5. Phương pháp nghiên cứu
2.4 Định hướng đa búp sóng tương tự, số và lai số-tương tự
Một cách phân loại khác về các kỹ thuật định hướng đa búp sóng đã được thể hiện trong hình 2.1, trong đó chúng được phân thành hai loại: định hướng đa búp sóng tương tự và định hướng đa búp sóng kỹ thuật số. Định hướng đa búp sóng tương tự đã được đề xuất hơn 50 năm trước. Các anten định hướng đa búp sóng tương tự được cấu tạo bởi ma trận lai và bộ dịch pha cố định. Khái niệm chính đằng sau định hướng đa búp sóng tương tự là điều khiển pha của từng tín hiệu truyền bằng cách sử dụng các bộ dịch pha chi phí thấp. Một bộ chuyển mạch tần số vô tuyến chọn lọc (RF) được sử dụng để tạo điều kiện cho chức năng định hướng búp sóng (góc định hướng). Một số ăng ten định hướng đa búp sóng tương tự hiện đại đã được đề xuất và cung cấp định hướng đa búp sóng liên tục. Venkateswaran và van der Veen (2010) đã đề xuất định hướng đa búp sóng tương tự trong truyền thông MIMO với các mạng chuyển pha. Họ đã cố gắng hủy các tín hiệu gây nhiễu trong miền tương tự và giảm thiểu độ phân giải ADC cần thiết. Ngược lại, định hướng đa búp sóng kỹ thuật số bao gồm nhiều ưu điểm, bao gồm ước tính DOA, điều khiển lập trình các mẫu bức xạ ăng-ten và điều khiển búp sóng thích ứng để tăng cường SINR. Những ưu điểm này chỉ có thể có được bằng cách sử dụng công nghệ kỹ thuật số.
Như đã lưu ý ở trên, định hướng đa búp sóng tương tự được áp dụng một cách đơn giản bằng cách sử dụng các bộ dịch pha rẻ tiền. Vì lý do đó, định hướng đa búp sóng tương tự có hiệu quả chi phí hơn so với định hướng đa búp sóng kỹ thuật số. Ngược lại, định hướng đa búp sóng tương tự thể hiện hiệu suất kém hơn so với định hướng đa búp sóng kỹ thuật số vì biên độ của bộ dịch pha không linh hoạt. Để đạt được hiệu suất tốt hơn, sự kết hợp định hướng đa búp sóng kỹ thuật số và tương tự đã được đề xuất và được gọi là định hướng đa búp sóng lai. Khái niệm định hướng đa búp sóng lai, là một hỗn
45
hợp của định dạng đa búp sóng kỹ thuật số và tương tự, được áp dụng rộng rãi cho các hệ thống MASSIVE MIMO. Phần định hướng đa búp sóng kỹ thuật số tạo ra tín hiệu băng cơ sở, trong khi phần định hướng đa búp sóng tương tự giải quyết hiệu ứng chuỗi RF bằng cách giảm số lượng ADC / DAC, giúp cải thiện đầu ra của bộ khuếch đại công suất hoặc thay đổi kiến trúc của bộ trộn và do đó tiết kiệm chi phí. Các loại hệ thống đa búp sóng lai khác nhau đã được thiết kế và đề xuất bởi nhiều nhà nghiên cứu. Hur et al. (2013) đã thiết kế một máy tạo búp sóng lai và so sánh định hướng đa búp sóng lai và kỹ thuật số trong trường hợp các hệ thống MASSIVE MIMO có nhiều đường xuống. Họ đã nghiên cứu mối quan hệ giữa cả định hướng đa búp sóng kỹ thuật số và đa búp sóng lai theo thống kê bằng cách thay đổi các yếu tố như tham số chuỗi RF. Kết quả mô phỏng cho thấy đối với một số chuỗi RF và ADC nhất định, sự khác biệt về hiệu suất giữa định hướng đa búp sóng kỹ thuật số và lai có thể được cải thiện bằng cách giảm số lượng các biểu tượng ghép kênh. Hơn nữa, đối với một số ký hiệu ghép kênh cụ thể, việc tăng số chuỗi RF và ADC sẽ tăng tỷ lệ tổng hợp của định hướng đa búp sóng lai có thể thu được.
Tín hiệu RF Xử lý băng tần số
Tín hiệu băng tần cơ sở
Chuỗi RF
Antenna
Bộ dịch pha
46
Tín hiệu RF Xử lý băng tần số
Tín hiệu băng tần cơ sở
Chuỗi RF
Antenna
Tín hiệu RF Xử lý băng tần số
Tín hiệu băng tần cơ sở
Chuỗi RF
Hình 2.10: Kịch bản tạo chùm tia kỹ thuật số hoàn toàn [15]
Antenna
Xử lý băng tần số Tín hiệu băng tần cơ s ở
Chuỗi RF
Xử lý băng tần số Tín hiệu băng tần cơ s ở
Chuỗi RF Mã hóa trước RF + + + + + +
Hình 2.11: Kịch bản tạo chùm tia lai, cấu trúc kết nối đầy đủ [16]
2.5 Kết luận chương
Toàn bộ nội dung của chương đã trình bày một cách khái quát về các kỹ thuật định hướng đa búp sóng và thấy được những ưu, nhược điểm của chúng. Định hướng đa búp sóng băng rộng (dạng sóng dải mm) được áp dụng nhiều hơn trong trong thiết kế mảng ăng ten thông minh. Các thuật toán tối ưu có thể là một trong những thuật toán thích ứng, chẳng hạn như MVDR hoặc kết hợp hai thuật toán, để ước tính chính xác DOA theo góc phương vị và góc độ cao (2D-DOA). Việc triển khai định hướng đa búp sóng tối ưu như vậy sẽ cung cấp hiệu suất cao nhất trong các hệ thống MASSIVE MIMO, đáp ứng các yêu cầu của hệ thống truyền thông không dây thế hệ tiếp theo.
47
CHƯƠNG 3: ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO 3.1 Hệ thống MASSIVE MIMO
Các hệ thống MIMO đã nhận được sự chú ý đáng kể do số lượng người dùng được phục vụ ngày càng tăng và nhu cầu ngày càng tăng đối với lượng lớn dữ liệu. Các hệ thống MIMO đa người dùng có thể cung cấp một kỹ thuật đột phá để cải thiện hiệu quả phổ trong truyền thông không dây. MIMO đã trở thành một công nghệ chính cho các hệ thống truyền thông trong tương lai khi số lượng yêu cầu cho các dịch vụ không dây tiếp tục tăng lên, với phổ tần là hữu hạn. Gần đây, nhiều nghiên cứu chuyên sâu đã được thực hiện trong lĩnh vực truyền thông MIMO đa người dùng, trong đó các hệ thống có liên quan được gọi là hệ thống MIMO quy mô lớn (MASSIVE MIMO).
Các hệ thống MASSIVE MIMO được định nghĩa là sự sắp xếp của các hệ thống mu-MIMO trong đó một lượng lớn các phần tử ăng ten tại BS và một lượng lớn ăng ten tại các thiết bị đầu cuối được triển khai. Trong các hệ thống MASSIVE MIMO, một lượng lớn ăng ten (hàng trăm hoặc hàng nghìn) được kết nối với BS đồng thời hoạt động với số lượng đáng kể (hàng chục hoặc hàng trăm) thiết bị đầu cuối sử dụng tài nguyên tần số sóng mang và thời gian tương tự. Các hệ thống MASSIVE MIMO có thể cải thiện khả năng của các hệ thống truyền thông không dây từ 10 lần trở lên nhờ các đặc tính của chúng và hiệu suất năng lượng khoảng 100 lần. Việc tăng công suất được kích hoạt bởi các hệ thống MASSIVE MIMO là do số lượng lớn ăng-ten được triển khai. Tuy nhiên, việc sử dụng một số lượng lớn ăng-ten gây ra các vấn đề nhiễu, có thể được giảm thiểu bằng cách triển khai các ăng-ten dạng chùm thay vì ăng-ten thông thường.
Định nghĩa của định hướng đa búp sóng trong các hệ thống MASSIVE MIMO khác một chút so với các định nghĩa đã nói ở trên. Định hướng đa búp sóng là một quy trình xử lý tín hiệu được sử dụng với nhiều mảng ăng ten ở phía máy phát hoặc phía máy thu để gửi hoặc phát hiện đồng thời nhiều tín hiệu từ nhiều thiết bị đầu cuối mong muốn
48
để tăng hiệu suất hệ thống. Định hướng đa búp sóng có thể được nhận ra bằng cách lắp ráp các phần tử trong một mảng có tổ chức, trong đó các chùm được định hướng theo một hướng cụ thể được thêm vào và các chùm khác bị bỏ qua. Mặc dù kỹ thuật này không phải là mới, nhưng nó vẫn được củng cố bởi các tổ chức hệ thống truyền thông không dây phát triển. Hiệu quả năng lượng của các hệ thống MASSIVE MIMO có thể được tăng lên đáng kể bằng cách triển khai một lượng lớn các thành phần ăng ten định dạng chùm tia. Các nghiên cứu gần đây liên quan đến hệ thống không dây 5G chủ yếu tập trung vào các hệ thống MASSIVE MIMO và các giải pháp búp sóng. Tuy nhiên, các kỹ thuật búp sóng vẫn có thể góp phần cải tiến hơn nữa các hệ thống truyền thông không dây trong tương lai.
Hình 3. 1: Hệ thống đa ăng ten cỡ lớn
3.2 Vai trò của định hướng đa búp sóng trong hệ MASSIVE MIMO
Định hướng đa búp sóng là một quá trình được xây dựng để tạo ra các mẫu chùm bức xạ của anten bằng cách xây dựng hoàn toàn các tín hiệu được xử lý theo hướng của các cực mong muốn. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn (FIR). Bộ lọc FIR có lợi ở chỗ trọng lượng của chúng có thể được thay đổi một cách thích ứng và được áp dụng để có được dạng tia tối ưu.
Ứng dụng của kỹ thuật búp sóng trong các hệ thống MASSIVE MIMO có các ưu điểm sau: tăng cường hiệu quả năng lượng, cải thiện hiệu suất quang phổ, tăng bảo mật hệ thống và khả năng ứng dụng cho các dải sóng mm.
49
3.2.1 Tăng cường hiệu quả năng lượng
Yêu cầu công suất thấp hơn của anten búp sóng để truyền tín hiệu đến người dùng và giảm chi phí dẫn đến mức tiêu thụ điện năng thấp hơn và chi phí bộ khuếch đại của các hệ thống MASSIVE MIMO. Các hệ thống MASSIVE MIMO được hỗ trợ bởi các quy trình định dạng tia để giảm mức tiêu thụ năng lượng của toàn hệ thống bằng cách tính toán số lượng phần tử ăng ten tối ưu đáp ứng một số tiêu chí thiết yếu để điều khiển các hệ thống MASSIVE MIMO tiết kiệm năng lượng. Đối với mỗi mức tiêu thụ điện năng được chỉ định của từng BS, hiệu suất năng lượng tổng thể tương đối không bị ảnh hưởng bởi số lượng phần tử ăng ten làm việc trong tế bào; do đó, một số ăng-ten làm việc chung có thể được triển khai cho toàn bộ các tế bào trong hệ thống để đạt được hiệu quả chi phí cao và hiệu quả năng lượng tổng thể. Để đáp ứng các yêu cầu thông lượng đầu cuối, các quy trình tối ưu hóa cho các kỹ thuật búp sóng, như điều khiển công suất, phải được xem xét để giảm tiêu thụ điện năng tại BS.
3.2.2 Cải thiện hiệu suất phổ
Kiểm soát công suất của tín hiệu đường lên và đường xuống, cải thiện chất lượng tín hiệu bằng các thành phần ăng ten dạng chùm cho phép cải thiện công suất. Các hệ thống MASSIVE MIMO có tiềm năng cải thiện hiệu quả phổ của các mảng ăng ten định dạng chùm không dây với số lượng lớn các phần tử ăng ten phục vụ tại các BS với quá trình tiền mã hóa và phát hiện kết. Hiệu suất phổ của các hệ thống tế bào bị ảnh hưởng bởi sự phân bố tỷ lệ sóng mang trên mạng di động.
Hiệu suất của các cấu trúc hệ thống không dây đã được tăng cường một cách hiệu quả thông qua việc thay thế các mảng ăng ten đa hướng thông thường bằng các cấu trúc phân vùng tế bào động và các mảng ăng ten điều khiển chùm tia bằng cách sử dụng quy trình song công phân chia theo thời gian (TDD). Các mô phỏng đã chỉ ra rằng hiệu quả của việc tạo thành tế bào động được cải thiện bằng cách sử dụng các kỹ thuật chiếu tia thay vì anten đa hướng tại các BS. Hơn nữa, mức tăng định dạng chùm trung bình làm
50
tăng công suất của tín hiệu đường xuống tại bộ tiền mã hóa do sự kết hợp chặt chẽ của các tín hiệu thu được ở tất cả các phần tử ăng ten. Độ lợi liên quan đến tốc độ tải xuống; do đó, tốc độ dữ liệu có thể được tăng lên bằng cách sử dụng các hệ thống MASSIVE MIMO.
3.2.3 Tăng cường bảo mật hệ thống
Khái niệm về tạo chùm tia là để điều khiển tín hiệu truyền tới người dùng dự định; do đó, người nhận sẽ là bên duy nhất khôi phục tín hiệu mong muốn từ tín hiệu lớp phủ. An ninh vật lý có thể đạt được vì xác suất kẻ nghe trộm nhận được tín hiệu truyền sẽ nhỏ hơn so với khi sử dụng ăng-ten thông thường.
3.2.4 Khả năng ứng dụng cho các dải sóng mm
Một ưu điểm khác của tạo chùm tia là nó có thể được áp dụng cho các dải sóng mm. Do phần lớn phổ tần số phù hợp với truyền thông di động đô thị dày đặc (ví dụ, dưới 5 GHz) được cấp phép, cách duy nhất để tăng tốc độ dữ liệu trong miền tần số là sử dụng các dải tần số không sử dụng gần dải sóng mm. Ưu điểm chính của các dải tần số này là tính sẵn có băng thông cao. Tuy nhiên, đặc điểm lan truyền của các dải này là kém, ngay cả đối với khoảng cách ngắn.
Anten định hướng cao phải được sử dụng để khắc phục hạn chế này. May mắn thay, các bộ khuếch đại ăng ten cao có thể đạt được ở kích thước ăng ten nhỏ hơn đáng kể do tần số sóng mang cao. Điều này có nghĩa là các ăng ten định hướng này cũng có thể được sử dụng với các thiết bị di động. Tuy nhiên, một hệ thống chùm hẹp cố định không phù hợp cho các ứng dụng di động. Điều này làm cho tạo chum tia là giải pháp khả thi duy nhất cho các ứng dụng như vậy.
3.3 Các bộ tiền mã hóa và tách sóng MASSIVE MIMO
Như đã đề cập ở trên, các hệ thống MASSIVE MIMO có các lợi ích sau: tăng cường hiệu suất thông lượng, các thành phần chi phí thấp, năng lượng thấp và bức xạ
51
năng lượng hiệu quả. Tiền mã hóa, hoặc đồng bộ hóa các tín hiệu truyền đi, là một trong những chức năng liên quan đến các hệ thống MIMO và được phát triển cho các hệ thống MASSIVE MIMO phụ thuộc vào tính khả dụng của CSI để sửa lỗi tín hiệu tại các BS. Các máy tách sóng tại các thiết bị đầu cuối (trạm di động) sau đó sẽ phục hồi tín hiệu được thiết lập mong muốn từ các thành phần mảng ăng ten tại BS trong giai đoạn đường xuống. Thiết kế máy tách sóng với mức tiêu thụ điện năng tăng cường và độ phức tạp ước tính thấp rất khó thu được nhưng cực kỳ quan trọng, đặc biệt khi số lượng ăng ten tăng.
Xét bài toán với mô hình ở hình 3.1, trong đó trạm gốc với N ăng ten phát phục vụ đồng thời K người dùng cùng lúc, giả sử mỗi người dùng sử dụng một ăng ten để đơn giản bài toán. Mô hình kênh trong nghiên cứu này là mô hình kênh pha đinh khối. Trong đó mỗi kênh truyền từ người dùng 𝑘𝑡ℎ đến N ăng ten thu được ký hiệu là hk = [h1k....hNk]T
∈ CN×1 được mô hình hóa theo mô hình kênh pha đinh Rayleigh không tương quan phân bố độc lập với nhau theo phân bố chuẩn hk ∼CN(0,γkIN),k = 1,...,K, trong đó γk > 0 là hệ số suy giảm bao gồm suy giảm trong không gian tự do và suy giảm do bị che phủ. IN
biểu thị ma trận đơn vị có kích cỡ NxN, ma trận kênh tổng hợp giữa K người dùng và N ăng ten phát khi đó được biểu diễn bởi
1
[ ,..., K]T KxN.
H h h (3.1)
Giả sử sk là ký tự mang thông tin =của người dùng thứ k, s = [s1...sK]T ∈ CK×1 là véc tơ ký tự mang thông tin của K người dùng với tổng công suất E{sHs} = K trong đó (.)T và (.)H lần lượt là ký hiệu chuyển vị và chuyển vị phức.
Giả sử xi là tín hiệu được truyền trên ăng ten phát thứ 𝑖𝑡ℎ và x = [x1...xN]T ∈ CN×1
là tín hiệu đầu vào N ăng ten phát đã được tiền mã hóa bởi ma trận tiền mã hóa w, y = [y1...yK]T ∈ CK×1 là véc tơ tín hiệu thu được tại K người dùng, khi đó ta có
yHxn (3.2)
trong đó n∼ CN(0,σ2IK) là véc tơ nhiễu tại K người dùng, σ2 là công suất nhiễu trung bình.
52
Giả sử P= diag(p1,…,pK) ∈ CK×K là ma trận đường chéo mà mỗi phần tử đường chéo pk là công suất phân bổ cho người dùng 𝑘, và W = [w1,...,wK]T ∈ CN×K là ma trận tiền mã hóa tại trạm gốc, khi đó tín hiệu tiền mã hóa x tại đầu vào N ăng ten phát sẽ là
x = WP1/2s (3.3) Khi sử dụng bộ tiền mã hóa chế áp về không (Zero Forcing ZF) ma trận tiền mã