Chương 1 sẽ mô tả những khái niệm chung nhất về hệ thống MIMO quy mô lớn, những ưu điểm hệ thống, thách thức trong thực tế. Những đặc điểm của hệ thống anten MIMO và các tham số đánh giá; các thông số kỹ thuật chính và cấu hình anten cho trạm gốc di động cũng sẽ được đề cập đến. Giới thiệu chung Với vai trò tăng cường hiệu suất cho tầng vật lý trong truyền thông không dây, công nghệ MIMO đã được tích hợp vào các tiêu chuẩn băng thông rộng không dây, ví dụ như IEEE 802.11ac, HSPA +, WiMAX và LTE [1]. Trong đó, tiêu chuẩn LTE hiện tại cho phép tối đa 8 anten trên các trạm gốc và trên các thiết bị đầu cuối [2].1 thể hiện một số ví dụ về một trạm gốc di động và một điểm truy cập Wi-Fi, cả hai đều được trang bị nhiều anten.
So với các hệ thống anten đơn, hệ số tăng ích đạt được khi sử dụng nhiều anten là do bậc không gian tự do (DoF) mở rộng các kích thước có sẵn để xử lý tín hiệu. Khi phổ tần không dây trở thành một nguồn tài nguyên quý giá, công nghệ MIMO sử dụng miền không gian mang lại cơ hội cải thiện hiệu suất hệ thống mà không cần tăng phổ tần cần thiết.1: Ví dụ về công nghệ MIMO sử dụng trong cuộc sống hàng ngày: (a) Ảnh chụp một tháp di động nhiều anten và (b) Bộ định tuyến không dây TP Link Archer AX6000 (nguồn: tp-link. Nói chung, hệ thống MIMO được chia thành hai loại: MIMO một người dùng (SU-MIMO), và MIMO nhiều người dùng (MU-MIMO).2 minh họa cho hai loại nêu trên. Trong hệ thống SU-MIMO, bộ phát và bộ thu được trang bị nhiều anten.
Các đặc tính về phạm vi bao phủ, độ tin cậy của liên kết và tốc độ dữ liệu có thể đạt được thông qua các kỹ thuật như định dạng búp sóng, mã hóa không 1 SU-MIMO MU-MIMO Trạm Trạm gốc gốc MIMO Thiết bị MIMO Thiết bị đầu cuối đầu cuối MIMO MIMO (a) (b) Hình 1.2: Hệ thống MIMO: (a) Một người dùng và (b) Nhiều người dùng. gian-thời gian phân tập định hướng, và ghép kênh không gian của một số luồng dữ liệu. Các kỹ thuật này không thể được sử dụng hoàn toàn đồng thời, do đó, ta thường thấy sự đánh đổi giữa chúng. Ví dụ như chuyển đổi thích ứng giữa phân tập không gian và các hệ thống ghép kênh được ứng dụng trong LTE [3].
Tình hình của hệ thống MU-MIMO [4] lại hoàn toàn khác. Kênh không dây hiện nay được chia sẻ trong không gian bởi những người dùng khác nhau và những người dùng truyền và nhận mà không cần mã hóa và phát hiện chung giữa họ. Bằng cách sử dụng sự khác biệt về đặc trưng không gian tại mảng anten trạm gốc tạo ra bởi người dùng phân tán trong không gian, trạm gốc có thể giao tiếp đồng thời với các người dùng. Do đó, hiệu năng khi xét về tổng tốc độ của tất cả người dùng có thể rất lớn.
Tuy nhiên, một thách thức chính ở đây là sự ảnh hưởng giữa những người dùng trong cùng một kênh. Xử lý tín hiệu trong MU-MIMO thường nhằm mục đích ngăn chặn sự ảnh hưởng giữa những người dùng cùng kênh, vì vậy kiến thức về kênh không gian trở nên quan trọng hơn so với SU-MIMO. Nói chung, bằng cách sử dụng miền không gian của các kênh không dây, MIMO có những ưu điểm chính sau đây so với các hệ thống anten đơn: • phạm vi phủ sóng tốt hơn, thông qua định dạng búp sóng dẫn đến công suất của tín hiệu nhận được lớn hơn. • cải thiện độ tin cậy của liên kết, thông qua các hệ thống đa dạng chống lại nhiễu trong các kênh truyền và cuối cùng giảm xác suất lỗi truyền thông, • dung lượng lớn hơn, thông qua ghép kênh không gian truyền và nhận một số luồng dữ liệu đồng thời trong cùng một tài nguyên tần số.
• giảm độ trễ phân tán, nhờ vào hiệu ứng rút ngắn kênh trong định dạng búp sóng • cải thiện ước lượng thông tin định hướng, thông qua khả năng phân giải miền không gian của các mảng anten.3: Mô hình triển khai các mảng anten MIMO quy mô lớn trong đô thị. Trong cả hệ thống SU-MIMO và MU-MIMO, về mặt lý thuyết, máy phát hoặc máy thu được trang bị càng nhiều anten thì quy mô mà miền không gian có thể được triển khai càng lớn. Điều này giúp cải thiện hiệu năng khi xét về các ưu điểm của MIMO được đề cập ở trên. Khi công nghệ MIMO với tối đa 8 anten đã trở nên hoàn thiện, chúng ta có thể đặt câu hỏi: Liệu tiềm năng của MIMO đã được khai thác hết hay chưa? Tiến sĩ Thomas L.
Marzetta từ Bell Labs đã xuất bản một bài báo vào năm 2010 – “Noncooperative Cellular Wireless with Unlimited Number of Base Station Antennas” [5], về việc tận dụng hệ thống MIMO. Cho số lượng anten của trạm gốc tăng lên ngoài giới hạn trong các kịch bản MU-MIMO, hiện tượng quan trọng nhất là ảnh hưởng của nhiễu cộng nhận được, nhiễu tầm hẹp, cũng như nhiễu nội bộ giữa những người dùng biến mất. Trở ngại duy nhất còn lại là nhiễu giữa các phần tử từ các đường truyền được gắn liền với cùng một chuỗi dẫn đường được sử dụng trong ước lượng kênh. Bài báo kết luận rằng thông lượng trên mỗi phần tử và số lượng thiết bị đầu cuối trên mỗi phần tử không phụ thuộc vào kích thước phần tử, hiệu suất phổ không phụ thuộc vào băng thông hệ thống và năng lượng truyền yêu cầu trên mỗi bit sẽ biến mất.
Mặc dù những kết quả rất ấn tượng này phụ thuộc vào mô hình hệ thống và các giả định về sự truyền sóng được sử dụng trong bài báo, tiến sĩ Marzetta đã đưa ra một hướng đi quan trọng cho các hệ thống di động có thể phát triển. 3 1 1 1 1 2 H y 2 HT y Trạm Trạm. gốc gốc M M K K Tuyến lên Tuyến xuống Hình 1.4: Mô hình hệ thống MU-MIMO trong: (a) Tuyến xuống và (b) Tuyến lên. Trạm gốc M-anten phục vụ K người dùng anten đơn theo cách ghép kênh không gian.
Tính thuận nghịch của kênh được giả định, vì vậy mối quan hệ giữa ma trận kênh tuyến xuống và tuyến lên chỉ đơn giản là ma trận chuyển vị. [6] Hệ thống MIMO với quy mô lớn cung cấp nhiều bậc tự do hơn trong miền không gian so với bất kỳ hệ thống nào hiện nay. Điều này giúp chúng ta tránh khỏi tình huống phổ tần số vô tuyến trở nên quá tải và đắt đỏ, đặc biệt là ở các dải tần dưới 6 GHz. Trái ngược với hệ thống MU-MIMO thông thường có tới 8 anten, ta gọi hệ thống MIMO với số lượng lớn anten là “MIMO quy mô lớn”, “MIMO kích thước lớn”, hay “MIMO cỡ lớn”.
Lấy minh họa đơn giản, hình 1.3 cho thấy khả năng triển khai của các mảng anten MIMO quy mô lớn. Các anten có thể được ghép lại theo cấu trúc tuyến tính, phẳng hoặc hình trụ, hay có thể được đặt theo cách phân tán. Trong hoạt động của hệ thống MIMO quy mô lớn, xét kịch bản hoạt động của hệ thống MU-MIMO trong đó một trạm gốc được trang bị một số lượng lớn anten phục vụ rất nhiều thiết bị đầu cuối trong cùng một tài nguyên tần số và đồng thời. Các nỗ lực xử lý chủ yếu có thể được thực hiện ở phía trạm gốc và các thiết bị đầu cuối có phần cứng đơn giản, giá thành rẻ.
Cho đến nay, nhiều nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã được thực hiện theo bối cảnh của MIMO quy mô lớn; những nghiên cứu này chỉ ra rằng MIMO quy mô lớn có thể cải thiện đáng kể hiệu suất phổ trong khi giảm công suất bức xạ đầu ra ít nhất là một bậc. MIMO quy mô lớn: lợi thế và thách thức 1. Khái niệm chung và cách thức hoạt động Một hệ thống có thể được gọi là MIMO quy mô lớn nếu một số lượng lớn các anten được triển khai ở một hoặc cả hai đầu của kết nối truyền thông. Số lượng anten và các sơ đồ truyền thông là khác nhau đối với các hệ thống và ứng dụng khác nhau.
Do đó, rất khó để thống nhất về một định nghĩa cụ thể cho "MIMO quy mô lớn". MIMO quy mô lớn là một công nghệ MU-MIMO trong các hệ thống di động, trong đó một trạm gốc được trang bị hàng chục đến hàng trăm anten và giao tiếp với nhiều người dùng đồng thời thông qua ghép kênh không gian.4 minh họa mô hình hệ thống MU-MIMO trong cả truyền dẫn tuyến xuống và tuyến 4 lên cho một phần tử. Tuy nhiên, MIMO với một số lượng lớn anten không nên bị giới hạn trong các trường hợp nhiều người dùng. Nó cũng có thể được sử dụng trong các tình huống một người dùng, ví dụ như liên kết backhaul giữa các trạm gốc trong liên lạc bước sóng milimet [7].
Các tình huống giả định hoạt động của hệ thống MIMO quy mô lớn được đưa ra sau đây [6]: • Các hệ thống phần tử đơn. Do khả năng thực hiện các phép đo kênh hiện tại, chỉ có thể khảo sát các kịch bản cho phần tử đơn. Các phép đo cho đa phần tử đòi hỏi nhiều nỗ lực hơn và nhiều thiết bị hơn, vì các kênh trong các phần tử khác nhau cần được đo một cách đồng bộ. Ta chủ yếu tiếp cận MIMO với giả định cùng một kiểu điều chế thường được sử dụng trong LTE và WLAN, cụ thể là OFDM [8].
• Anten đơn ở các thiết bị đầu cuối. Vì quá trình xử lý “quy mô lớn” sẽ khai thác miền không gian có thể được thực hiện ở phía trạm gốc, việc có nhiều anten ở các thiết bị đầu cuối trở nên ít quan trọng hơn. • Thông tin trạng thái kênh (CSI) hoàn hảo. Ta giả định rằng trạm gốc hoàn toàn biết ma trận kênh tức thời và sử dụng kiến thức để tiền mã hóa và phát hiện.
Tuy nhiên, trên thực tế, ta có CSI không hoàn hảo và điều này có thể dẫn đến giảm hiệu năng. Ta không tập trung vào ước lượng kênh truyền trong luận văn này, do đó ta giả định một tình huống lý tưởng. • Ghép kênh song công phân chia theo thời gian (TDD). Trong ghép kênh song công phân chia theo tần số (FDD), CSI tuyến xuống được người dùng ước lượng và đưa trở lại trạm gốc.
Việc ước lượng và phản hồi CSI có thể trở nên rất phức tạp khi có một số lượng lớn các anten của trạm gốc. Hoạt động TDD không phụ thuộc vào phản hồi CSI vì các kênh truyền là nghịch đảo cho tuyến lên và tuyến xuống. Thách thức duy nhất là hiệu chỉnh chuỗi phát và nhận RF tại trạm gốc [9].