ăng-ten (Massive MIMO) và khái niệm Beamforming
2.2.1. Giới thiệu kỹ thuật truyền dẫn MIMO sử dụng cực nhiều ăng-ten
Hệ thống Massive MIMO được hiểu nghĩa là gửi thông tin đồng thời qua một trạm phát có rất nhiều ăng-ten (lên tới hàng chục hoặc hàng trăm ăng- ten) trong khi vẫn sử dụng 1 kênh vô tuyến để phục vụ đồng thời nhiều người dùng cùng một thời điểm. Tín hiệu khi đó sẽ được chia thành các luồng, gửi trên kênh truyền và được tổng hợp lại ở phía thu. Bằng việc sử dụng cực nhiều ăng-ten phát, hệ thống Massive MIMO có những ưu việt hơn hệ thống MIMO bình thường như sau
Hệ thống Massive MIMO tăng cường xử lý được những vấn đề truyền dẫn như phản xạ đa đường, cải thiện chất lượng tín hiệu khi đường truyền khơng phải đường thẳng. Điều này đặc biệt cần thiết trong khi truyền thông tin trong mơi trường đơ thị khi tín hiệu sẽ dễ dàng bị suy giảm khi sử dụng đơn anten. Hơn nữa, mơi trường này làm tín hiệu bị phản xạ lại rất nhiều trước khi tín hiệu có thể đi đến phía thu.
Tổng thơng lượng của hệ thống có thể được cải thiện đáng kể, đặc biệt quan trọng trong việc giữ chất lượng truyền video, streaming ổn định chỉ bằng cách sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu tuyến tính với độ phức tạp thuật toán thấp.
Bằng việc sử dụng nhiều luồng dữ liệu, những vấn đề gây ra bởi fading như trễ, mất mát dữ liệu có thể được giảm thiểu một cách đáng kể. Điều đặc biệt, sử dụng cực nhiều ăng-ten ở trạm phát (BTS) giúp khử can nhiễu giữa các người dùng.
Nhờ vào độ lợi tạo ra bởi sử dụng mảng nhiều ăng-ten, hệ thống giúp tiết kiệm công suất cấp phát để truyền thông tin trong khi vẫn đảm bảo chất lượng truyền dẫn tin cậy đến từng người dùng.
Hình 2.2: Mơ hình đường lên của hệ thống Massive MIMO với nhiều người dùng cùngkết nối với một trạm BTS kết nối với một trạm BTS
Công nghệ Massive MIMO đã được công nhận là một tiêu chuẩn cho hệ thống di động 5G và các thế hệ mạng tiếp theo. Tiêu chuẩn 3GPP mới nhất lại coi hệ thống di động 5G là hệ thống MIMO với trạm phát có 64 đến 128 ăng-ten [? ? ]. Công bố này đã cho ta thấy rằng hệ thống Massive MIMO sẽ được sử dụng như là một trong những công nghệ chủ đạo của 5G trong tương lai gần.
2.2.2. Khái niệm beamforming
Beamforming được biết đến là một kỹ thuật trong thông tin vô tuyến nhằm tập trung tín hiệu truyền dẫn. Kỹ thuật này trong lịch sử được nghiên cứu từ những năm 90 và đã được ứng dụng phổ biến trong những năm gần đây. Đối với mơ hình truyền dẫn thơng thường, thơng tin từ trạm phát sẽ được lan tỏa đều đến người dùng, như hình 2.3 Điều này có thể dẫn đến việc tiêu tán tín hiệu, lãng phí cơng suất truyền dẫn mà chất lượng tín hiệu vẫn khơng đảm bảo. Vẫn trên hình 2.3 đó là cách thức kỹ thuật beamforming hoạt động.
Hình 2.3: Mơ hình kỹ thuật beamforming
Kỹ thuật beamforming còn được biết đến với cái tên bộ lọc khơng gian với cơ chế hình thành một búp sóng giả tưởng đến với người dùng mục tiêu. Tất cả anten ở trạm phát sẽ cùng thực hiện việc truyền dẫn đến đích. Do đó, trên lý thuyết, việc tăng số lượng anten tại trạm phát, hiệu ứng truyền búp sóng càng hiệu quả. Những lợi ích mà kỹ thuật beamforming đem lại có thể liệt kê như sau Cải thiện chỉ số SNR: Việc truyền thông tin định hướng giúp tiết kiệm tài
ngun tần số, cơng suất, cải thiện chất lượng tín hiệu có ích.
Hạn chế can nhiễu: Kỹ thuật beamforming hạn chế việc truyền thông tin phân tán, do đó giảm thiểu ảnh hưởng của can nhiễu lên những người dùng đích.
Vector định hướng này sẽ được thực hiện bởi q trình nhân ma trận với tín hiệu truyền đi ở trạm phát, với điều kiện thông tin về kênh truyền từ trạm phát
đến người dùng đã được biết trước. Do q trình ước lượng kênh truyền địi hỏi những kỹ thuật liên quan và khối lượng tính tốn lớn, việc tính tốn CSI giữa trạm phát và người dùng tạm thời được bỏ qua trong luận văn này. Trạm phát được cho rằng đã có đầy đủ thơng tin về kênh truyền giữa trạm phát và từng người dùng. Từ đó kết hợp kỹ thuật beamforming với các kỹ thuật mới hiện nay gồm MIMO và NOMA sẽ giúp hệ thống đạt được hiệu quả lớn. Kỹ thuật NOMA sẽ được trình bày rõ hơn ở phần tiếp theo.