b) Đặc điểm của MIMO đa người dựng
Kỹ thuật MIMO đa người dựng được nghiờn cứu mạnh mẽ vỡ cú một số ưu điểm then chốt của nú so với cỏc truyền thụng đơn người dựng:
Cho độ lợi trực tiếp về dung năng đa truy nhập (Tỷ lệ thuận với số anten của cỏc trạm cơ sở BS - Base Station) nhờ vào kỹ thuật hợp kờnh đa người dựng. MIMO đa người dựng thể hiện tớnh khỏng nhiễu tốt hơn, với cỏc nhiễu thường gõy khú khăn cho cỏc truyền thụng MIMO đơn người dựng như là sự giảm bậc kờnh hoặc tương quan anten. Mặc dự tương quan tăng vẫn ảnh hưởng đến sự phõn tập đối với mỗi người dựng nhưng cú thể khụng là vấn đề lớn nếu là phõn tập đa người dựng cú thể được tỏch ra sử dụng sự lập lịch để thay thế. Ngoài ra, sự truyền thẳng là nguyờn nhõn gõy nờn sự suy giảm nghiờm trọng chất lượng với sơ đồ hợp kờnh khụng gian đơn người dựng sẽ khụng cũn là vấn đề trong thiết lập đa người dựng.
Cho phộp đạt được độ lợi ghộp kờnh theo khụng gian tại trạm cơ sở, khụng cần đến cỏc thiết bị đầu cuối cú nhiều anten. Do đú, cho phộp phỏt triển cỏc thiết bị nhỏ và rẻ trong khi thiết bị thụng minh đắt tiền vẫn được giữ ở phớa cơ sở hạ tầng.
Tuy nhiờn, để cú được cỏc ưu điểm trờn thỡ cỏi giỏ phải trả là phải biết trạng thỏi kờnh. Vỡ vậy, thụng tin về trạng thỏi kờnh (CSIT - Channel State Information Transmitter) là vấn đề cốt lừi để cỏc người dựng thực hiện được việc ghộp kờnh theo khụng gian, đặc biệt là với cỏc kỹ thuật tiền mó húa đa người dựng đường xuống.
Trong cỏc cụng trỡnh nghiờn cứu gần đõy một số chiến lược lần lượt được đề xuất gần đõy để tiếp cận cỏc tốc độ hứa hẹn trong kờnh MIMO đa người dựng bao gồm cỏc khỏi niệm như là:
a. Mó húa cú chủ định trước kờnh tuyến tớnh và phi tuyến
b. Phản hồi trạng thỏi kờnh từ phớa thu, cỏc mỏy thu đa người dựng. c. Một số sự lập lịch tương ứng và cỏc giải thuật lựa chọn người dựng cũng đó được đề xuất, làm đũn bẩy cho cỏc chiến lược MIMO đa người dựng khỏc nhau.
Ta giải thớch vấn đề trờn ngay sau đõy
3.2. Những kết quả đạt được và vấn đề tồn tại với mạng MIMO đa người dựng [5] người dựng [5]
Lý thuyết thụng tin đa người dựng đạt được một số kết quả sau:
3.2.1. Về tớnh dung năng theo lý thuyết
Hiện nay cỏc ý tưởng MIMO đa người dựng được xem như là thừa kế một loạt cỏc kỹ thuật tiến bộ bắt đầu trong những năm 1970 và 1980 trong lĩnh vực truyền thụng dựa trờn anten mảng. Trờn thực tế việc sử dụng của cỏc anten mảng trong hơn 3 thập niờn vừa qua đó cú thể cho phộp truyền thụng đồng thời nhiều đơn người dựng ở cỏch nhau trong khụng gian. Khỏi niệm này được đưa ra trước kia như là đa truy nhập phõn chia theo khụng gian (SDMA) và liờn quan rất chặt chẽ đến hợp kờnh khụng gian MIMO hiện nay, cú thể hiểu như là hợp kờnh cỏc dũng dữ liệu của cỏc người dựng “ảo”.
Xột trường hợp cụ thể là truyền thụng giữa một BS hoặc một điểm truy nhập cú Nanten và U cỏc thiết bị đầu cuối hoạt động, người dựng hoạt động thứ k được trang bị với Mk anten (xem hỡnh 3.1). Trong số tất cả cỏc thiết bị đầu cuối, tập hợp
cỏc người dựng hoạt động hiểu là tập hợp cỏc người dựng tải xuống đồng thời hoặc tải lờn cỏc gúi trong một cửa sổ lập lịch cho trước. Độ dài cửa sổ là tựy ý nhưng khụng nờn vượt quỏ độ trễ tối đa (Cú thể là nhỏ một vài chục ms đến vài trăm ms). Cú nghĩa là tất cả cỏc người dựng đang hoạt động trờn một cửa sổ sẽ là một tập con nhỏ của cỏc người dựng được kết nối, tự tạo thành một tập con nhỏ của cỏc thuờ bao.
Trong đường lờn, tớn hiệu nhận được tại BS cú thể được viết lại như sau: U 1 k k T kx n H y (3.1) Trong đú xk là vector tớn hiệu người dựng kớch thước Mk1, cú thể bao gồm điều khiển cụng suất, tổ hợp tuyến tớnh, cỏc ký hiệu chũm sao. MK N
C
k
H biểu diễn ma trận kờnh fading phẳng và vectơ nhiễu Gauss cộng tớnh, phương sai đơn vị, phõn bố độc lập, đồng nhất tại BS, mỏy thu giả thiết biết hoàn hảo, tức thời trạng thỏi kờnh (Bài toỏn giống như đơn người dựng, chỉ khỏc dung năng hệ U người dựng)
Trường hợp đường xuống (Hỡnh 3.2), tớn hiệu nhận được tại nơi nhận thứ k
cú thể được viết như sau:
k k k H x n
Y với k 1,...,U (3.2) Trong đú Hk CMk N biểu diễn kờnh đường xuống và
k
n CMk 1 là nhiễu Gauss cộng tớnh tại bộ thu thứ k. Cũng như với đường lờn giả sử rằng mỗi bộ thu cú sự hiểu biết tức thời của bản thõn kờnh Hk của mỡnh. Tớn hiệu phỏt x là một hàm của dữ liệu thụng tin đa người dựng, chẳng hạn cú dạng:
k k
x
x (3.3) Trong đú xk là tớn hiệu mang bản tin người dựng thứ k, cú thể mó húa phi tuyến, với phương sai: H k k k Ex X Q (3.4) Với E (ã) là toỏn tử kỳ vọng, cụng suất phõn phối cho người dựng thứ k là:
Qk
Tr
Pk (3.5) Trong đú Tr là toỏn tử vết, với một tổng cụng suất ràng buộc tại BS, sự phõn phối cụng suất cần duy trỡ k Pk P.
Trỏi với cỏc hệ thống đơn người dựng mà dung lượng là một số đơn, tức tốc độ là một số xỏc định, dung lượng của một hệ thống đa người dựng với U người
độ cú thể đạt được bởi tất cả U người dựng đồng thời. Sự tiến bộ đỏng kể đó được thực hiện cho cỏc kờnh MIMO Gauss. Mặc dự khụng bị suy giảm, kờnh MIMO phỏt quảng bỏ (Gauss MIMO BC) cung cấp cấu trỳc quan trọng mà cú thể được tận dụng để mụ tả đặc điểm vựng dung năng của nú.
Xột hệ mà CSIT biết đầy đủ, khi dựng mó giấy bẩn (DPC) phương sai của
nhiễu là đơn vị, vựng dung năng với ma trận đó cho cú thể được viết như sau [3]:
Trong đú biểu thức trờn được tối ưu qua mỗi lần sắp xếp người dựng khả dĩ. Mặc dự khú để thực hiện trong thực tế, những tớnh toỏn vựng trờn bằng việc tận dụng cỏc kết quả được gọi là tớnh đối ngẫu giữa BC và vựng dung năng đa truy cập MAC, từ đú giỳp ta tớnh vựng BC thụng qua phộp hợp vựng MAC đối ngẫu với tất cả cỏc vectơ đường lờn, đỏp ứng điều kiện ràng buộc tổng cụng suất là P [10].
Tỏc dụng của nhiều anten tại BS hoặc tại cỏc người dựng lờn sự mở rộng dung lượng kờnh cú thể thấy rừ nhất thụng qua việc kiểm tra tổng tốc độ thay đổi như thế nào theo số người dựng đang hoạt động.
Để đơn giản, xột sơ đồ khối gồm kờnh fading và một mạng đồng nhất trong đú tất cả người dựng cú cựng tỷ số tớn/tạp (S/N), luật định cỡ của dung năng tốc độ tổng của MIMO Gauss BC, ký hiệu là RDPC
, cho trường hợp Mk M, cố định N, P và U lớn được cho như sau:
1 ) log( log ) ( lim N UM R E DPC U (3.7) Kết quả trờn cho thấy rằng với CSIT đầy đủ, hệ thống cho ta độ lợi hợp kờnh là N, thu được bằng cỏch BS gửi dữ liệu cho N người dựng được lựa chọn thận trọng từ tổng người dựng U. Vỡ mỗi người dựng cú M cỏc hệ số fading độc lập, tổng số bậc tự do cho phõn tập đa người dựng là UM, do đú đối với hệ số này cú độ lợi bổ sung là loglog (UM).
Ngược với cụng thức trờn, dung lượng thu được trong trường hợp BS là bị thiếu thụng tin kờnh người dựng, sẽ giảm bớt cũn (Khi SNR cao):
E(RNoCSIT)min(M,N)logSNR (3.8)
3.2.2. Về thiết kế:
Lý thuyết thụng tin làm nổi bật một số khớa cạnh cơ bản của cỏc hệ thống MIMO đa người dựng khỏc rất nhiều với việc thiết lập MIMO đơn người dựng. (3.6)
Thứ nhất, cỏc kết quả ở trờn là đỳng cho sự phục vụ đa người dựng đồng thời trong SDMA, với một sự lựa chọn kỹ thuật tiền mó húa thớch hợp tại nơi phỏt. Mặc dự độ lợi hợp kờnh bị hạn chế bởi số anten phỏt, nhưng số người được phục vụ đồng thời là tựy ý. Bao nhiờu người và người dựng nào được phục vụ hiệu quả với cụng suất khỏc 0 tại bất kỳ thời gian nào cho trước là vấn đề được giải quyết bởi thuật toỏn phõn phối tài nguyờn.
+ Số người dựng là tựy ý
+ Cú thể dựng anten đơn ở nơi thu (Phõn tập khụng gian và phõn tập người dựng).
+ Hạn chế tỏc động xấu kờnh (LOS, sụt hạng)
+ Tầm quan trọng của CSIT nờn buộc phải cú kờnh phản hồi ở nơi thu
3.3. Cỏc kỹ thuật MIMO đa người dựng khi biết kờnh tại nơi phỏt
Mó húa trước tuyến tớnh như là ZF, MMSE, chộo húa khối BD, là một dạng tổng quỏt của SDMA truyền thống, trong đú cỏc người dựng được gỏn cỏc ma trận tiền mó húa khỏc nhau tại bộ phỏt. Cỏc bộ tiền mó húa được thiết kế dựa trờn sự kết nối CSI của tất cả người dựng, với bất kỳ kiểu thiết kế nào gồm ZF và MMSE. Vớ dụ như bộ mó húa trước cưỡng bức về 0 (Zero Forcing Precoder), cú sơ đồ khối như hỡnh (3.4) [10]: