Về mặt lý thuyết, các hệ thống Massive MIMO có thể có vơ số anten tại trạm gốc. Nhưng thơng thường, 64 đến 128 đã được sử dụng thực tế trong trạm gốc Massive MIMO. Một trong những ưu điểm nổi bật của Massive MIMO là chúng ta chỉ cần phần cứng phức tạp ở trạm gốc, trong khi người dùng có thể có một anten duy nhất và thiết kế anten đơn giản. Vì vậy, đối với Massive MIMO, số lượng anten cao hơn chỉ cần thiết ở trạm gốc chứ không cần ở người dùng. Các điện thoại thơng minh hiện tại có 2 đến 4 anten, nhưng đối với Massive MIMO, chỉ cần một anten ở người dùng là đủ.
1.4.2. Các lợi ích của việc sử dụng các kỹ thuật đa anten và của Massive MIMO trong 5G MIMO trong 5G
Các lợi ích của việc sử dụng các kỹ thuật đa anten:
Nhiều anten tại máy phát và (hoặc) tại máy thu có thể được sử dụng để đảm bảo phân tập chống pha đinh trên kênh vô tuyến. Trong trường hợp này, các kênh truyền do các anten này tạo ra phải có tương quan pha đinh tương hỗ thấp, hay nói một cách khác cần có khoảng cách giữa các anten đủ lớn (phân tập không gian).
Nhiều anten tại máy phát và (hoặc) máy thu có thể được sử dụng để định dạng búp sóng tổng hợp (búp phát và búp thu) chẳng hạn để đạt được tăng ích cực đại trong phương đến máy phát hoặc đến máy thu hoặc để triệt tiêu các tín hiệu nhiễu chính. Q trình tạo búp này có thể được thực hiện dựa trên tương quan pha đinh tương hỗ cao hoặc thấp giữa các anten.
Điều này đảm bảo khả năng sử dụng băng thông cao mà không gây giảm hiệu suất sử dụng cơng suất hay nói một cách khác cho phép tốc độ truyền dẫn cao mà không gây ảnh hưởng lớn đến phủ sóng. Giải pháp này được gọi là ghép kênh không gian.
Một vài lợi ích của Massive MIMO đối với mạng 5G:
Hiệu quả phổ tần: Massive MIMO cung cấp hiệu quả phổ tần cao hơn bằng cách cho phép anten mảng của nó tập trung các búp sóng hẹp về phía người dùng. Có thể đạt được hiệu quả phổ tần tốt hơn 10 lần so với hệ thống MIMO hiện tại được sử dụng cho 4G / LTE.
Hiệu quả năng lượng: Yêu cầu cơng suất bức xạ ít hơn và giảm yêu cầu năng lượng trong các hệ thống Massive MIMO.
Tốc độ dữ liệu cao: Độ lợi mảng và ghép kênh không gian được cung cấp bởi Massive MIMO làm tăng tốc độ và dung lượng dữ liệu của hệ thống không dây.
Theo dõi người dùng: Vì Massive MIMO sử dụng búp sóng hẹp hướng tới người dùng. Theo dõi người dùng trở nên đáng tin cậy và chính xác hơn.
Tiêu thụ điện năng thấp: Massive MIMO được xây dựng với bộ khuếch đại tuyến tính cơng suất cực thấp, giúp loại bỏ việc sử dụng các thiết bị điện tử cồng kềnh trong hệ thống. Mức tiêu thụ điện năng này có thể được giảm đáng kể.
Pha đinh ít hơn: Một số lượng lớn anten ở máy thu làm cho Massive MIMO có khả năng chống pha đinh tốt hơn.
Độ trễ thấp: Massive MIMO làm giảm độ trễ trên giao diện vô tuyến.
Chống nhiễu: Các hệ thống Massive MIMO mạnh mẽ chống lại sự can thiệp ngoài ý muốn.
Độ tin cậy: Một số lượng lớn các anten trong Massive MIMO cung cấp độ lợi phân tập cao hơn, làm tăng độ tin cậy của liên kết.
Bảo mật nâng cao: Massive MIMO cung cấp bảo mật vật lý hơn do các kênh trạm di động trực giao và búp sóng hẹp.
1.4.3. Cách thức hoạt động của Massive MIMO
Trong Massive MIMO, song công phân chia theo thời gian được ưu tiên hơn. Trong một khoảng thời gian gắn kết, có ba hoạt động: ước tính kênh (bao gồm đào tạo đường lên và đào tạo đường xuống), truyền dữ liệu đường lên và truyền dữ liệu đường xuống. Giao thức song công phân chia theo thời gian Massive MIMO được thể hiện trong hình 1.10.
Hình 1.10 Giao thức truyền tải song công phân chia theo thời gian Massive MIMO
Ước tính kênh: Trạm gốc cần thơng tin trạng thái kênh để phát hiện các tín
hiệu được truyền từ người dùng trong đường lên và tiền mã hóa các tín hiệu trong đường xuống. Thơng tin trạng thái kênh này có được thơng qua đào tạo đường lên. Mỗi người dùng được chỉ định một chuỗi hoa tiêu trực giao và gửi chuỗi hoa tiêu này đến trạm gốc. Trạm gốc biết các chuỗi hoa tiêu được truyền từ tất cả người dùng và sau đó ước tính các kênh dựa trên các tín hiệu hoa tiêu nhận được. Hơn nữa, mỗi người dùng có thể cần kiến thức một phần về thông tin trạng thái kênh để phát hiện một cách mạch lạc các tín hiệu được truyền từ trạm gốc. Thơng tin này có thể được thu thập thơng qua đào tạo đường xuống hoặc một số thuật tốn ước tính kênh mù. Vì trạm gốc sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính để định dạng búp sóng tín hiệu đến người dùng, người dùng chỉ cần độ lợi kênh hiệu quả để phát hiện các tín hiệu mong muốn của nó. Do đó, trạm gốc có thể dành một thời gian ngắn để định dạng búp sóng các hoa tiêu trong đường xuống để thu nhận thông tin trạng thái kênh ở phía người dùng.
Truyền dữ liệu đường lên: Một phần của khoảng kết hợp được sử dụng để
truyền dữ liệu đường lên. Trong đường lên, tất cả K người dùng truyền dữ liệu của họ tới trạm gốc trong cùng một tài nguyên tần số thời gian. Sau đó, trạm gốc sử dụng các ước tính kênh cùng với các kỹ thuật kết hợp tuyến tính để phát hiện các tín hiệu được truyền từ tất cả người dùng.
Truyền dữ liệu đường xuống: Trong đường xuống, trạm gốc truyền tín hiệu
cho tất cả K người dùng trong cùng một tài nguyên tần số thời gian. Cụ thể hơn, trạm gốc sử dụng ước tính kênh của nó kết hợp với các ký hiệu dành cho K người dùng để tạo ra M tín hiệu tiền mã hóa, sau đó được đưa đến M anten.
1.4.4. Đa truy nhập phân chia theo búp sóng trong Massive MIMO
Mục đích của truyền thơng di động là cung cấp kết nối linh hoạt và cải tiến cho mọi người với chi phí thấp. Trong tương lai ngày càng có nhiều thuê bao tham gia vào mạng nên sẽ tăng dung lượng, do đó yêu cầu trong tương lai là phải cung cấp dung lượng và chất lượng dịch vụ tốt. Điều này có nghĩa là khơng có bất kỳ sự sụt giảm tốc độ nào ở bất kỳ nơi nào người đăng ký đến và bất kỳ số nào trong số họ được kết nối cùng một lúc với mạng. Trở ngại chính trong thơng tin di động là tần số và thời gian bị giới hạn.
Thời gian và tần số được chia cho nhiều người dùng nhưng nó bị giới hạn vì tần số và thời gian có hạn. Trong tương lai sẽ có thêm nhiều trạm di động và sẽ ngày càng tăng, các kỹ thuật trước đây không đủ để quản lý. Cần một kỹ thuật mới cho 5G, vì vậy một nghiên cứu và phát triển của Hàn Quốc đã đưa ra ý tưởng về kỹ thuật đa truy cập mới được gọi là đa truy cập phân chia theo búp sóng. Một búp sóng trực giao được cung cấp bởi trạm gốc cho mỗi trạm di động. Để cho phép nhiều truy cập trong đa truy nhập phân chia theo búp sóng, búp sóng được phân chia theo vị trí và nâng cao dung lượng. Trạm gốc và trạm di động liên lạc trong tầm nhìn khi chúng biết vị trí của nhau và do đó tránh được nhiễu. Đa truy nhập phân chia theo búp sóng là một kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo không gian mới sử dụng anten mảng theo từng giai đoạn, sử dụng kỹ thuật định dạng búp sóng để tạo ra búp sóng.