CHƢƠNG I MÔ HÌNH KÊNH MIMO
2.4. Từ MIMO đơn ngƣời dùng đến MIMO đa ngƣời dùng
2.4.3. Những kết quả đạt đƣợc và vấn đề tồn tại hệ MU-MIMO so với SU-
a) Về tính dung năng theo lý thuyết
Hiện nay các ý tưởng MU-MIMO được xem như là thừa kế một loạt các kỹ thuật tiến bộ bắt đầu từ những năm 1970 và 1980 trong lĩnh vực truyền thông dựa trên lý thuyết anten mảng. Trên thực tế việc sử dụng anten mảng trong hơn 3 thập niên qua đã có thể cho phép truyền thông đồng thời nhiều đơn người dùng độc lập ở cách xa nhau trong không gian. Khái niệm này trước kia đã được đưa ra như là đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA) và liên quan chặt chẽ tới hợp kênh không gian MIMO hiện nay, có thể hiểu như là hợp kênh các luồng dữ liệu của các người dùng „„ảo”.
với 𝑀𝑘 anten (hình 1.1). Trong số tất cả các thiết bị đầu cuối, tập hợp các người dùng hoạt động hiểu là tập các người dùng tải xuống và tải lên đồng thời các gói tin trong một cửa sổ lập lịch cho trước. Độ dài cửa sổ là tùy ý nhưng không nên vượt độ trể tối đa (có thể nhỏ vài chục ms đến vài trăm ms). Điều đó có nghĩa là tất cả các người dùng đang hoạt động trên cùng một cửa sổ sẽ là một tập con nhỏ của tất cả các người dùng được kết nối, tự tạo thành tập con của các thuê bao.
Trong đường lên tín hiệu nhận được tại BS có thể được viết lại như sau :
𝑦 = 𝐻𝑘𝑇 𝐾
𝑘=1
𝑥𝑘 + 𝑛 (2.30)
Trong đó xk là vector tín hiệu người dùng kích thước Mk x 1, có thể bao gồm điều khiển công suất, tổ hợp tuyến tính, các ký hiệu chòm sao. 𝐻𝑘 ∈ ℂ𝑀𝑘×𝑁 biểu diễn ma trận kênh fading phẳng và vecto nhiễu Gauss cộng tính, phương sai đơn vị, phân bố độc lập, đồng nhất tại BS, máy thu giả thiết là được biết trước hoàn hảo, tức thời trạng thái kênh truyền (một bài toán giống như đơn người dùng, chỉ khác dung năng hệ K người dùng).
Trường hợp đường xuống, tín hiệu nhận được tại nơi nhận thứ k có thể được viết lại như sau :
𝑦𝑘 = 𝐻𝑘𝑥 + 𝑛𝑘, 𝑣ớ𝑖 𝑘 = 1,2, … , 𝑈 (2.31)
Trong đó, 𝐻𝑘 ∈ ℂ𝑀𝑘×𝑁 biểu diễn kênh đường xuống và 𝑛𝑘 ∈ ℂ𝑀𝑘×1 là nhiễu Gauss cộng tính tại bộ thu thứ k. Cũng như đường lên, giả sử rằng mỗi bộ thu có sự hiểu biết tức thời của bản thân kênh 𝐻𝑘của mình. Tín hiệu phát 𝑥 là một hàm của dữ liệu thông tin đa người dùng chẳng hạn, có dạng :
𝑥 = 𝑥𝑘
𝑘
(2.32)
Trong đó xk là tín hiệu mang bản tin người dùng thứ k, có thể mã hóa phi tuyến, với phương sai 𝑄𝑘 = 𝔼 𝑥𝑘𝑥𝑘𝐻 , với 𝔼 . là toán tử kỳ vọng, công suất phân phối cho người dùng thứ k là 𝑃𝑘 = 𝑇𝑟 𝑄𝑘 , trong đó Tr là toán tử vết, với một tổng công suất rằng buộc tại BS, sự phân phối công suất cần duy trì là 𝑃𝑘 𝑘 ≤ 𝑃.
Trái với hệ thống SU-MIMO với dung lượng là một một số đơn, tức là tốc độ là một hằng số xác đinh, dung lượng của hệ MU-MIMO với K người dùng được đặc trưng bởi tốc độ K chiều, trong đó mỗi điểm là một vecto tốc độ có thể đạt được bởi cả K người dùng đồng thời. Sự tiến bộ đáng kể này đã được thực hiện cho các kênh
MIMO Gauss. Mặc dù không bị suy giảm kênh Gauss MIMO BC cung cấp cấu trúc quan trọng mà có thể được tận dụng để mô tả đặc điểm vùng dung năng của nó.
Xét hệ CSIT biết đầy đủ, khi dùng mã trang bẩn (DPC) phương sai của nhiễu là đơn vị, vùng dung năng với ma trận đã cho có thể được viết lại như sau :
𝐶𝐵𝐶 = 𝑅1, … , 𝑅𝐾 ∈ ℜ+𝐾, 𝑅𝑖 ≤ log2det[𝐼 + 𝐻𝑖 𝑗 ≥𝑖𝑄𝑖 𝐻𝑖
𝐻] det[𝐼 + 𝐻𝑖 𝑗 >𝑖𝑄𝑖 𝐻𝑖𝐻]
𝑃1,…,𝑃𝐾 𝑠.𝑡. 𝑃𝑘 𝑘=𝑃
(2.33)
Trong đó, biểu thức trên được tối ưu qua mỗi lần sắp xếp người dùng khả dĩ. Mặc dù là khó để thực hiện trong thực tế, những tính toán về vùng dung năng trên bằng việc tận dụng các kết quả được gọi là tính đối ngẫu giữa BC và vùng dung năng đa truy cập MAC, từ đó giúp ta tính vùng BC thông qua phép hợp vùng MAC đối ngẫu với tất cả các vector đường lên, đáp ứng điều kiện rằng buộc tổng công suất là 𝑃.
Tác dụng của đa anten tại BS hoặc tại máy đầu cuối người dùng lên sự mở rộng dung năng kênh có thể thấy rỏ nhất thông qua việc kiểm tra tốc độ thay đổi như thế nào theo số người dùng đang hoạt động.
Để đơn giản, xét sơ đồ khối gồm kênh fading và một dạng đồng nhất trong đó tất cả người dùng có cùng tỷ số tín hiệu/tạp âm (S/N), luật định cở của dung năng tổng kênh Gauss MIMO BC, kí hiệu là 𝑅𝐷𝑃𝐶, cho trường hợp 𝑀𝑘 = 𝑀, cố định 𝑁, 𝑃 và 𝐾
lớn được cho như sau :
lim
𝑈→∞
𝔼 ℛ𝐷𝑃𝐶
𝑁 log log 𝐾𝑀 = 1 (2.34)
Kết quả trên cho thấy rằng với CSIT đầy đủ, hệ thống cho ta độ lợi hợp kênh là
𝑁, thu được bằng cách BS gửi dữ liệu cho 𝑁 người dùng được lựa chọn thận trọng từ tổng người dùng 𝐾. Vì mỗi người dùng có 𝑀 các hệ số fading độc lập, tổng số bậc tự do cho phân tập đa người dùng là 𝐾𝑀, do đó đối với hệ số này có độ lợi bổ sung là
log log 𝐾𝑀 .
Ngược với công thức trên, dung năng thu được trong trường hợp BS thiếu thông tin kênh người dùng, sẽ giảm bớt còn (khi chế độ SNR cao):
𝔼 ℛ𝑁𝑜𝐶𝑆𝐼𝑇 ≈ min 𝑀, 𝑁 log 𝑆𝑁𝑅 (2.35)
b) Về mặt thiết kế
Thứ nhất, các kết quả ở trên là đúng cho sự phục vụ đa người dùng đồng thời trong SDMA, với một sự lựa chọn kỹ thuật mã trước thích hợp tại nơi phát và các kỹ thật giải mã kết hợp khử nhiễu tại bộ thu. Mặc dù, độ lợi hợp kênh bị hạn chế bởi số anten phát, nhưng số người được phục vụ đồng thời là tùy ý. Bao nhiêu người và người dùng nào được phục vụ hiệu quả với công suất khác 0 tại bất kỳ thời gian nào cho trước là vấn đề được giải quyết bởi thuật toán phân phối tài nguyên.
- Số người dùng là tùy ý
- Có thể dùng anten đơn ở bộ thu (phân tập không gian và phân tập người dùng)
- Hạn chế tác động xấu của kênh (LOS, sụt hạng)
- Do tầm quan trọng của CSIT nên buộc phải có kênh phản hồi ở bộ thu.
2.5. Kết luận chƣơng
Chương 2, chúng ta đã tìm hiểu về dung năng kênh MIMO đơn người dùng và kênh MIMO đa người dùng qua đó có cái nhìn khách quan giữa kênh MU-MIMO so với dung năng kênh đơn người dùng. Chúng ta đã phân tích hệ MU-MIMO để thấy được tính kế thừa và phát triển từ SU-MIMO như thế nào, những ưu điểm so với SU- MIMO và các kết quả đạt được của hệ thống đa người dùng.
Qua đó chúng ta thấy được một số vấn đề then chốt sau :
- Cấu trúc và hoạt động của hệ thống MIMO đa người dùng như thế nào. - Dung năng của hệ thống qua hệ thống các kênh truyền MU-MIMO. - Chúng ta đã đưa ra được mô hình tín hiệu vào ra của hệ thống.
- MIMO đa người dùng kế thừa và phát triển từ MIMO đơn người dùng như thế nào.
- Ưu điểm của MIMO đa người dùng so với MIMO đơn người dùng. - Một số kết quả đạt được về tính lý thuyết và thực nghiệm.
…
Chương sau chúng ta sẽ đi tìm hiểu, nghiên cứu về các kỹ thuật xử lý tín hiệu ở bộ thu, phát đa người dùng để tăng dung năng hệ thống. Phân tích tìm hiểu một bộ thu áp dụng một kỹ thuật tách sóng đa người dùng đó là kỹ thuật khử nhiễu nối tiếp SIC áp dụng cho bộ thu tại trạm cơ sở (BS) trên đường lên, qua đó sẽ thấy được lợi ích của kỹ thuật này cho hệ thống MU-MIMO.