Chương 1, Chương 2. Tháng 11 năm 2022: Thu thập tài liệu, viết Chương 3. Tháng 12 năm 2022: Xây dựng và bảo vệ chuyên đề. Tháng 01 năm 2023: Hoàn thiện chuyên đề theo góp ý của các ủy viên hội đồng.
Tháng 02, 03, 04, 05 năm 2023: Viết Chương 4. Tháng 06, 07, 08, 09 năm 2023: Viết Chương 5. Tháng 10, 11, 12 năm 2023: Hoàn thiện đề tài, viết tóm tắt, soạn trình chiếu. Tháng 1 năm 2024: Bảo vệ đề tài.
Trang 7 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Hệ thống mạng di động MIMO đa người dùng Massive MIMO là một hệ thống di động MU-MIMO trong đó số lượng ăng-ten BS và số lượng người dùng lớn. Trong phần này sẽ cung cấp nền tảng cơ bản của các hệ thống MU-MIMO về sơ đồ truyền thông và phát hiện tín hiệu, cho cả đường lên và đường xuống. Để đơn giản, học viên giới hạn thảo luận về các hệ thống đơn.
Mô hình hệ thống và giả định Xét một hệ thống MU-MIMO bao gồm một BS và K người dùng đang hoạt động. Các BS được trang bị M ăng-ten, trong khi mỗi người dùng có một ăng-ten đơn. Nói chung, mỗi người dùng có thể được trang bị nhiều ăng-ten. Tuy nhiên, để đơn giản cho phân tích, đề tài được giới hạn trong các hệ thống có người dùng ăng- ten đơn.1 Hệ thống MIMO nhiều người dùng.
Ở đây, K người dùng ăng-ten đơn được phục vụ bởi M-ăng-ten BS trong cùng tài nguyên thời gian-tần số. Giả định rằng tất cả K người dùng chia sẻ cùng một tài nguyên tần số thời gian. Hơn nữa, học viên giả định rằng BS và người dùng có CSI hoàn hảo. Các kênh được thu lại tại BS và người dùng trong giai đoạn đào tạo.
Các chương trình đào tạo cụ thể Trang 8 phụ thuộc vào các giao thức hệ thống (song công phân chia theo tần số (FDD) hoặc phân chia theo thời gian song công (TDD)) Đặt H ∈ ℂM×K là ma trận kênh giữa K người dùng và mảng ăng ten BS, trong đó cột thứ k của H, ký hiệu là hk, đại diện cho kênh M × 1 vectơ giữa người dùng thứ k và BS. Nói chung, kênh lan truyền là được mô hình hóa thông qua pha đinh quy mô lớn và pha đinh quy mô nhỏ. Nhưng trong phần này, nghiên cứu bỏ qua mờ dần quy mô lớn và tiếp tục giả định rằng các phần tử của H là i. phân phối Gaussian với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai đơn vị.
Truyền tải đường lên Truyền tải đường lên (hoặc liên kết ngược) là tình huống trong đó người dùng K truyền tín hiệu đến BS. Đặt sk, trong đó E{|sk|2} = 1, là tín hiệu được truyền từ người dùng thứ k. Vì K người dùng chia sẻ cùng một tài nguyên tần số thời gian, M × 1 nhận được vectơ tín hiệu tại BS là tổ hợp của tất cả các tín hiệu được truyền từ tất cả K người dùng: 𝒚𝑢𝑙 = √𝑝𝑢 ∑𝐾𝑘=1 𝒉𝑘 𝑠𝑘 + 𝒏 (2.1) Khi viết dưới dạng ma trận sẽ được 𝒚𝑢𝑙 = √𝑝𝑢 𝑯𝒔 + 𝒏 (2.2) trong đó pu là tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trung bình (SNR), n ∈ ℂM×1 là nhiễu cộng vectơ và 𝒔 ≜ [𝑠1 … 𝑠𝐾 ]𝑇. Ta giả sử rằng các phần tử của n là i.
Gaussian các biến ngẫu nhiên (RVs) có giá trị trung bình và phương sai đơn vị bằng 0 và không phụ thuộc vào H. Từ vector tín hiệu nhận được cùng với kiến thức về CSI, BS sẽ phát hiện mạch lạc các tín hiệu được truyền từ K người dùng, mô hình kênh (2.2) là kênh đa truy cập có tổng dung lượng [12]. 𝐶ul,sum = log 2 det (𝑰𝐾 + 𝑝u 𝑯𝐻 𝑯) (2.3) Trang 9 Dung lượng tổng nói trên có thể đạt được bằng cách sử dụng kỹ thuật khử nhiễu liên tiếp (SIC) [13]. Với SIC, sau khi phát hiện một người dùng, tín hiệu được trừ khỏi tín hiệu nhận được trước khi người dùng tiếp theo được phát hiện.
Truyền tải đường xuống Đường xuống (hoặc đường xuống) là trường hợp BS truyền tín hiệu đến tất cả K người dùng. Đặt x ∈ CM×1, trong đó E {∥x∥2} = 1, là vectơ tín hiệu được truyền từ mảng anten BS. Sau đó, tín hiệu nhận được ở người dùng thứ k được đưa ra bởi 𝑦dl,𝑘 = √𝑝d 𝒉𝑇𝑘 𝒙 + 𝑧𝑘 (2.4) trong đó pd là SNR trung bình và zk là nhiễu cộng tại người dùng thứ k. Giả sử zk đó là phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai đơn vị.
Nói chung, các vectơ tín hiệu nhận được của người dùng K có thể được viết là 𝒚dl = √𝑝d 𝑯𝑇 𝒙 + 𝒛 (2. Mô hình kênh (2.5) là kênh quảng bá có tổng dung lượng đã biết là 𝐶sum = max log 2 det(𝑰𝑀 + 𝑝d 𝑯∗ 𝑫𝑞 𝑯𝑇 (2.6) {𝑞𝑘 } 𝑞𝑘 >0,∑𝐾 𝑘=1 𝑞𝑘 ≤1 Trong đó 𝑫𝑞 là là ma trận đường chéo có phần tử đường chéo thứ k là qk. dung lượng tổng (2.6) có thể đạt được bằng cách sử dụng kỹ thuật mã hóa DPC. Xử lý tuyến tính Để có được hiệu suất tối ưu, các kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp phải được thực hiện.
Ví dụ: trong đường lên, khả năng tối đa (ML) nhiều người dùng phát hiện có thể được sử dụng. Với tính năng phát hiện nhiều người dùng ML, BS phải tìm kiếm tất cả các vectơ tín hiệu truyền đi có thể s và chọn một vectơ tốt nhất như sau: 2 𝒔̂ = arg min𝑲‖𝒚𝑢𝑙 − √𝑝𝑢 𝑯𝒔‖ (2.7) 𝒔∈𝑺 Trang 10 trong đó S là bảng chữ cái hữu hạn của sk, k = 1, 2, .7) là bài toán bình phương nhỏ nhất (LS) với ràng buộc bảng chữ cái hữu hạn. Các BS phải tìm kiếm trên |S|K vectơ, trong đó |S| biểu thị lực lượng của tập hợp S. Do đó, ML có một độ phức tạp theo cấp số nhân về số lượng người dùng.
BS có thể sử dụng sơ đồ xử lý tuyến tính (máy thu tuyến tính ở đường lên và bộ tiền mã hóa tuyến tính ở đường xuống) để giảm độ phức tạp xử lý tín hiệu. Phương án này chưa thật sự tối ưu [14,15]. Tuy nhiên, khi số lượng anten BS lớn thì thể hiện rằng quá trình xử lý tuyến tính gần như tối ưu. Vì vậy, trong đề tài này sẽ xem xét xử lý tuyến tính.
Các chi tiết của kỹ thuật xử lý tuyến tính sẽ được trình bày trong các phần sau: Hình 2.2: Sơ đồ khối phát hiện tuyến tính tại BS.1 Máy thu tuyến tính (trong đường lên) Với sơ đồ tách sóng tuyến tính tại BS, tín hiệu nhận được yul được tách thành K luồng bằng cách nhân nó với ma trận phát hiện tuyến tính M × K, A ̃ul = 𝑨𝐻 𝒚𝑢𝑙 = √𝑝𝑢 𝑨𝐻 𝑯𝒔 + 𝑨𝐻 𝒏 𝒚 (2.8) Trang 11 Mỗi luồng sau đó được giải mã độc lập. Sự phức tạp là trên thứ ̃ul , được sử dụng để giải mã sk, được tự của K|S|.8), luồng (phần tử) thứ k của 𝒚 đưa ra bởi 𝐻 𝐾 𝐻 𝐻 ̃ul,𝑘 = 𝒚 ⏟𝑝u 𝒂𝑘 𝒉𝑘 𝑠𝑘 √ ⏟𝑝𝑢 ∑𝑘′≠𝑘 𝒂𝑘 𝒉𝑘′ 𝑠𝑘′ + 𝒂 + √ ⏟𝑘𝒏 (2.9) 𝒕í𝒏 𝒉𝒊ệ𝒖 𝒎𝒐𝒏𝒈 𝒎𝒖ố𝒏 𝒄𝒂𝒏 𝒕𝒉𝒊ệ𝒑 𝒈𝒊ữ𝒂 𝒏𝒈ườ𝒊 𝒅ù𝒏𝒈 𝒏𝒉𝒊ễ𝒖 trong đó ak biểu thị cột thứ k của A. Nhiễu cộng với nhiễu được coi là tiếng ồn hiệu quả, và do đó, tỷ lệ tín hiệu nhận được trên nhiễu cộng nhiễu (SINR) của luồng thứ k được đưa ra bởi 2 𝑝𝑢 |𝒂𝐻 𝒉𝑘 | 𝑆𝐼𝑁𝑅𝑘 = 2 (2.10) 𝑝𝑢 ∑𝐾 𝐻 𝑘′≠𝑘|𝒂𝑘 𝒉𝑘′ | +‖𝒂𝑘 ‖ 2 Bây giờ hãy xem xét một số máy thu đa người dùng tuyến tính thông thường. Máy thu kết hợp tỷ lệ tối đa: Với MRC, BS nhằm mục đích tối đa hóa tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) nhận được của mỗi luồng, bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu nhiều người dùng.9), cột thứ k của ma trận máy thu MRC A là: năng lượng nhiễu năng lượng tín hiệu mong muốn 𝒂𝑚𝑟𝑐.𝑘 = argmax năng lượng nhiễu 𝐚𝑘 ∈ CM×1 2 𝑝𝑢 |𝒂𝐻 𝑘 𝒉𝑘 | =argmax ‖𝒂𝑘 ‖2 (2.11) 𝐚𝑘 ∈ CM×1 Từ 𝑝𝑢 |𝒂𝐻 𝑘 𝒉𝑘 | 2 𝑝𝑢 ‖𝒂𝑘 ‖2 ‖𝒉𝑘 ‖2 ≤ = 𝑝𝑢 ‖𝒉𝑘 ‖2 ‖𝒂𝑘 ‖2 ‖𝒂𝑘 ‖2 và đẳng thức giữ khi ak = const.
hk, máy thu MRC là: amrc,k = const. Cắm amrc,k vào (2.10), SINR nhận được của luồng thứ k cho MRC được đưa ra bởi 𝑝𝑢 ‖𝒉𝑘 ‖4 𝑆𝐼𝑁𝑅𝑚𝑐𝑟,𝑘 = 2 (2.13) ∑𝐾 𝐻 𝑘′≠𝑘|𝒉𝑘 𝒉𝑘′ | +‖𝒉𝑘 ‖ 2 Trang 12 Ưu điểm: việc xử lý tín hiệu rất đơn giản vì BS chỉ cần nhân vectơ nhận được với chuyển vị liên hợp của kênh ma trận H, sau đó phát hiện từng luồng riêng biệt Quan trọng hơn, MRC có thể được thực hiện một cách phân tán. Hơn nữa, tại pu thấp, SINRmrc,k ≈ pu∥hk∥2. Điều này ngụ ý rằng ở SNR thấp, MRC có thể đạt được mức tăng mảng giống như trong trường hợp hệ thống một người dùng.
Nhược điểm: như đã thảo luận ở trên, do MRC bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu nhiều người dùng nên nó hoạt động kém trong các tình huống hạn chế nhiễu. Điều này có thể thấy trong (2.13), trong đó SINR bị chặn trên bởi một hằng số (đối với pu) khi pu lớn. Bộ thu không cưỡng bức: Ngược lại với MRC, các máy thu không cưỡng bức (ZF) tính đến nhiễu giữa người dùng, nhưng bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu. Với ZF, nhiễu đa người dùng hoàn toàn bị loại bỏ bằng cách chiếu từng luồng lên phần bổ sung trực giao của nhiễu giữa người dùng.
Chính xác hơn, thứ k cột của ma trận máy thu ZF thỏa mãn: 𝒂𝐻 𝑧𝑓,𝑘 , 𝒉𝑘 ≠ 0 { 𝐻 (2.14) 𝒂𝑧𝑓,𝑘 , 𝒉𝑘′ = 0, ∀𝑘′ ≠ 𝑘 Ma trận máy thu ZF, thỏa mãn (2.14) cho mọi k, là ma trận giả nghịch đảo của ma trận kênh H. Với ZF, ta có ̃ul = (𝑯𝐻 𝑯)−𝟏 𝑯𝐻 𝒚𝑢𝑙 = √𝑝u 𝒔 + (𝑯𝐻 𝑯)−𝟏 𝑯𝐻 𝒏 𝒚 (2.15) Lược đồ này yêu cầu M ≥ K (để ma trận HHH khả nghịch). Chúng ta có thể thấy ̃ul trong (2.15) không có nhiều người dùng can thiệp. rằng mỗi luồng (phần tử) của 𝒚 ̃ul được sử dụng để phát hiện sk: Luồng thứ k của 𝒚 𝑦̃ul,k = √𝑝u 𝑠𝑘 + 𝑛̃k (2.16) Trong đó 𝑛̃k biểu thị phần tử thứ k của (𝑯𝐻 𝑯)−𝟏 𝑯𝐻 𝒏.
Như vậy, SINR nhận được của luồng thứ k được cho bởi 𝑝u 𝑆𝐼𝑁𝑅𝑧𝑓,𝑘 = (2.17) [(𝑯 𝑯)−1 ] 𝐻 𝑘𝑘 Trang 13 Ưu điểm: xử lý tín hiệu đơn giản và ZF hoạt động tốt trong kịch bản hạn chế nhiễu. SINR có thể được thực hiện cao như mong muốn bằng cách tăng công suất phát. Nhược điểm: vì ZF bỏ qua ảnh hưởng của nhiễu nên nó hoạt động kém trong các kịch bản hạn chế nhiễu.