MASSIVE MIMO tương lai cho mạng viễn thông không dây 5G
Hồ Đức Chung
Tóm tắt nội dung
Ngày nay, yêu cầu cho việc thông tin và liên lạc ngày càng tăng cao đặc biệt về dung lượng, hiệu suất và tốc độ truyền nhận dữ liệu giữa trạm phát sóng và người dùng di động trong mạng không dây và có dây ngày càng cấp thiết. Vì vậy sự yêu cầu về cải tiến kỹ thuật trong hệ thống mạng không dây cũng như có dây đòi hỏi ngày càng nâng cao và cải thiện. Một trong những cải tiến kỹ thuật nổi bật trong hệ thống mạng viễn thông không dây trong những năm gần đây là kỹ thuật sử dụng massive MIMO (Multiple-input multiple-output) tại trạm phát sóng của mỗi cell (tế bào). Kỹ thuật này mở ra một hướng đi mới nhằm nâng cao tốc độ truyền nhận dữ liệu cũng như cải thiện được chất lượng đường truyền từ trạm phát tín hiệu (base station -- BS) đến người dùng di động (mobile users -- MUs). Nội dung bài viết này sẽ mang đến cho người đọc một cái nhìn tổng quan về kỹ thuật massive MIMO trong mạng viễn thông không dây, tại sao kỹ thuật này là tương lai cho hệ thống viễn thông không dây 5G (fifth Generation) và cách thức hoạt động của kỹ thuật này như thế nào trong mạng viễn thông không dây?
Giới Thiệu
Hình 1 thể hiện sự vượt trội về khả năng tăng spectral efficiency hàng trăm lần khi tăng số lượng anten lên khoảng 100 anten so với một anten tại trạm phát tín hiệu (BS) trong kỹ thuật massive MIMO. Như vậy, mục tiêu cho mạng viễn thông thế hệ tiếp theo là cung cấp dung lượng dữ liệu tăng hàng trăm lần trong khi đó vẫn giữ được mức tiêu thụ năng lượng như kỹ thuật viễn thông truyền thống ngày nay [3, 4]. Để thiết kế một hệ thống mạng viễn thông có hiệu suất năng lượng tối ưu, điều quan trọng là việc tính toán và xem xét nhu cầu năng lượng tạm thời trong hoạt động hàng ngày là cực kỳ quan trọng. Mức tiêu thụ năng lượng cao nhất hàng ngày được ghi nhận gần đây cao gấp từ 2 – 10 lần so với mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu hàng ngày [5]. Hơn thế nữa, hiệu suất sử dụng của hệ thống mạng viễn thông không dây cũng đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong quá trình hoạt động và cung cấp dữ liệu cho người dùng trong các cells với nhau.
Hình 1. So sánh độ lợi về spectral efficiency khi tăng số lượng anten tại BS [1].
Kỹ thuật massive MIMO là kỹ thuật sử dụng rất nhiều anten (lên đến hàng trăm hoặc hàng ngàn anten) tại BS nhằm tăng dung lượng kênh truyền và đảm bảo được tính ổn định của hệ thống cũng như tăng tốc độ truyền dữ liệu giữa BS và MUs [3]. Như chúng ta đã biết, kỹ thuật MIMO là một bước đột phá lớn và được áp dụng trong mạng viễn thông hàng thập kỹ qua cho tới mạng viễn thông LTE (Long-Term Evolution) ngày nay [6]. Trong kỹ thuật MIMO truyền thống, số lượng MUs được phục vụ đồng thời là giới hạn và phụ thuộc vào kích thước thiết kế của hệ thống ban đầu. Trong khi đó, massive MIMO đa người dùng là kỹ thuật dựa trên nhiều anten để đồng thời cùng lúc truyền đa đường dữ liệu trong mạng viễn thông không dây. Sau đây là một số lợi ích của ký thuật massive MIMO đa người dùng được liệt kê như sau:
- Tăng tốc độ đường truyền dữ liệu từ BS tới MUs trong cùng hệ thống mạng viễn thông. Điều này là do khi tăng số lượng anten, nhiều đường dữ liệu độc lập có thể được truyền và có thể phục vụ cùng lúc nhiều MUs.
- Tăng độ tin cậy của hệ thống: Khi sử dụng rất nhiều anten tại BS sẽ tạo ra rất nhiều đường truyền dữ liệu riêng biệt để dữ liệu có thể được truyền lên trên các đường riêng biệt đó.
- Cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng: Khi sử dụng nhiều anten BS, BS có thể tập trung được phổ năng lượng cho những MUs mong muốn được nhận dữ liệu từ BS.
- Giảm thiểu nhiễu trong hệ thống: Khi tăng số lượng anten tại BS lên đến hàng trăm thậm chí hàng ngàn lần, thì ảnh hưởng của nhiễu liên kênh truyền giữa các MUs và giữa các tế bào gần như là không có [7] bằng cách kết hợp với bộ xử lý tuyến tính (Maximum ratio/zero-forcing linear processing).
Tất cả những cải tiến kỹ thuật ở trên không thể đạt được đồng thời cùng lúc, vì phải phụ thuộc vào môi trường và không gian truyền tín hiệu. Tuy nhiên, những lợi ích được nêu ở trên trong kỹ thuật massive MIMO là những ưu điểm vượt trội sẽ được áp dụng trong mạng viễn thông thế hệ tiếp theo trong tương lai cho mạng 5G.
.bmp)
Hình 2. Mô hình truyền tín hiệu từ người dung lên trạm phát trong hệ thống massive MIMO
Trong phần này, chúng ta xem xét hệ thống truyền tín hiệu từ MUs lên BS trong kỹ thuật massive MIMO như Hình 2. Hệ thống gồm một trạm phát sóng (BS) được trang bị M dãy anten sẽ nhận tín hiệu từ K người dùng di động. Giả sử rằng tất cả các MUs chỉ có một anten và hoạt động trong chế độ bán song công (half-duplex) và thông tin tình trạng kênh truyền lý tưởng (perfect channel state information). Đầu tiên, K người dùng di động sẽ truyền tín hiệu đồng thời cùng lúc lên trạm phát sóng BS. Vì vậy, vector Mx1 tín hiệu nhận được tại trạm phát BS như sau:
- Môi trường truyền lý tưởng:
Trong bài viết này và hầu hết các bài viết trong hệ thống massive MIMO, ta giả sử rằng hệ thống hoạt động trong môi trường truyền tín hiệu lý tưởng. Điều này có nghĩa là khi số lượng anten tại trạm phát tăng lên rất nhiều ta đạt được tính chất sau khi kết hợp với định luật véc tơ ngẫu nhiên lớn (the law of long random numbers)[8].
như vậy khi điều kiện công thức trên được thỏa mãn, ta có thể đạt được môi trường truyền tín hiệu lý tưởng trong hệ thống massive MIMO. Tính chất này sẽ được áp dụng thường xuyên trong kỹ thuật massive MIMO.
3. Phân Tích Spectral Efficiency
Trong kỹ thuật massive MIMO, bằng cách sử dụng rất nhiều anten tại trạm phát sóng BS. Ta có thể giảm công suất phát của MUs tương ứng với số lượng anten M tại BS, trong khi đó vẫn duy trì được chất lượng phục vụ mong muốn của hệ thống. Trong phần này, ta sẽ phân tích hiệu suất năng lượng có thể được giảm cho MUs và đưa ra được spectral efficiency cho đường truyền dữ liệu từ MUs đến trạm phát tín hiệu BS. Từ (1), sau khi trạm phát tín hiệu BS nhận được tín truyền từ $K$ người dùng di động, BS áp dụng bộ dò tuyến tính maximum ratio (MR). Bằng cách sử dụng MR, tín hiệu nhận được tại BS sẽ nhân với Hermitian ma trận kênh truyền G^H, do đó tín hiệu sẽ được tách ra làm K dòng độc lập như sau:
Tín hiệu nhận được tại trạm phát cho người dùng di động thứ-k-th có thể được viết lại sau đây:
với g_k là cột thứ k-th của ma trận kênh truyền G. Ta nhận được ergodic spectral efficiency cho người dùng di động thứ k-th như sau:
4. Kết Quả Mô Phỏng
Trong phần này, ta sẽ tiến hành phân tích kết quả mô phỏng dựa theo công thức (6). Đầu tiên ta xem xét, tổng spectral efficiency được định nghĩa như sau:
Ta giả sử large-scale fading β_k=1 cho mọi k với các kết quả mô phỏng được trình bày trong phần này.
Từ kết quả mô phỏng trong Hình 3 chỉ ra rằng khi tăng số lượng anten tại trạm phát tín hiệu BS, hiệu suất của hệ thống tăng lên đáng kể khi sử dụng kỹ thuật massive MIMO. Ngoài ra, khi tăng số lượng người dùng di động MUs, thì tổng hiệu suất của hệ thống cũng tăng theo tỉ lệ tương ứng. Điều này là do khi tăng số lượng anten thì nhiễu kênh truyền sẽ được giảm đi theo tỉ lệ nghịch với số lượng anten M tại BS.
Hình 3. So sánh tổng spectral efficiency cho K=5 và K=10. Với P_u=20 dB.5. Kết Luận
Trong bài viết này, ta đã nghiên cứu khái quát và tổng quan về sự hoạt động của hệ thống mạng viễn thông không dây khi được áp dụng kỹ thuật massive MIMO. Bên cạnh đó, từ kết quả mô phỏng chứng minh rằng khi tăng số lượng anten thì hiệu suất hệ thống cũng tăng theo tỉ lệ thuận tương ứng, đồng thời nhiễu kênh truyền sẽ giảm theo tỉ lệ nghịch tương ứng so với số lượng anten tại trạm phát di động BS.
Tài liệu
[1] E. G. Larsson, O. Edfors, F. Tufvesson, and T. L. Marzetta, “Massive MIMO for next
generation wireless systems,” IEEE Commun. Mag., vol. 52, no. 2, pp. 186-195, Feb. 2014.
[2] E. Bjornson, J. Hoydis, and L. SanguinettiH, Massive MIMO Networks: Spectral, Energy, and Hardware Efficiency. Foundations and Trends in Signal Process., 2017.
[3] H. Q. Ngo, E. G. Larsson, and T. L. Marzetta, “Energy and spectral efficiency of very large multiuser MIMO systems,” IEEE Trans. Commun., vol. 61, no. 4, pp. 1436-1449, Apr. 2013.
[4] F. Rusek, D. Persson, B. K. Lau, E. G. Larsson, T. L. Marzetta, O. Edfors, and F. Tufvesson, “Scaling up MIMO: Opportunities and challenges with very large arrays,” IEEE Signal Process. Mag., vol. 30, no. 1, pp. 40-60, Jan. 2013.
[5] A. G. et al., “D2.3: Energy efficiency analysis of the reference systems, areas of improvements and target breakdown,” in Energy Aware Radio and Network Technologies (EARTH) INFSO-ICT-247733, ver. 2.0, 2012. [Online]. Available: http://www.ict-earth.eu/
[6] E. Dahlman, S. Parkvall, J. Skold, and P. Beming, “3G evolution HSPA and LTE for mobile broadband,” in New York: Academic, 2008.
[7] T. L. Marzetta, “Noncooperative cellular wireless with unlimited numbers of BS antennas,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 9, no. 11, pp. 3590-3600, Nov. 2010.
[8] H. Cramér, Random Variables and Probability Distributions. Cambridge University Press, 1970.