CHƯƠNG I - TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MASIVE MIMO 1. Quá trình phát triển từ hệ thống MIMO điểm - điểm lên hệ thống Massive MIMO 1. Hệ thống MIMO điểm – điểm Trong thông tin vô tuyến, đa đầu vào và đa đầu ra MIMO (Multiple-Input Multiple-Output), hoặc MIMO điểm - điểm, là một kỹ thuật truyền thông không dây, trong đó nhiều ăng-ten được sử dụng để truyền và nhận dữ liệu đồng thời. Theo cách tiếp cận này, MIMO đề cập đến một lớp các kỹ thuật truyền và nhận đồng thời nhiều dữ liệu trên cùng một kênh vô tuyến bằng cách khai thác điện trường truyền lan đa đường.
Các ăng-ten phát Các ăng-ten thu Tx 1 Kênh MIMO Rx 1 Tx 2 Rx 2. Tx M Rx K Hình 1.1: Mô hình kênh MIMO cơ bản Trên một thiết bị sử dụng kỹ thuật MIMO có các chỉ số thông số thể hiện như: 2x2 hay 3x2. có thể hiểu rằng, thành phần đầu tiên thể hiện số ăng-ten phát và thành phần phía sau thể hiện số ăng-ten thu. MIMO cho phép truyền nhiều tín hiệu tại cùng một thời điểm, do đó tăng băng thông truyền dẫn và giảm độ trễ của mạng.
Kỹ thuật này sử dụng nhiều ăng-ten để truyền dữ liệu đồng thời, các tín hiệu này là độc lập nhau. Công nghệ MIMO đã được chuẩn hóa cho mạng LAN không dây, mạng điện thoại di động 3G, 4G và hiện đang được sử dụng thương mại rộng rãi. Trong mỗi lần sử dụng kênh, một véc tơ được phát và một véc tơ tín hiệu nhận được tại máy thu. Với sự có mặt của nhiễu Gauss trắng cộng ở máy thu, lý thuyết Shannon đưa ra các biểu thức cho hiệu suất phổ tín hiệu (tính bằng b/s/Hz) [6]: 5 (1.2: Mô hình kênh truyền dữ liệu hệ thống MIMO điểm – điểm Trong biểu thức (1.2), H là ma trận kênh kích thước M × K biểu thị đáp ứng tần số của kênh giữa mảng trạm gốc và các thiết bị đầu cuối; và là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR: Signal to Noise Ratio) đường lên và đường xuống, tỷ lệ với tổng công suất bức xạ tương ứng; M là số lượng ăng-ten của trạm gốc; và K là số lượng ăng-ten đầu cuối.
Hệ thống MIMO đa người dùng Các hệ thống MIMO được chia thành 2 loại: MIMO đơn người dùng (SU- MIMO: Single user MIMO) và MIMO đa người dùng (MU-MIMO: Multiuser Multiple-Input Multiple-Output). Trong SU-MIMO, bộ phát và bộ thu được trang bị nhiều hơn một ăng-ten. Hiệu suất được nâng cao về phạm vi bao phủ, độ tin cậy của liên kết và tốc độ truyền dữ liệu. Điều này được thực hiện thông qua các giải pháp như định dạng chùm tia, mã hóa không gian-thời gian và ghép kênh không gian của nhiều luồng dữ liệu.
SU-MIMO tăng tốc độ Wi-Fi bằng cách cho phép hai thiết bị không dây đồng thời gửi hoặc nhận nhiều luồng dữ liệu. Năm 2007 ra mắt lần đầu là chuẩn Wi-Fi 802.11n, với các bộ phát Wi-Fi không dây chủ yếu sử dụng công nghệ SU-MIMO. Hiện nay SU-MIMO cho phép các bộ phát Wi-Fi đồng thời gửi và nhận dữ liệu đến từ một thiết bị, trước đây thì các bộ phát Wi-Fi chỉ có thể gửi hoặc nhận vào một thời điểm.3: Công nghệ SU-MIMO và MU-MIMO Ưu điểm chính của hệ thống SU-MIMO đã gia tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu. Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống này là chỉ có thể gửi và nhận dữ liệu với một thiết bị vào một thời điểm.
Để khắc phục những nhược điểm của hệ thống SU-MIMO, một hệ thống mới ra đời, đó là hệ thống MIMO đa người dùng (MU-MIMO). Hệ thống MU-MIMO cho phép các bộ phát Wi-Fi giao tiếp với nhiều thiết bị trong cùng một thời điểm. 7 Điều này giúp giảm thời gian mỗi thiết bị phải chờ tín hiệu và tăng tốc độ truyền, nhận dữ liệu. Để đơn giản, chúng ta giả định rằng mỗi thiết bị đầu cuối trong MU- MIMO chỉ được trang bị một ăng-ten duy nhất.
Mỗi trạm gốc phục vụ K thiết bị đầu cuối. Gọi H là ma trận kênh truyền kích thước M × K tương ứng với đáp ứng tần số giữa các ăng-ten trạm gốc và K đầu cuối. Mô hình kênh MU-MIMO được thể hiện như trong hình 1.4: Mô hình kênh MIMO đa người dùng Hiệu suất phổ tổng của đường lên và đường xuống được cho bởi [6]: (1.4) trong đó , là SNR đường lên trên mỗi thiết bị đầu cuối và là 8 SNR đường xuống. (Với cho trước, tổng công suất đường lên lớn hơn K lần so với mô hình MIMO điểm - điểm.) Việc có được thông tin trạng thái kênh truyền (CSI: Channel State Information) là rất quan trọng đối với cả (1.
Trên đường lên, trạm gốc phải biết trạng thái các kênh và mỗi thiết bị đầu cuối phải được thông báo tốc độ truyền cho phép của nó một cách riêng biệt. Trên đường xuống, cả trạm gốc và thiết bị đầu cuối đều phải có CSI. Lưu ý rằng các ăng-ten đầu cuối trong trường hợp điểm - điểm có thể hợp tác (kênh truyền đường lên có thể sử dụng cho kênh truyền đường xuống), trong khi các đầu cuối trong trường hợp nhiều người dùng thì không thể. Tuy nhiên, điều chú ý là việc các thiết bị đầu cuối không có khả năng hợp tác trong hệ thống nhiều người dùng không ảnh hưởng đến hiệu suất phổ tổng đường lên.
Hệ thống MIMO đa người dùng có hai ưu điểm cơ bản so với MIMO điểm - điểm. Đầu tiên, MU-MIMO ít nhạy cảm hơn với các giả định về môi trường lan truyền. Ví dụ, các điều kiện về tia trực tiếp (LoS: Line-of-Sight) đang là thách thức cho hệ thống MIMO điểm - điểm, tuy nhiên điều này không bị ảnh hưởng trong hệ thống MU-MIMO [6]. Thứ hai, hệ thống MU-MIMO chỉ yêu cầu các đầu cuối trang bị một ăng-ten.
Bên cạnh những ưu điểm mà hệ thống MU-MIMO mang lại, hệ thống này cũng phải đối diện với các hạn chế nhất định. Đầu tiên, để đạt được hiệu suất phổ trong (1.4) yêu cầu quá trình xử lý tín hiệu phức tạp tại cả trạm gốc và thiết bị đầu cuối. Thứ hai, và nghiêm trọng hơn, trên đường xuống, cả trạm gốc và thiết bị đầu cuối đều phải biết thông tin về trạng thái kênh truyền. Do đó, trong hệ thống MU-MIMO phải tốn một lượng tài nguyên đáng kể để truyền “pilot” theo cả hai hướng cho quá trình ước lượng kênh.
Vì những lý do này, hệ thống MU- MIMO không thể mở rộng đối với M hoặc K. Trên cơ sở những ưu, nhược điểm về lý thuyết hệ thống MU-MIMO, với một thiết bị phát Wifi ứng dụng kỹ thuật này sẽ có những ưu điểm chính như: - Thời gian mỗi thiết bị phải chờ nhận dữ liệu giảm xuống mức thấp nhất. - Gia tăng số lượng thiết bị đầu cuối được xử lý đồng thời, giảm được hiện tượng rớt mạng. 9 - Tăng tốc độ Download (tải xuống) với các thiết bị hỗ trợ MU-MIMO.
- Giúp trải nghiệm người dùng tốt hơn, ngay cả khi thiết bị không được hỗ trợ MU-MIMO. Mặc dù có những lợi ích rất lớn, tuy nhiên bộ phát Wifi sử dụng MU-MIMO vẫn tồn tại một số nhược điểm: - MU-MIMO chỉ hoạt động trên các bộ phát Wifi có chuẩn không dây 802.11ac và tần số 5 GHz. Điều này đồng nghĩa với các thiết bị cũ không hỗ trợ giải mã tín hiệu với giao thức này sẽ không thể hoạt động. - MU-MIMO chỉ làm tăng tốc độ tải xuống, hạn chế khả năng tải lên.
- Để tăng tốc tải xuống thì các bộ phát Wifi và thiết bị kết nối phải tích hợp MU-MIMO và hoạt động với giao thức mạng không dây 802. Công nghệ MU-MIMO cùng với tiêu chuẩn Wifi 802.11ac đã được triển khai trong thực tế từ năm 2015. Hệ thống Massive MIMO Trong xu thế về phát triển công nghệ cũng như nhu cầu người dùng ngày càng cao. Chúng ta mong muốn rằng, tại một thời điểm sẽ có càng nhiều thiết bị đầu cuối được phục vụ và chất lượng dịch vụ mạng ngày càng tăng lên.
Để giải quyết vấn đề này hệ thống Massive MIMO đã được nghiên cứu và được áp dụng cho hệ thống 5G trên thế giới. Massive MIMO là một dạng hệ thống MU-MIMO trong đó số lượng ăng-ten trang bị tại BS và số lượng người dùng là rất lớn. Trong Massive MIMO, hàng trăm hoặc hàng nghìn ăng-ten BS phục vụ đồng thời hàng chục hoặc hàng trăm người dùng trong cùng một tài nguyên tần số. Một số đặc điểm chính của Massive MIMO là: - Hoạt động với TDD: với FDD, chi phí ước lượng kênh phụ thuộc vào số lượng M ăng-ten tại BS [3].
Ngược lại, với TDD, chi phí ước tính kênh không phụ thuộc vào số lượng ăng-ten tại phía BS. Trong Massive MIMO, khi số lượng ăng- ten tại phía BS lớn, do đó, hoạt động TDD là thích hợp hơn. Ví dụ: giả sử rằng khoảng kết hợp là T = 200 ký hiệu (tương ứng với băng thông kết hợp là 200 kHz và thời gian kết hợp là 1 ms). Khi đó, trong các hệ thống FDD, số lượng ăng-ten tại 10 BS và số lượng người dùng bị ràng buộc bởi điều kiện M + K < 200, trong khi ở các hệ thống TDD, ràng buộc đối với M và K là 2K < 200.5 cho thấy các vùng khả thi (M, K) trong hệ thống FDD và TDD.
Chúng ta có thể thấy rằng vùng FDD nhỏ hơn nhiều so với vùng TDD. Với TDD, việc thêm nhiều ăng-ten hơn không ảnh hưởng đến tài nguyên cần thiết cho việc ước lượng kênh.5: Các vùng có thể (M, K) trong các hệ thống TDD và FDD, cho một khoảng kết hợp của 200 ký hiệu. - Xử lý tuyến tính: do số lượng ăng-ten BS và số lượng người dùng lớn nên việc xử lý tín hiệu tại các đầu cuối phải xử lý các ma trận/véc tơ kích thước lớn. Vì vậy, các phương pháp xử lý tín hiệu đơn giản là thích hợp hơn đối với hệ thống Massive MIMO.
Trong Massive MIMO, quá trình xử lý tuyến tính (sơ đồ kết hợp tuyến tính trong đường lên và sơ đồ tiền mã hóa tuyến tính trong đường xuống) gần đạt tối ưu. - Lan truyền thuận lợi: truyền lan thuận lợi có nghĩa là ma trận kênh giữa mảng ăng ten BS và người dùng được điều hòa tốt. Trong Massive MIMO, ở một số điều kiện, thuộc tính lan truyền thuận lợi được duy trì trong quá trình thu cũng như phát dữ liệu. - Một dải ăng-ten BS lớn không nhất thiết phải lớn về mặt vật lý.
Ví dụ, xem xét một mảng hình trụ có 128 ăng-ten, bao gồm 4 vòng tròn gồm 16 phần tử ăng-ten phân cực kép. Ở tần số 2,6 GHz, khoảng cách giữa các ăng-ten liền kề là khoảng 6 cm, bằng một nửa bước sóng. Do đó, mảng này chỉ chiếm một kích thước vật lý là 28×29 cm [23].