Chương 1 cũng trình bày tổng quan về truy cập ngẫu nhiên trong truyền thông 5G, trong đó nêu bật lợi ích của việc ứng dụng công nghệ Massive MIMO đối với truy cập ngẫu nhiên trong truyền thông 5G. Giao thức truy cập ngẫu nhiên trong truyền thông 5G đáp ứng kiểu truyền thông M2M cho tập máy lớn (mMTC) có đặc điểm: Số máy khởi hoạt (activate) yêu cầu kết nối lúc dồn dập, lúc thưa thớt, bản tin trao đổi ngắn và yêu cầu thời gian trễ kết nối nhỏ (cỡ 40 ms). Vì vậy, để đáp ứng được những đặc điểm này các nhà khoa học đã phát triển hai giao thức truy cập ngẫu nhiên gồm SUCRe và ACBPC. Cả hai giao thức này đều có những ưu, nhược điểm riêng như trình bày trong chương 2.
14 Chương 2 - GIAO THỨC SUCRe và ACBPC Nhằm kế thừa những nghiên cứu đi trước, chương này trình bày tóm tắt lại 2 giao thức SUCRe (2017) và giao thức ACBPC (2020). Đây là 2 giao thức điển hình được đề xuất áp dụng cho truy cập ngẫu nhiên và truyền tin trong tập hợp máy lớn (mMTC) dựa trên nền tảng của truyền thông 5G (với nòng cốt là kỹ thuật Massive MIMO). Nền tảng kỹ thuật mới của 5G đã cho phép đề xuất giao thức truy cập ngẫu nhiên và truyền tin mới khác biệt hẳn với các giao thức dựa trên nền tảng 4G. Sau đó ưu nhược điểm của 2 kỹ thuật nói trên cũng được phân tích trình bày trong chương này để tạo tiền đề nêu ra giao thức mới.1 Giao thức SUCRe [3] 2.1 Tổng quan giao thức SUCRe Giao thức SUCRe (Strongest User Collision Resolution) được gọi là giao thức phân giải người dùng mạnh nhất hoạt động dựa trên tín hiệu mạnh yếu của các UE và nguyên lý hạn chế truy cập.
Giao thức SUCRe ưu tiên các UE có tín hiệu mạnh hơn sẽ được cấp quyền phát lại pilot còn UE nào yếu hơn sẽ bị từ chối quyền truy cập. Thông qua việc so sánh tỷ số độ lợi kênh của mỗi UE chia cho tổng độ lợi kênh của các UE va chạm là cơ sở để quyết định UE nào sẽ giành chiến thắng khi xảy ra va chạm, để từ đó đưa ra quyết định UE nào được cấp quyền truy cập giúp cho giao thức có thể nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và giảm trễ tốt hơn giao thức trong LTE. Giao thức SUCRe gồm có bốn bước chính, như được minh họa trong (hình 2. Ngoài ra nó còn có bước sơ bộ (hay còn gọi là bước 0), tức là BS phát tín hiệu được đồng bộ hóa từ mỗi UE để có thể ước tính độ lợi kênh trung bình của các UE đối với BS.
Trong kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM), BS và UE cần được đồng bộ hóa về tần số, thời gian trễ có thể bỏ qua nếu nó ngắn hơn tiền tố tuần hoàn CP (Cyclic Prefix). Thời gian khứ hồi xác định độ trễ tối đa, do đó CP thông thường trong LTE cho phép bán kính ô (cell) là 750m và CP mở rộng cho phép bán kính ô 15 là 2,5km, cả hai trường hợp trên đều lớn hơn đáng kể so với bán kính ô từ 250m đến 500m rất phù hợp với bối cảnh đô thị. Luận văn này tập trung vào các kịch bản đô thị như trên và ghép kênh không gian trong Massive MIMO là lựa chọn lý tưởng cho các bối cảnh đô thị đông đúc trong thực tế. Cơ chế hoạt động của giao thức SUCRe [5] Ở giai đoạn 1, khi một tập hợp con của các UE ở chế độ không hoạt động trong ô muốn chuyển sang trạng thái hoạt động.
Mỗi UE sẽ chọn ngẫu nhiên một chuỗi pilot từ tập hợp pilot trực giao có sẵn. Trạm cơ sở (BS) sẽ ước tính độ lợi kênh của các UE chọn pilot này. Nếu một pilot cùng lúc được nhiều UE lựa chọn thì va chạm sẽ xảy ra đồng thời BS sẽ ước tính được tổng độ lợi kênh của tất cả các UE va chạm. Ở giai đoạn 2, Trạm cơ sở (BS) gửi các tín hiệu pilot đường xuống được mã trước thành giá trị nghịch đảo tổng độ lợi thu được và đồng thời tạo thành búp hướng đến các UE.
Ở giai đoạn 3, Do lại trải qua kênh đường xuống, mỗi UE sẽ ước tính được tỷ số độ lợi kênh của nó chia cho tổng độ lợi kênh của tất cả UE lựa chọn chung pilot. Tại bước này chính UE đóng vai trò phân giải va chạm. UE so sánh tỷ số nó ước lượng với 1/2. Nếu tỷ số của nó >1/2 đồng nghĩa với tỷ số của các UE khác <1/2.
Qui tắc là nếu tỷ số của nó >1/2 sẽ thực hiện phát lại đề nghị, nếu <1/2 sẽ im lặng và chờ truy cập chu kỳ sau. Va chạm như vậy hoàn toàn được phân giải. Minh hoạ giải quyết va chạm của SUCRe [3] Hình 2.2 là một ví dụ về việc giải quyết va chạm giữa 2 UE là UE3 và UE6. Dựa vào qui tắc phân giải như trên, UE6 có tín hiệu mạnh hơn sẽ giành quyền phát lại pilot.
UE3 có tín hiệu yếu hơn sẽ phải truy cập lại từ đầu. Ở giai đoạn 4, cũng là bước cuối cùng, BS cấp các tài nguyên cho UE phát lại (UE chiến thắng trong va chạm). Dưới đây là sự khảo sát chi tiết hoạt động của giao thức SUCRe 2.2 Chi tiết giao thức SUCRe Hình 2. Minh họa cho giao thức SUCRe, trong đó miền tần số - thời gian được chia thành các khối liên kết [3] 17 Xét mạng di dộng mà mỗi BS gồm có M anten.
Hệ thống hoạt động ở chế độ TDD (Time-Division Duplex) và tài nguyên tần số được chia thành các khối kết hợp sử dụng T kênh, được định kích thước sao cho các đáp ứng kênh giữa mỗi BS và các UE là hằng số và tần số phẳng trong một khối trong khi chúng khác nhau giữa các khối. Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. Đặt Ui là biểu thị tập hợp các UE nằm trong ô thứ i. Tại thời điểm bất kỳ, chỉ một tập hợp con Ai ⊂ Ui thực hiện truyền hoặc nhận dữ liệu.
Trong Massive MIMO, chúng ta thường có một tập hợp UE rất lớn: |Ui| ≫ T. Tuy nhiên, các UE hoạt động phải thỏa mãn điều kiện |Ai| ≪ T, do đó BS có thể tạm thời gán các chuỗi pilot trực giao cho các UE này và thu hồi chúng khi quá trình truyền của UE kết thúc. Các khối kết hợp được chia thành hai loại: khối tải trọng dữ liệu (payload) và khối truy cập ngẫu nhiên và trong bối cảnh Massive MIMO khối truy cập ngẫu nhiên sẽ là vấn đề chính được đề cập trong phần tiếp theo. Bước 1: Truy cập ngẫu nhiên pilot Để không làm mất đi tính tổng quát, ta tập trung vào một ô bất kỳ và xem xét sự can thiệp từ các ô khác tác động đến ô đang xét như thế nào.
Cho K0 biểu thị là một tập hợp các UE không hoạt động. Các UE này được giả định chia sẻ chuỗi pilot ,…, ∈ℂ truy cập ngẫu nhiên trực giao lẫn nhau mà độ rộng kênh UL sử dụng và thỏa mãn = và thỏa mãn điều kiện ≪. Các UE bất hoạt không được đồng bộ hóa hoàn toàn về thời gian, nhưng tính trực giao pilot được duy trì ở bộ thu (receiver) vì trong bối cảnh đô thị các tình huống trong đó độ trễ của cả hai chiều nhỏ hơn tiền tố tuần hoàn (cyclic prefix). Mỗi UE thuộc chọn ngẫu nhiên một trong số các pilot đồng nhất ngẫu nhiên trong mỗi khối truy cập ngẫu nhiên (Random Access, RA): UE thứ k chọn pilot c(k) ∈ {1, 2 ,.
Hơn nữa, mỗi UE muốn trở thành hoạt động (active) trong khối hiện tại với xác suất ≤ 1, là một tham số phụ thuộc vào kịch bản cố định mô tả tần suất một UE có các gói dữ liệu để truyền hoặc nhận. Một nỗ lực truy 18 cập của UE thứ k bao gồm việc truyền pilot ( ) với công suất >0, ngược lại nó sẽ im lặng bằng cách đặt = 0. Do đó, mỗi UE bất hoạt sẽ chọn một chuỗi pilot cụ thể với xác suất /. Đặt = {k : c(k) = t, > 0} chứa các chỉ số của các UE truyền pilot t.
Dựa trên mô hình này, số lượng các UE, | |, truyền ta có phân phối nhị thức là: [3] | |~B , 2.1) Chúng ta nhận thấy rằng, pilot t không được sử dụng (| | = 0) với xác suất 1 − và chỉ được lựa chọn bởi một UE (| | = 1) với xác suất 1 −. Do đó, một va chạm (| | ≥ 2) xảy ra với pilot tùy ý này với xác suất 1 − 1 − − 1 − (2.2) Những va chạm ở trên cần được phát hiện và giải quyết trước khi UE được nhận vào các khối tải trọng. Giao thức truy cập ngẫu nhiên SUCRe là một phương pháp để giải quyết các va chạm pilot tại UE bằng cách sử dụng các thuộc tính làm cứng các kênh của Massive MIMO. Vector kênh giữa UE k ∈ và BS của nó được ký hiệu là ℎ ∈ ℂ.
Áp dụng một mô hình truyền bá thông dụng, trong đó các kênh được giả định thỏa mãn 2 điều kiện sau: ‖ ‖ → ⎯⎯ , ∀ , (2.4) Ở đây có giá trị dương mà UE thứ k đã biết (giá trị này được ước tính ở bước sơ bộ 0). Các kênh như vậy được cho là kênh cứng hóa và lan truyền tiệm cận thuận lợi.4) được thỏa mãn bằng nhiều mô hình kênh ngẫu / nhiên. Ví dụ, khi = x trong đó ∈ ℂ là ma trận bán xác định với chuẩn phổ bị giới hạn và x ∈ ℂ có các biến ngẫu nhiên độc lập và phân bố giống hệt nhau (i.d) không có giá trị trung bình và bị giới hạn ở thời điểm thứ tám (bounded eighth-order moment). Trong trường hợp này ta có tr ( )/ → Tiệm 19 cận thuận lợi cũng có thể thu được sự lan truyền đối với các kênh nhìn thẳng xác định; ví dụ, đối với các mảng tuyến tính đồng nhất (Uniform Linear Arrays, ULAs) trong đó các UE có các góc riêng biệt hướng về BS.
Giao thức SUCRe được mô tả 4 bước theo giả định rằng các kênh thỏa mãn (2. Trong bước 1 của giao thức truy cập ngẫu nhiên SUCRe, BS nhận được tín hiệu ∈ℂ × từ các UE là: =∑ ℎ ( )+ + (2.5) Trong đó N là tạp âm máy thu độc lập và ma trận W đại diện cho nhiễu từ các ô khác. Lưu ý rằng Y có được bằng cách lấy các pilot nhận được và tương quan nó với chuỗi pilot được xem xét.