Chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về xu hướng phát triển của hệ thống thông tin di động. Từ đó, luận văn sẽ dẫn tới lý do chọn đề tài và chọn đối tượng, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu. - Chương 2 sẽ trình bày cơ sở lý thuyết cơ bản kênh truyền, mạng tế bào, massive MIMO và hệ thống cell-free massive MIMO và cung cấp lý thuyết về toán tối ưu và thuật toán ứng dụng ở những chương sau. - Chương 3 sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về phương pháp học tăng cường và các dạng mở rộng của phương pháp này.
LUẬN VĂN THẠC SĨ 8 Linh Pham Phân bổ công suất hệ thống cell-free massive MIMO bằng phương pháp học sâu - Chương 4 sẽ mô hình hóa hệ thống cell-free massive MIMO và tiến hành phân tích tín hiệu, hiệu suất phổ, phương pháp tối ưu hóa tổng hiệu suất phổ trên đường uplink. Phương pháp học tăng cường, mà luận văn đề xuất, sẽ được trình bày tại chương này. - Chương 5 mô phỏng hệ thống cell-free massive MIMO đã trình bày ở Chương 4 và trình bày kết quả sau khi ứng dụng phương pháp học tăng cường. - Chương 6 tóm tắt tắt lại kết quả luận văn đồng thời đề xuất các hướng phát triển tiếp theo.
LUẬN VĂN THẠC SĨ 9 Linh Pham Phân bổ công suất hệ thống cell-free massive MIMO bằng phương pháp học sâu CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ KÊNH TRUYỀN, HỆ THỐNG CELL-FREE MASSIVE MIMO VÀ TOÁN TỐI ƯU Chương này sẽ trình bày những lý thuyết cơ bản về mô hình kênh truyền, kỹ thuật MIMO và hệ thống thông tin cell-free massive MIMO. Mục cuối của chương trình bày những lý thuyết toán tối ưu cơ bản và thuật toán block coordinate descent. Lý thuyết cơ bản về mô hình kênh truyền cơ bản Trong một mạng viễn thông, phương pháp truyền thông tin được chia thành hai loại cơ bản là phương pháp truyền dẫn hữu tuyến và phương pháp truyền dẫn vô tuyến. Phương pháp truyền dẫn hữu tuyến là phương pháp truyền dẫn thông tin thông qua các dây dẫn như dây cáp đồng, cáp quang,.
Các dây dẫn cung cấp một môi trường hoàn hảo cho truyền dẫn thông tin nên mạng hữu tuyến thường hoạt động ổn định, có tốc độ truyền cao, phân tích dễ dàng dữ liệu truyền. Nhưng mạng hữu tuyến chỉ có thể được lắp đặt cố định nên độ linh động của mạng thấp. Ngược lại, phương pháp truyền dẫn thông tin vô tuyến không sử dụng dây dẫn mà truyền dẫn thông tin qua môi trường xung quanh. Do đó, mạng vô tuyến có độ linh động cao.
Tuy nhiên, tín hiệu lan truyền trong môi trường thường bị sai lệch do sự cản trở của các vật thể như nhà cửa, xe cộ, cây cối, … Do đó, tín hiệu thu được tại máy thu được đặt tại những vị trí khác nhau sẽ có dạng khác nhau. Việc phân tích tín hiệu thu được trở nên khó khăn hơn so với tín hiệu trong mạng hữu tuyến. Nhằm phân tích sự lan truyền của tín hiệu trong môi trường, tín hiệu phát và tín hiệu thu sẽ được mô hình hóa. Tất cả tín hiệu thu và phát được xem như đều có dạng số thực do các bộ điều chế sử dụng oscillators tạo tín hiệu thực hình sin.
Tuy nhiên, để đơn giản hóa quá trình phân tích tín hiệu, mô hình kênh truyền có đáp ứng kênh là đáp ứng tần số phức. Giả định này xuất phát từ việc kênh truyền chỉ thay đổi biên độ và pha của tín hiệu phát tại từng tần số nên tín hiệu thu cũng có dạng số thực. Như vậy, phần thực của tín hiệu phức tương ứng với phần thực của tín hiệu điều chế và giải điều chế. Tín hiệu phát được mô hình hóa như sau [5]: LUẬN VĂN THẠC SĨ 10 Linh Pham Phân bổ công suất hệ thống cell-free massive MIMO bằng phương pháp học sâu 𝑠(𝑡 ) = Re{𝑢(𝑡 )𝑒 𝑗2𝜋𝑓𝑐𝑡 } = Re{𝑢(𝑡 )} cos(2𝜋𝑓𝑐 𝑡 ) − Im{𝑢(𝑡 )} sin(2𝜋𝑓𝑐 𝑡 ) (2.1) = 𝑥 (𝑡 ) cos(2𝜋𝑓𝑐 𝑡 ) − y(𝑡 ) sin(2𝜋𝑓𝑐 𝑡 ) trong đó, 𝑢(𝑡 ) = 𝑥 (𝑡 ) + 𝑦(𝑡 ) là một tín hiệu băng gốc, dạng phức với thành phần đồng pha 𝑥(𝑡 ) = Re{𝑢(𝑡 )} , thành phần vuông pha 𝑦(𝑡 ) = Im{𝑢(𝑡 )} và tần số 𝑓𝑐 là tần số sóng mang.
Tín hiệu thu được mô hình hóa tương tự như sau: 𝑟(𝑡 ) = Re{𝑣 (𝑡 )𝑒 𝑗2𝜋𝑓𝑐𝑡 } + 𝑛(𝑡 ) (2.2) trong đó, tín hiệu 𝑣 (𝑡 ) phụ thuộc vào kênh mà 𝑠(𝑡 ) truyền qua và 𝑛(𝑡 ) là nhiễu. Nếu 𝑠(𝑡 ) được truyền qua kênh truyền không thay đổi trong miền thời gian thì 𝑣 (𝑡 ) = 𝑢(𝑡 ) ∗ ℎ(𝑡 ) với ℎ(𝑡 ) là đáp ứng xung của kênh truyền. Thành phần Re{𝑣 (𝑡 )𝑒 𝑗2𝜋𝑓𝑐𝑡 } tương ứng với tín hiệu phát sau khi được lan truyền trong kênh truyền. Giả sử tín hiệu phát 𝑠(𝑡 ) với công suất phát 𝑃𝑠 được truyền qua một kênh truyền cho trước, với tín hiệu nhận được tương ứng 𝑟(𝑡 ) với công suất thu 𝑃𝑟.
Định nghĩa suy hao đường truyền tuyến tính của kênh là tỉ lệ giữa công suất phát trên công suất thu: 𝑃𝑆 𝑃𝐿 = .3) 𝑃𝑟 Nếu tính toán suy hao đường truyền theo đơn vị dB: 𝑃𝑆 𝑃𝐿 = 10 log10 (dB).4) 𝑃𝑟 Xem xét mô hình hóa môi trường giữa bên phát và bên thu, kênh truyền là môi trường kết nối giữa máy phát và máy thu nhằm phục vụ cho việc trao đổi thông tin. Trong đó, truyền dẫn thông tin dựa máy phát và máy thu hoạt động dựa trên cơ chế lan truyền của sóng điện từ. Sóng điện từ có khả năng lan truyền qua các môi trường khác nhau như rắn, lỏng, khí và chân không. Cơ chế lan truyền có thể được chia thành ba quy luật, bao gồm phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ.
Để đặc tả chi tiết cơ chế lan truyền sóng điện từ trong môi trường, phương trình Maxwell đã được áp dụng với điều kiện biên tương ứng với các vật thể chắn đường trong môi trường. Tuy nhiên, bài toán giải phương trình Maxwell có độ phức tạp lớn. Điều này đã gây khó khăn trong quá trình phân tích môi trường. Vậy nên các mô hình mô phỏng lại cơ chế lan truyền sóng điện từ trong kênh truyền đã được ra đời.
Dựa trên mục tiêu dự đoán của mô hình, mô hình lan truyền được LUẬN VĂN THẠC SĨ 11 Linh Pham Phân bổ công suất hệ thống cell-free massive MIMO bằng phương pháp học sâu chia thành hai loại, là mô hình lan truyền large-scale và mô hình lan truyền small-scale. Mô hình large-scale dùng để dự đoán cường độ tín hiệu thu trung bình ở một khoảng cách vĩ mô so với bên phát (hàng trăm hoặc hàng ngàn mét). Còn mô hình small-scale sẽ dự đoán biến thiên cường độ tín hiệu trong khoảng thời ngắn hoặc trong khoảng cách ngắn. Phạm vi của luận văn sẽ chỉ tập trung vào mô hình large-scale fading.
Để mô hình hóa lan truyền large-scale fading, một số mô hình dựa trên đường truyền tín hiệu ra đời. Ví dụ như mô hình không gian tự do cho phép dự đoán cường độ tín hiệu thu được khi không có vật cản giữa bên phát và bên thu. Hay mô hình ray- tracing cho phép mô phỏng hóa tín hiệu thu được là tổng của tín hiệu phát khi lan truyền trong môi trường có nhiều vật cản. Tuy nhiên, trong thực tế, hệ thống thông tin di động thường hoạt động trong môi trường lan truyền phức tạp mà không thể mô hình hóa chính xác bằng các mô hình kể trên.
Do đó, mô hình thực nghiệm đã được lựa chọn để dự đoán biến động trong môi trường thực tế như thành phố, khu đô thị,. Luận văn sẽ chỉ giới thiệu mô hình Hata-COST231 được phát triển từ mô hình Hata. Đây là mô hình ước lượng suy hao đường truyền, và hoạt động trong dải tần số lên đến 2 GHz. Mô hình Hata-COST231 được công thức hóa như sau [5]: 𝑃𝐿 = 46.55 log10 ℎ𝐴𝑃 ) log10 𝑑 + 𝐶𝑚 trong đó, 𝑎(ℎ𝑈𝐸 ) là hệ số điều chỉnh, 𝑓𝑐 là tần số sóng mang (MHz), ℎ𝐴𝑃 là chiều cao của antenna thuộc điểm truy cập (m), ℎ𝑈𝐸 là chiều cao antenna của người dùng (m), 𝑑 là khoảng cách giữa điểm truy cập và người dùng (km).
Điều kiện ràng buộc của mô hình như sau: 1.5 GHz < 𝑓𝑐 < 2 GHz, 30 m < ℎ𝐴𝑃 < 200 m, 1 m < ℎ𝑟 < 10 m và 1 km < 𝑑 < 20 km. Để đánh giá được khả năng truyền tải thông tin đánh tin cậy, hiệu suất phổ (SE), dựa trên [6], được định nghĩa là trung bình số lượng bit thông tin trên một mẫu phức có thể được truyền tin cậy qua kênh truyền. Hiệu suất phổ cao nhất sẽ được xác định bằng dung lượng kênh. Dung lượng kênh được định nghĩa là tốc độ thông tin cao nhất có thể đạt đến được.
Xem xét một kênh truyền có đáp ứng kênh ℎ nhận tín hiệu 𝑠 làm đầu vào và tín hiệu 𝑟 làm đầu ra. LUẬN VĂN THẠC SĨ 12 Linh Pham Phân bổ công suất hệ thống cell-free massive MIMO bằng phương pháp học sâu Hình 2.1: Minh họa quá trình truyền dẫn dữ liệu qua một kênh truyền. Tín hiệu thu được 𝑟 sẽ có dạng như sau: 𝑟 = ℎ𝑠 + 𝑛 (2.6) trong đó, 𝑛~𝑁(0, 𝜎) là nhiễu Gaussia trắng thêm vào trong truyền dẫn kênh truyền. Trong trường hợp truyền một đầu vào một đầu ra (SISO), gọi 𝑝 là công suất lớn nhất mà tín hiệu 𝑠 có thể được truyền, dung lượng kênh sẽ được tính như sau: 𝑝|ℎ|2 𝐶 = log 2 (1 + 2 ).7) 𝜎 Thành phần bên trong dung lượng được định nghĩa tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) của tín hiệu là công suất tín hiệu phát sau khi lan truyền trong kênh truyền chia cho công suất tín hiệu nhiễu thêm vào khi lan truyền trong kênh truyền.8) 𝜎 Ngoài tỉ số tín hiệu trên nhiễu, trong kênh truyền đa truy cập, tồn tại nhiễu được sinh ra từ các thiết bị người dùng trong kênh truyền.
Vậy nên, để đánh giá thì định nghĩa tỉ số công suất tín hiệu trên can nhiễu - nhiễu (SINR) là công suất tín hiệu phát sau khi lan truyền trong kênh truyền chia cho tổng công suất tín hiệu nhiễu thêm vào khi lan truyền trong kênh truyền và công suất tín hiệu nhiễu sinh ra từ các thiết bị người dùng khác. Gọi 𝑝𝐼 là công can nhiễu thì công thức tính toán SINR có dạng như sau: 𝑝 |ℎ | 2 SINR = .9) 𝑝𝐼 + 𝜎 2 Dung lượng kênh lúc này sẽ được tính như sau: 𝑝|ℎ|2 𝐶 = log 2 (1 + ).10) 𝑝𝐼 + 𝜎 2 LUẬN VĂN THẠC SĨ 13 Linh Pham Phân bổ công suất hệ thống cell-free massive MIMO bằng phương pháp học sâu 2.