5. Bố cục của luận án
1.3.2.1 Yêu cầu về số lượng vùng phát sóng độc lập
Số lượng của vùng phát sóng độc lập không chỉ bị giới hạn bởi khoảng cách giữa các ăng-ten, 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 ăng-ten phát đến ăng-ten thu đều đi qua một lỗ kim chung. Điều này có thể dẫn đến số lượng vùng phát sóng độc lập bị giảm (nghĩa là ma trận kênh có thứ bậc thấp). Hệ thống MIMO quy mô lớn cần thiết kế khoảng cách giữa các ăng-ten tại thiết bị đầu cuối một cách phù hợp để vừa đảm bảo số lượng ăng-ten là lớn, vừa đảm bảo yêu cầu về số lượng vùng phát độc lập.
1.3.2.2 Lắp đặt số lượng ăng-ten lớn
Như ta đã biết, khi tăng khoảng cách giữa các ăng-ten tại thiết bị đầu cuối thì lại giảm tương quan giữa độ lợi 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 ăng-ten. 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 ăng- ten.
Tuy nhiên, có thể áp dụng cho các thiết bị đầu cuối có kích thước cho phép lắp đặt số lượng ăng-ten lớn như trong các thiết bị IPTV/HDTV không dây cố định, các trạm BSC (Base Station Controller)… Ngoài ra, giảm bước sóng mang cũng có thể là một giải pháp cho vấn đề lắp đặt ăng-ten. Ví dụ, sóng mang 5GHz (λ/2 là 3cm) và 60 GHz (λ/2 là 2.5 mm) sẽ cho phép lắp nhiều ăng-ten hơn ở các thiết bị đầu cuối.
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 suấ phổ 50 bps/Hz tại băng thông 4.6 GHz với tốc độ di chuyển t 10 Km/hr [42].
• Phát triển của các chuẩn Wifi (phát triển từ IEEE 802.11n lên IEEE 802.11ac
để dành được tốc độ truyền dẫn đa gi abit ở băng thông 5GHz) xem xét sử dụng g MIMO 16x16 [43].
• Các phép đo kênh MIMO 64x64 tại 5 GHz ở môi trường trong nhà đã được công bố [44].
1.3.2.3 Nhận tín hiệu/ Ước lượng kênh
Thành phần chính của hệ thống massive MIMO - là bộ nhận tín hiệu ở phía thu, nhiệm vụ của bộ này là khôi phục lại các ký tự được truyền đồng thời từ nhiều ăng-ten phát khác nhau. Trong các ứng dụng thực tế, bộ thu MIMO thường là yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến hiệu năng và độ phức tạp. Độ phức tạp trong các bộ tách tối ưu đều tuân
thủ quy luật số mũ theo số lượng ăng-ten phát. Khi số lượng ăng-ten càng lớn thì độ phức tạp có xu hướng càng lớn. Từ quan điểm xem xét dựa trên độ phức tạp thì các bộ tách tối ưu điển hình bao gồm: bộ 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.
1.3.3 Kỹ thuật định hướng búp sóng (Beamforming)
Kỹ thuật định hướng búp sóng là một kỹ thuật xử lý tín hiệu vô tuyến sử dụng phương pháp truyền tín hiệu dạng ăng- ten mảng để định hướng truyền của tín hiệu nhằm tăng độ lợi ăng-ten phát và độ nhạy ở phía thu. Hơn nữa nó làm giảm nhiễu trong tín hiệu thu được do kỹ thuật này lợi dụng nhiễu để chuyển tín hiệu trực tiếp vào các phần tử ăng-ten mảng. Trong khi truyền tín hiệu đi các bộ điều khiển tạo búp sóng sẽ điều chỉnh pha và biên độ của tín hiệu để lấy mẫu và loại bỏ nhiễu. Đồng thời khi đang truyền tín hiệu có thể nâng công suất của tín hiệu một cách trực tiếp. Tại phía ta thu các tín hiệu đi qua các bộ cảm biến và được tổng hợp lại khá giống như mẫu ban đầu, đồng thời các bộ tạo búp sóng tại các ăng-ten thu sẽ điều chỉnh biên độ của tín hiệu thông qua các trọng số của nó. Như vậy, tín hiệu nhận được sẽ được khôi phục như mong muốn.
1.3.3.1 Kỹ thuật định hướng búp sóng tương tự
Kỹ thuật tạo búp sóng là một kỹ thuật xử lý không gian chung nhất đ ợc thực ư hiện trong những ăng-ten mảng. Kỹ thuật này thường dựa vào điều chỉnh biên độ và pha của tín hiệu cấp cho mảng ăng ten. Sự kết hợp của hai yếu tố này được sử dụng để cải - thiện việc triệt tiêu búp phụ. Pha và biên độ cho mỗi phần tử ăng ten được kết hợp bằng cách áp dụng hệ số trọng số có giá trị phức cho tín hiệu được đưa đến ăng ten tương ứng. Hình 1.5 cho thấy cách triển khai cơ bản của kiến trúc máy phát định hướng búp sóngtương tự Kiến trúc này chỉ bao gồm một chuỗi RF và nhiều bộ dịch. pha cung cấp một mảng ăng-ten.
Xử lý băng tần cơ sở kỹ thuật số Xử lý RF LPF DAC Luồng dữ liệu LO SRF Dịch pha + khuếch đại công suất (PA)
Hình 1.5. Mô hình kỹ thuật tạo búp sóng tương tự [45]
Các mảng pha đã được sử dụng trong các hệ thống thực tế (ví dụ, hệ thống radar) trong vài thập kỷ qua. Chùm tia lái thường được thực hiện với một bộ chọn RF và bộ dịch pha cố định. Khái niệm này vẫn được sử dụng trong các hệ thống truyền thông hiện đại sử dụng phần cứng tiên tiến và các kỹ thuật tiền mã hóa cải tiến. Những cải tiến này cho phép kiểm soát riêng biệt pha của từng phần tử. Không giống như các kiến trúc thụ động truyền thống, chùm tia có thể được điều hướng không chỉ theo hướng rời rạc mà còn gần như bất kỳ góc nào bằng cách sử dụng các ăng-ten định hướng búp sóng chủ động. Định hướng búp sóng tương tự được thực hiện trong miền tương tự ở tần số RF hoặc tần số trung gian (Intermediate requencyF ). Tuy nhiên, việc thực hiện truyền dẫn đa luồng với định hướngbúp sóng tương tự là một nhiệm vụ rất phức tạp. Để tính toán các dịch chuyển pha, một mảng tuyến tính cách đều nhau với khoảng cách phần tử được giả định.
Trong kịch bản thu, mảng ăng-ten phải nằm trong trường xa của tín hiệu đến, sao cho mặt trước của sóng đến gần bằng phẳng. Nếu tín hiệu đến ở góc θ so vớ hưới ng của ăng ten, sóng phải truyền thêm một khoảng cách sin để đến từng phần tử kế tiếp. Điều này dẫn đến độ trễ cụ thể của phần tử có thể được chuyển đổi thành độ lệch pha phụ thuộc tần số của tín hiệu là = 2 (sin )/ . Sự phụ thuộc tần số chuyển thành một hiệu ứng được gọi là sự không đồng đều của chùm tia. Búp sóng chính của mảng ăng ten ở một tần số xác định có thể được điều hướng đến một góc nhất định bằng cách sử dụng độ lệch pha được tính bằng phương trình trên. Nếu các phần tử ăng ten bây giờ - được cấp tín hiệu có tần số khác, thì búp sóng chính sẽ chuyển hướng theo một góc nhất định. Vì các mối quan hệ pha được tính toán với một tần số sóng mang nhất định, nên góc thực tế của búp sóngchính thay đổi theo tần số hiện tại. Các ứng dụng như radar có băng thông lớn nói riêng bị thiếu chính xác do hiệu ứng này. Phương trình thứ hai có thểđược bi u di n trong miể ễ ền thời gian sử ụ d ng th i gian trờ ễ thay vì dịch tần số =
trang bị với các dòng trễ thay vì bộ dịch pha. Hiệu suất của kiến trúc tương tự có thể được cải thiện hơn nữa bằng cách thay đổi thêm độ lớn của tín hiệu cấp cho ăng-ten [46].
Định hướng búp sóng tương tự được thực hiện trên cơ sở mỗi sóng mang. Với truyền dẫn đường xuống, không thể truyền tải dạng búp sóng ghép kênh tần số đến các thiết bị đặt ở các hướng khác nhau so với trạm gốc. Nói cách khác, các đường truyền định hướng búp sóng tới các thiết bị khác nhau đặt ở các hướng khác nhau phải được tách ra kịp thời.
Trong hệ thống mạng truyền hình di động, tín hiệu hữu ích của một cell thường bị tín hiệu các cell khác trộn lẫn vào gây nên hiện t ợng nhi u giao thoa tín hiệu. Bộ tạo ư ễ búp sóng băng hẹp có thể phân tách các tín hiệu trong vùng giao thoa để lấy ra tín hiệu mong muốn của cell đó. Tín hiệu thu đ ợc từ các phần tử trong mảng đ ợc tổng hợp lại ư ư rồi chọn ra tín hiệu có chất l ợng tốt nhất. Kiến trúc bộ định hướng búp sóng tương tự ư mang lại lợi thế triển khai về mức tiêu thụ điện năng của hệ thống và độ phức tạp phần cứng so với kiến trúc bộđịnh hướng búp sóng số được thể hiện trong phần tiếp theo.
1.3.3.2 Kỹ thuật định hướng búp sóng số
Trong khi định hướng búp sóng tương tự thường bị giới hạn trong một chuỗi RF ngay cả khi sử dụng số lượng lớn mảng ăng ten, kỹ thuật định hướng búp sóng số về lý thuyết hỗ trợ rất nhiều chuỗi RF cũng như có các phần tử ăng ten. Nếu quá trình tiền mã hóa phù hợp được thực hiện trong băng gốc miền kỹ thuật số, điều này sẽ mang lại tính linh hoạt cao hơn liên quan đến truyền và nhận. Mức độ tự do bổ sung
có thể được tận dụng để thực hiện các kỹ thuật tiên tiến như MIMO đa búp sóng. Những ưu điểm này dẫn đến hiệu suất lý thuyết cao nhất có thể so với các kiến trúc định hướng búp sóng khác. Hình 1.6 minh họa kiến trúc máy phát định hướng búp sóng kỹ thuật số mức cao với nhiều chuỗi RF.
Xử lý băng tần cơ sở kỹ thuật số + Tiền mã hóa MIMO Luồng dữ liệu 1 Luồng dữ liệu 2 Luồng dữ liệu N Chuỗi RF Chuỗi RF Chuỗi RF LO LPF DAC SRF1 SRF2 SRFK Khuếch đại công suất (PA)
Hình 1.6.Mô hình kỹ thuật tạo búp sóng số [45]
Bộ điều khiển số của các chuỗi RF cho phép tối ưu hóa các pha theo tần số trên một băng tần lớn. Tuy nhiên, kỹ thuật định hướng búp sóng số có thể không phải lúc nào cũng phù hợp lý tưởng cho việc triển khai thực tế các ứng dụng như 5G, DVB- NGH. Độ phức tạp rất cao và các yêu cầu liên quan đến phần cứng có thể làm tăng đáng kể chi phí, tiêu thụ năng lượng và làm phức tạp thêm việc tích hợp trong các thiết bị di động. Kỹ thuật định hướng búp sóng số phù hợp hơn để sử dụng trong các trạm gốc, vì hiệu suất vượt trội hơn tính di động trong trường hợp này. Nó có thể đáp ứng khả năng truyền dẫn đa luồng và phục vụ nhiều người dùng đồng thời, đây là động lực chính của công nghệ [46]. Nhiều ăng-ten ở máy phát và máy thu có thể được sử dụng để đạt được độ lợi mảng và phân tập thay vì độ lợi công suất. Trong trường hợp này, cùng một ký tự có trọng số bởi hệ số tỷ lệ có giá trị phức hợp được gửi từ mỗi ăng ten phát, sao cho ma trận hiệp phương sai đầu vào có hạng đơn vị. Sơ đồ này được gọi là định hướng búp sóng. ó hai loại định hướng búp sóng khác nhau về mặt C khái niệm và thực tế: (1) định hướng búp sóng hướng đến (tức là điều chỉnh hướng của ăng ten phát hoặc nhận) và (2) định hướng búp sóng riêng ức là, một cách tiếp (t cận toán học để tối đa hóa tín hiệu nguồn tại ăng-ten thu dựa trên tiêu chí nhất định).
1.3.3.3 Kỹ thuật định hướng búp sóng lai
Kỹ thuật định hướng búp sóng lai đã được đề xuất như một giải pháp khả thi có thể kết hợp các ưu điểm của cả kiến trúc định hướng búp sóng tương tự và kỹ thuật số. Ý tưởng định hướng búp sóng lai dựa trên khái niệm về ăng-ten mảng pha thường
được coi là một giải pháp khả thi cho truyền thông băng rộng di động mmWave. Cách tiếp cận theo mảng pha được kết hợp với kỹ thuật định hướng búp sóng số có thể khả thi đối với các tình huống không tĩnh hoặc gần như tĩnh. Khi xem xét sự kém hiệu quả của bộ khuếch đại mmWave và sự suy hao chèn cao của bộ dịch pha RF, nên thực
hiện dịch pha trong băng tần cơ sở. Mức tiêu thụ điện năng liên quan đến cả hai trường hợp là có thể so sánh được, miễn là số lượng ăng ten trên mỗi chuỗi RF vẫn - tương đối nhỏ. Có thể giảm chi phí đáng kể bằng cách giảm số lượng chuỗi RF hoàn chỉnh. Điều này cũng dẫn đến mức tiêu thụ điện năng tổng thể thấp hơn. Vì số lượng bộ chuyển đổi dữ liệu thấp hơn đáng kể so với số lượng ăng ten, nên có ít bậc tự do - hơn cho quá trình xử lý băng gốc kỹ thuật số. Do đó, số lượng các luồng được hỗ trợ đồng thời được giảm bớt so với kỹ thuật định hướng búp sóng số. Khoảng cách về hiệu năng được mong đợi là tương đối thấp trong các dải mmWave, kỹ thuật này phù hợp hơn cho đặc điểm kênh cụ thể. Sơ đồ khối của máy phát định hướng búp sóng lai được thể hiện trong hình 1.7. Bộ tiền mã hóa được phân chia giữa các miền tương tự và kỹ thuật số. Về lý thuyết, có thể cho rằng mỗi bộ khuếch đại được kết nối với nhau đến từng phần tử bức xạ. Xử lý băng tần cơ sở kỹ thuật số + Tiền mã hóa MIMO Luồng dữ liệu 1 Luồng dữ liệu 2 Luồng dữ liệu N Chuỗi RF Chuỗi RF LO LPF DAC SRF1 SRFK Dịch pha + khuếch đại công suất (PA)
Hình 1.7.Mô hình kỹ thuật tạo búp sóng lai [45]
Trong những năm gần đây, kỹ thuật định hướng búp sóng lai đã được nghiên cứu bao gồm sự cân bằng giữa hiệu suất năng lượng / hiệu suất phổ của kết nối hoàn toàn kỹ thuật định hướng búp sóng số và lai với bộ chuyển đổi dữ liệu độ phân giải thấp. Một trong những thách thức của các mảng ăng ten lớn là chi phí ngày càng cao -
và sự phức tạp của việc sử dụng nhiều bộ chuyển đổi tương tự số và kỹ thuật số sang - tương tự và các thành phần RF khác để điều khiển các phần tử hoặc mảng con riêng lẻ. Do đó, nghiên cứu tính khả thi của bộ chuyển đổi dữ liệu độ phân giải một bit và trong trường hợp cực đoan sẽ rất quan trọng đối với việc triển khai thực tế các hệ thống MIMO lớn [47].
Các hệ thống truyền hình di động mmWave sẽ cho phép tốc độ dữ liệu gigabit mỗi giây nhờ băng thông lớn có sẵn ở tần số mmWave. Do chi phí cao và tiêu thụ điện năng của các thiết bị, tiền mã hóa mmWave có thể sẽ được phân chia giữa các miền tương tự và số. Số lượng lớn ăng-ten và sự hiện diện của định hướng búp sóng tương tự đòi hỏi phải phát triển các thuật toán ước lượng và tiền mã hóa kênh mmWave cụ thể. Một thuật toán tiền mã hóa tương tự / số lai có thể khắc phục các ràng buộc phần cứng trên định hướng búp sóng tương tự, tiếp cận hiệu năng của các giải pháp kỹ thuật số được đề xuất trong [48]. Trong [49], vấn đề về thiết kế bộ tiền mã hóa mmWave