chương 1, luận án trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu bao gồm mạng thông tin di động thế hệ mới 5G, hệ thống Multi-user MIMO - hệ thống 9 nhiều ăng ten nhiều người dùng (MU-MIMO). Chương này cũng trình bày các vấn đề ước lượng kênh truyền, mô hình kênh truyền và các giải pháp tiền mã hóa trong hệ thống ăng ten nhiều ăng ten đầu vào và nhiều ăng ten đầu ra cỡ rất lớn (Massive MIMO) và mmWave Massive MIMO. Các hướng nghiên cứu chính về kỹ thuật lập lịch hiện nay và các hạn chế của nó cũng được trình bày. Từ đó, chỉ ra các hướng nghiên cứu nhằm cải tiến và khắc phục các vấn đề còn tồn tại trong các kỹ thuật lập lịch hiện nay.
Trong chương 2, luận án đã đề xuất một kỹ thuật toán lập lịch đảm bảo tốc độ tối thiểu khi thuê bao sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền. Chương này đã xây dựng mô hình kênh để tính toán ảnh hưởng của việc sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền lên vấn đề ước lượng kênh, tiền mã hóa MRT và ZT từ đó tính ra tốc độ của thuê bao khi sử dụng thông tin lão hóa kênh. Để đảm bảo tốc độ tối thiểu của thuê bao, kỹ thuật đề xuất thêm vào một bước trong quá trình lập lịch để lựa chọn các thuê bao phù hợp để phục vụ bằng cách so sánh tốc độ có thể đạt được của cả thuê bao được ước lượng kênh và cả các thuê bao chỉ sử dụng thông tin ước lượng kênh. Thực nghiệm kỹ thuật cho nhiều tốc độ tối thiểu khác nhau và các tình huống thực tế khác nhau như khi tăng dần số thuê bao hoặc số lượng ăng ten sử dụng.
Trong chương 3, luận án đề xuất kỹ thuật lập lịch nhằm đảm bảo nhiều loại tốc độ tối thiểu cho thuê bao. Giải pháp giúp phân bổ tối ưu công suất phát theo điều kiện kênh truyền và tốc độ mà thuê bao yêu cầu, trong khi vẫn hướng đến mục tiêu tổng dung lượng hệ thống là cao nhất. Kỹ thuật còn sử dụng thông tin về độ ưu tiên của lưu lượng để đảm bảo rằng các lưu lượng quan trọng hơn sẽ được phục vụ trước. Và kỹ thuật sử dụng một tiêu chí tổng hợp các tham số nên sẽ có thời gian tính toán ít hơn nhiều so với các kỹ thuật vét cạn nên hoàn toàn 10 khả thi để áp dụng triển khai cho mạng thông tin di động 5G.
Trong chương 4, luận án đề xuất kỹ thuật lập lịch cho hệ thống mmWave sử dụng bộ ADC phân giải thấp. Giải pháp đề xuất giúp giảm thời gian tìm kiếm tập thuê bao phục vụ tối ưu trong khi vẫn hướng đến mục tiêu tổng dung lượng hệ thống là cao nhất. Kỹ thuật sử dụng điều kiện bán trực giao về kênh truyền để loại bỏ các thuê bao thuộc tập ứng cứ viên mà không bán trực giao với tập thuê bao đã được lựa chọn. Cuối cùng là phần kết luận chung, sẽ tổng kết lại những đóng góp, kết quả nghiên cứu đạt được trong luận án này cũng như hướng nghiên cứu trong tương lai.
11 Chương 1 Tổng quan về kỹ thuật lập lịch Chương này trình bày tổng quan về kỹ thuật ước lượng kênh và xử lý tuyến tính của hệ thống thông tin di động thế hệ mới 5G. Từ đó xác định các ưu điểm và thách thức chung của mạng 5G, và tiếp theo là khảo sát các kỹ thuật lập lịch hiện nay. Đó là những lý thuyết nền tảng cho những đề xuất ở các chương tiếp theo của luận án.1 Hệ thống thông tin di động 5G Trong những năm gần đây, lưu lượng dữ liệu trong mạng thông tin di động đã tăng đột biến với sự phổ biến của thiết bị di động cá nhân như điện thoại thông minh, máy tính bảng và các loại thiết bị không dây khác. Lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu năm 2018 đã tăng gấp sáu lần so với năm 2014.
Để đáp ứng được nhu cầu này cần xây dựng các công nghệ mới. Thông lượng hệ thống thông tin di động được tính theo công thức sau: T (bits/s/km2 ) = D(Cells/km2 ) × B(Hz) × E(bits/s/Hz/Cell) (1.1) Trong đó T là dung lượng hệ thống, D là mật độ tế bào, B là băng thông hệ thống và E là hiệu quả sử dụng phổ. Bên cạnh việc thu nhỏ bán kính vùng phủ để tăng mật độ tế bào thì hai phương án tối ưu để tăng thông lượng hệ thống là 12 tăng băng thông và tăng hiệu quả sử dụng phổ. Các hệ thống ăng ten thu phát nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO) cho phép truyền nhiều luồng dữ liệu đồng thời giữa bên thu và bên phát từ đó đạt được độ lợi về ghép kênh không gian, làm tăng mạnh hiệu quả sử dụng phổ.
Các nghiên cứu về ghép kênh không gian đã chuyển từ MIMO truyền thống sang hệ thống MIMO đa người dùng (MU-MIMO), nơi mà Base Station - trạm gốc (BS) có nhiều ăng ten sẽ phục vụ nhiều thuê bao chỉ có một ăng ten. Điều này rất quan trọng trong thực tế vì lý do kích thước và pin của điện thoại mà việc tăng số ăng ten tại trạm gốc là dễ dàng hơn tại thuê bao. Càng nhiều ăng ten tại trạm gốc thì độ lợi về ghép kênh không gian càng tăng lên, đi cùng với nó là sự phức tạp trong tính toán và đắt đỏ trong phần cứng. Marzetta đã chứng minh rằng khi số lượng ăng ten vô cùng lớn thì chỉ cần sử dụng các phép toán tuyến tính đơn giản như kết hợp tỷ lệ cực đại MRC cho đường lên cũng có thể đạt được hiệu quả gần tối ưu như trong MIMO truyền thống [43].
Hệ thống như vậy được gọi là Massive MIMO. Tăng băng thông hệ thống là một cách để tăng thông lượng hệ thống. Tuy nhiên hiện nay dải phổ phù hợp nhất cho liên lạc vô tuyến ở dưới 6 GHz đã sử dụng gần hết. Vì vậy mạng thông tin di động 5G đang nghiên cứu sử dụng phổ tần ở băng sóng mmWave.
Massive MIMO và mmWave là các công nghệ hứa hẹn cho mạng thông tin 5G. Tuy nhiên, còn rất nhiều thách thức được đặt ra do có rất nhiều thuê bao được phục vụ đồng thời như vấn đề can nhiễu giữa các thuê bao, thu thập thông tin về chất lượng kênh và cuối cùng là dung lượng hệ thống phụ thuộc rất nhiều vào kỹ thuật lập lịch để chọn ra tập thuê bao tối ưu. Kiến trúc của lớp vô tuyến trong mạng 5G cũng có sự thay đổi lớn như hình vẽ 13 1. Remote Radio Head - Khối vô tuyến từ xa (RRH) trong mạng 4G thường kết nối với ăng ten ngoài nay được tích hợp trong một Active Antenna Unit - Đơn vị ăng ten chủ động (AAU).
Baseband Unit - Đơn vị băng cơ sở (BBU) vốn là phần cứng theo từng hãng chuyên biệt cũng sẽ được tách ra thành Distributed Unit - Đơn vị phân tán (DU) và Central Unit - Đơn vị tập trung (CU) và có thể được ảo hóa đặt tại các tài nguyên tính toán của mạng.1: Các thành phần mạng vô tuyến 5G.2 Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống thông tin di động 5G Tháng 9 năm 2015, ITU đã định nghĩa các yêu cầu kỹ thuật cơ bản cho mạng 5G như sau [31]: • Tốc độ dữ liệu đỉnh: tốc độ có thể đạt mức 10 Gbps so với 1 Gbps của mạng 4G. • Tốc độ dữ liệu người dùng thực tế: trong khu vực đô thị và ngoại ô, người dùng có thể trải nghiệm tốc độ 100 Mbps so với 10 Mbps của mạng 4G. • Hiệu quả phổ tần được tăng gấp 3 lần so với mạng 4G. • Tính di động: mạng 5G cho phép người dùng di chuyển với tốc độ 500 km/giờ mà vẫn đạt được yêu cầu chất lượng dịch vụ QoS ở mức chấp nhận được trong khi ở 4G là 350 km/giờ.
14 • Độ trễ: giảm từ 10 ms của mạng 4G xuống còn 1 ms ở 5G để cung cấp được các dịch vụ yêu cầu độ trễ thấp như lái ô tô tự động. • Mật độ kết nối: mạng 5G kỳ vọng sẽ có mật độ kết nối gấp 10 lần mạng 4G để phục vụ cho kết nối giữa các thiết bị với nhau. • Hiệu quả sử dụng năng lượng: độ tiêu thụ năng lượng sẽ không cao hơn mạng 4G nhưng có hiệu quả cao hơn, kỳ vọng sẽ gấp 100 lần hiệu quả sử dụng năng lượng của mạng 4G. • Dung lượng dữ liệu: mạng 5G kỳ vọng sẽ có dung lượng 10 M bps/m2 , tức là cao hơn mạng 4G 100 lần.
Tùy từng hoàn cảnh cụ thể của người dùng mà mỗi yêu cầu cụ thể sẽ được đánh giá. Ví dụ khi người dùng ít di chuyển, ngồi trong các tòa nhà thì tốc độ dữ liệu người dùng thực tế là quan trọng, còn khi người dùng di chuyển tốc độ cao như tàu cao tốc thì tính di động của người dùng cần được đảm bảo.3 Hệ thống thông tin di động nhiều ăng ten đa người dùng MU-MIMO Ở đây xem xét một hệ thống nhiều ăng ten đa người dùng bao gồm một trạm gốc và K thuê bao, mỗi thuê bao chỉ có một ăng ten như trên hình vẽ 1. Trạm gốc có M ăng ten, với M ≥ K. Tất cả thuê bao sử dụng chung tài nguyên tần số và thời gian.
Hệ thống hoạt động theo chế độ Time Division Duplex - ghép kênh phân chia theo thời gian (TDD). Kí hiệu T là độ dài một khung, trong mỗi khung thì τp tín hiệu đầu tiên được sử dụng cho việc ước lượng kênh, và (T − τp ) tín hiệu còn lại sẽ sử dụng cho việc truyền tín hiệu theo chiều xuống.2: Mô hình hệ thống thông tin nhiều ăng ten đa người dùng 1.1 Ước lượng kênh truyền theo chiều lên Trong một hệ thống TDD, truyền dẫn tín hiệu đường lên và đường xuống dùng chung kênh vô tuyến chỉ khác nhau ở khe thời gian với giả thuyết là các kênh đường lên và đường xuống có tính đối xứng, giống nhau về biên độ và ngược nhau về pha. Để thực hiện việc ước lượng kênh, mỗi thuê bao sẽ truyền một chuỗi tín hiệu hoa tiêu có độ dài τp. Chuỗi tín hiệu hoa tiêu của thuê bao k được ký hiệu là 2 xk ∈ Cτp ×1.
Các phần tử của chuỗi có độ lớn bằng 1, tức là kxk k = xH k xk = τ p. Công suất phát đường lên của thuê bao k là ρk. Tín hiệu thu được tại BTS j là [29] K X √ y= ρk hk xk + n, (1.3) k=1 trong đó, nhiễu tại trạm là n ≈ CN (0, σr2 ) với n ∈ CM ×1. Hệ thống có thể đạt được dung lượng chiều lên theo công thức 1.