≤g Nb _ min _ max b g b N ≤N≤N g i G ∀ ∈ ( )g, ( )g i i h SINR * arg max ( )g g i i i= SINR * g i MS g j G ∀ ∈ * ( ) ( ) * ( g gg), j i g h h j i ∠ ≠ * * arg max ( ( ) ( )) g g g g j j i j= ∠h h * ( ) g g j SINR <ε , , b b g N N N G

Thuật toán 1 Khởi tạo:

1: Tạo chùm với các phần tử trung tâm của mỗi chùm tia được phân bố đồng đều trên tất cả UCA,

2: _ , = 1,2, … ,

3: = , , … , ,

4: = = = = ,

5: for = 1 to

6: for = 1to

7: Tính toán ( ), độ lợi kênh ( ) ,

8: end 9: Tìm = arg max  ( ) , 10: Bổ sung một MS trong một nhóm = { }, 11: end 12: for = 1 to 13: for = _ to _ 14: for 15: Tính ( ), 16: Tính SINR( ), 17: end

18: Tìm = arg max SINR( ),

19: Thiết lậpMS là người dùng trung tâm của chùm tia g,

21: Tính ( ) ( ) , , 22: end 23: Tìm = arg max ( ) ( ) , 24: if SINR( )< break 25: end 26: end Output: , một tập các MSs trong , , … ,

Thuật toán 1 được mô tả như sau:

- Bước 1: Khởi tạo các chùm tia với các phần tử trung tâm của mỗi chùm được phân bố đồng đều trên tất cả các mảng như các chùm tia bao trùm lên tất cả các MS. Số lượng phần tử cho mỗi chùm tia được thiết lập là giá trị tối thiểu để bao gồm tất cả các MS trong trường quan sát. Gi là tập hợp các MS ban đầu trống.

- Bước 2: Chọn chùm tia g cho MS thứ i có độ lợi kênh tối đa Thực hiện t: ính ( ), độ lợi kênh  ( ) . Sau khi hoàn thành bước này sẽ có tất cả các nhóm.

- Bước 3: Trong mỗi nhóm, chọn MS tốt nhất làm người dùng trung tâm của chùm tia g có SINR( ) là tối đa Thực hiện t: ính ( ), SINR( ). Với một giá trị cụ thể về số lượng phần tử ăng-ten cho mỗi chùm tia, tính toán lại kênh cho mỗi MS trong nhóm này vì kênh thay đổi khi số lượng phần tử ăng-ten thay đổi.

- Bước 4: Thực hiện tính toán góc ( ) ( ) từ mỗi MS đến MS trung tâm tức , là phải xác định MS xa nhất là góc giữa MS này và trung tâm MS là tối đa. Bằng cách tăng số lượng phần tử ăng-ten, độ định hướng trực tiếp của chùm tia này tăng lên. Điều này sẽ ảnh hưởng đến MS xa nhất bởi vì khi thu hẹp chùm tia thì MS xa nhất có thể ra khỏi nhóm này.

- Bước 5: Thuật toán sẽ chấm dứt và trả về một nhóm MS với nhóm tương ứng của chúng khi SINR của MS xa nhất giảm xuống dưới ngưỡng hoặc số phần tử ăng- ten đạt đến mức tối đa. Lưu ý rằng các phần tử ăng ten của hai chùm liền kề có thể chồng lấn.

2.4.3 Kết quả mô phỏng

Trong phần này, luận án thực hiện các mô phỏng số để kiểm chứng và so sánh hiệu năng của thuật toán được đề xuất giữa ba kỹ thuật tạo chùm tuyến tính bao gồm cưỡng bức không (ZF - Zero Forcing), phát tỷ số cực đại (MRT - Maximum Ratio

Transmission) và định hướng búp sóng lai (Hybrid). Hiệu năng của hệ thống được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Cấu hình hệ thống được cung - cấp trong bảng 2.6.

Bảng 2.6.Các tham số mạng mô phỏng [105][106]

Tham số Đơn vị Giá trị

Bán kinh truyền tối thiểu m 3 Bán kinh truyền tối đa m 300

Tần số hoạt động GHz 5.9

Công suất nhiễu dBm − 96

Kỹ thuật định hướng búp sóng - ZF/MRT/Hybrid

Nội dung mô phỏng bao gồm so sánh tổng tốc độ so với số lượng MS và số lượng phần tử ăng-ten trong số ba kỹ thuật tạo chùm tia được thể hiện trong hình 2.19 và hình 2.20.

Hình 2.19. Tổng tốc độ so với số lượng người dùng bằng các kỹ thuật định hướng búp

sóng khác nhau

Hiệu quả của thuật toán được đề xuất giữa tổng tốc độ so với số lượng MS bằng các kỹ thuật định hướng búp sóng khác nhau được minh họa trong hình 2.19. Trong mô phỏng nà luận án đặt tổng số phần tử ăng ten y, N = 128, số chùm = 6, số lượng người dùng = 64. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR trong ba trường hợp

SNR = 10 dB, 20 dB, 30 dB. Luận án phát hiện ra rằng tổng tốc độ tăng theo số lượng người dùng và tốc độ trở nên chậm hơn khi tăng. Cụ thể, đối với các kỹ thuật định hướng búp sóng đã được sử dụng trong mô phỏng, hiệu năng của phương pháp ZF và Hybrid là tương đương ngay cả khi thay đổi tỷ số SNR Khi SNR tăng thì tổng tốc độ . theo hai phương pháp này đều tăng, tuy nhiên với phương pháp MRT thì tổng tốc độ

gần như không thay đổi với cả ba giá trị SNR. Từ kết quả mô phỏng có thể thấy

phương pháp ZF cho thấy hiệu năng tốt hơn một chút so với phương pháp Hybrid nhưng phương pháp Hybrid phù hợp với triển khai trong thực tế hơn phương pháp ZF. Ngoài ra các kết quả định hướng búp sóng với phương pháp MRT cho thấy thực tế là giá trị phát tỷ số cực đại MRT không triệt tiêu nhiễu lẫn nhau [66].

Hình 2. .20 Tổng tốc độ với số lượng chùm tia ban đầu bằng các kỹ thuật định hướng

búp sóng khác nhau

Tổng tốc độ so với số lượng chùm tia ban đầu bằng các kỹ thuật định hướng búp sóng khác nhau được inh họa m trong hình 2.20. Trong mô phỏng này, giữ cố định tổng số phần tử ăng-ten ở mức N = 128, nhưng thay đổi số lượng chùm tia ban đầu từ 8 đến 14 chùm để bao gồm tất cả 64 MS, sau đó đánh giá kết quả trong ba trường hợp với tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR = 10 dB, 20 dB, 30 dB. Khi không sử dụng thuật toán phân nhóm người dùng thì băng thông sẽ được phân bố đều cho các chùm tia, do đó khi số lượng chùm tia tăng thì băng thông cho các nhóm này sẽ giảm. Nhưng khi sử dụng thuật toán phân nhóm người dùng thì băng thông sẽ không phân bố đều, nên khi số lượng chùm tia tăng thì băng thông không giảm. Dựa trên kết quả mô phỏng có

thể thấy tổng tốc độ tăng theo số lượng chùm tia trong cả ba trường hợp của SNRbởi vì các MS đã được phục vụ hiệu quả hơn với thuật toán điều khiển băng thông đã đề xuất. Ngoài ra hiệu năng của phương pháp ZF và Hybrid là tương đương và hiệu quả hơn đáng kể so với phương pháp MRT.

Như vậy khi áp dụng thuật toán đề xuất vào hệ thống DVB NGH dựa trên kỹ - thuật định hướng búp sóng lai (Hybrid) có thể đạt được những lợi thế của kỹ thuật MIMO quy mô lớn và cũng cung cấp độ lợi mảng cao để bù cho sự suy hao đường truyền lớn ở các dải mmWave.

2.5 Kết luận chương

Trong chương này, các hệ định hướng đa búp sóng có quy mô lớn được phân tích thiết kế theo cách tiếp cận tối ưu hệ thống trên cơ sở xem xét tác động có tính chất hệ thống. Sau đó luận án đưa ra giải pháp nâng cao hiệu năng truyền dẫn hệ thống DVB-NGH bằng cách sử dụng mô hình, kiến trúc hệ thống định hướng đa búp sóng với các ăng ten mảng cách đều hình trụ và thuật toán phân nhóm người dùng bằng - cách điều khiển băng thông. Trong hệ thống định hướng đa búp sóng luận án đã sử dụng một số tiêu chí tối ưu bền vững để khai thác kênh và giảm thiểu sự can nhiễu giữa người dùng trong các tế bào. Kết quả của nghiên cứu đã chỉ ra rằng có thể đạt được trong thực tế và độ tin cậy, hiệu năng nhất định dựa trên mô phỏng Matlab cho một số mô hình kênh truyền dẫn khi sử dụng các phương pháp tối ưu MVDR, LCMV, Frost Beamformer. Trong phần tiếp theo luận án đề xuất thuật toán phân nhóm các người dùng bằng điều khiển băng thông để tối ưu hóa tổng tốc độ của hệ thống ằng b cách khai thác sự phụ thuộc của độ rộng chùm tia theo phương thẳng đứng, phương nằm ngang và độ định hướng của mảng với số lượng phần tử ăng-ten. Tổng tốc độ của hệ thống định hướng đa búp sóng dựa trên thuật toán đề xuất với các phương pháp ZF, MRT và Hybrid đã được đánh giá thông qua các mô phỏng. Nó đã chỉ ra rằng định hướng búp sóng ZF hiệu quả hơn ở tổng tốc độ so với các kênh tương quan hưng n định hướng búp sóng lai là một sự đánh đổi tốt giữa độ phức tạp phần cứng và hiệu năng hệ thống.

Các kết quả nghiên cứu đã được công bố tại [ 2, 4] trong danh mục các công 1, trình đã công bố của luận án.

CHƯƠNG 3

GIẢI PHÁP CẢI THIỆN DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG DVB-

NGH BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐỊNH HƯỚNG BÚP SÓNG LAI

VÀ GHÉP KÊNH KHÔNG GIAN MIMO PHÂN CỰC KÉP

3.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, MIMO là một công nghệ chính để tăng công suất và độ tin cậy của hệ thống mà không cần thêm băng thông không dây cho hệ thống phát sóng mặt đất [88]. Ngoài ra, công nghệ MIMO, truyền dẫn, điều chế và mã hóa kênh dựa trên OFDM được chú trọng là các công nghệ phổ biến để tăng công suất hệ thống và cải thiện độ tin cậy truyền dẫn [89]. Trong [27] [25] đã mô tả những lợi ích của MIMO thúc đẩy sự hợp nhất của nó trong DVB-NGH. Trong các nghiên cứu này, cấu trúc của bộ tiền mã hóa kênh MIMO cho các hệ thống truyền hình kỹ thuật số mặt đất và nhảy