Tối ưu hóa hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến đa người dùng MIMO và Massive MIMO

Khám phá luận văn thạc sĩ về tối ưu hóa hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến đa người dùng MIMO và Massive MIMO trong kỹ thuật viễn thông.

• Tác giả: Phạm Quốc Việt
• Người hướng dẫn: PGS. Hà Hoàng Kha
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Tối ưu hóa hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến MIMO và Massive MIMO
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tối ưu hóa hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến MIMO và Massive MIMO

Hệ thống thông tin vô tuyến MIMO và Massive MIMO đang trở thành xu hướng chủ đạo trong lĩnh vực viễn thông hiện đại. Đặc biệt, việc tối ưu hóa hiệu năng của các hệ thống này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất hệ thống mà còn tăng cường khả năng truyền tải dữ liệu, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng. Luận văn này sẽ tập trung vào các phương pháp tối ưu hóa, từ việc thiết kế bộ tiền mã hóa đến phân bổ công suất phát, nhằm cải thiện tín hiệu vô tuyến và khả năng truyền tải trong các mạng MIMO. Các giải pháp được đề xuất sẽ được phân tích và đánh giá dựa trên các mô hình thực nghiệm và lý thuyết, nhằm xác định mức độ hiệu quả của từng phương pháp.

1.1 Giới thiệu về công nghệ MIMO

Công nghệ MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) cho phép sử dụng nhiều anten để truyền và nhận tín hiệu, từ đó tăng cường tín hiệu vô tuyến và giảm thiểu can nhiễu. Mô hình MIMO không chỉ cải thiện hiệu suất phổ mà còn góp phần nâng cao hiệu suất năng lượng trong các hệ thống truyền thông. Việc áp dụng công nghệ MIMO trong các mạng HetNet (Mạng hỗn hợp) đã chỉ ra rằng, khả năng truyền tải dữ liệu có thể tăng gấp nhiều lần mà không cần mở rộng băng thông. Nghiên cứu cho thấy rằng, việc tối ưu hóa thiết kế anten và phương pháp truyền tải có thể giúp cải thiện đáng kể khả năng truy cập và tăng cường tín hiệu cho người dùng cuối.

1.2 Tối ưu hóa hiệu suất năng lượng trong hệ thống MIMO

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của hệ thống MIMO là sự phân bổ công suất phát cho từng anten. Luận văn này sẽ trình bày các phương pháp tối ưu hóa, bao gồm việc áp dụng giải thuật Dinkelbach và Block Coordinate Ascent (BCA) để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng trong mạng MIMO HetNet. Các nghiên cứu cho thấy rằng, việc áp dụng các giải pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất năng lượng mà còn giảm thiểu tiêu thụ năng lượng tổng thể của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, việc tối ưu hóa công suất phát có thể nâng cao khả năng truy cập và độ tin cậy của mạng, từ đó mang lại lợi ích cho cả nhà cung cấp dịch vụ và người dùng.

1.3 Tối ưu hóa tốc độ truyền tải trong hệ thống FD MIMO

Hệ thống FD MIMO (Full-Duplex MIMO) cho phép truyền và nhận tín hiệu đồng thời, từ đó gia tăng đáng kể tốc độ truyền tải. Luận văn sẽ nghiên cứu việc tối ưu hóa tổng tốc độ của hệ thống này thông qua việc áp dụng phương pháp Gradient Projection (GP). Phương pháp này cho phép tìm ra thiết kế tối ưu cho bài toán cực đại hóa hàm tổng tốc độ, giúp cải thiện hiệu suất phổ và tín hiệu vô tuyến. Kết quả cho thấy rằng, việc tối ưu hóa tốc độ không chỉ nâng cao trải nghiệm người dùng mà còn giảm thiểu độ trễ trong việc truyền tải dữ liệu. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh phát triển các ứng dụng yêu cầu băng thông cao và độ trễ thấp.

II. Phân bổ công suất phát trong mạng Massive MIMO

Mạng Massive MIMO với số lượng anten lớn có khả năng phục vụ nhiều người dùng đồng thời, từ đó tối ưu hóa hiệu suất phổ và tín hiệu vô tuyến. Luận văn sẽ trình bày cách phân bổ công suất phát cho nhiều người dùng trong mạng này nhằm tối ưu hóa sự công bằng theo tỷ lệ của hiệu suất phổ. Các giải thuật lặp dựa trên phương pháp trị riêng tổng quát và phương pháp GP được áp dụng để giải quyết bài toán tối ưu này. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, việc phân bổ công suất phát hợp lý có thể giúp nâng cao tín hiệu vô tuyến và cải thiện khả năng truy cập cho người dùng. Điều này không chỉ nâng cao trải nghiệm người dùng mà còn tối ưu hóa hiệu suất tổng thể của hệ thống.

2.1 Mô hình hệ thống và vấn đề thiết kế

Mô hình hệ thống trong mạng Cell-free Massive MIMO cho phép các anten được phân bố rộng rãi, giúp giảm thiểu can nhiễu và nâng cao hiệu suất năng lượng. Luận văn sẽ phân tích các vấn đề thiết kế liên quan đến việc huấn luyện và truyền dữ liệu, từ đó đề xuất các giải pháp tối ưu hóa công suất phát cho từng người dùng. Việc áp dụng quy tắc Armijo trong các thuật toán tối ưu hóa sẽ giúp đảm bảo tính hiệu quả và công bằng trong việc phân bổ tài nguyên mạng. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, việc tối ưu hóa thiết kế có thể giúp nâng cao khả năng truy cập và tín hiệu vô tuyến, từ đó cải thiện trải nghiệm người dùng trong các ứng dụng thực tế.

2.2 Kết quả mô phỏng và phân tích hiệu suất

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, việc tối ưu hóa công suất phát trong mạng Massive MIMO có thể cải thiện đáng kể hiệu suất phổ và tín hiệu vô tuyến. Các thông số mô phỏng được thiết lập dựa trên các tiêu chí thực tế, nhằm đánh giá tính hiệu quả của các giải pháp đề xuất. Phân tích hiệu suất cho thấy rằng, sự công bằng theo tỷ lệ trong việc phân bổ công suất phát không chỉ nâng cao khả năng truy cập mà còn tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của hệ thống. Điều này cho thấy rằng, các nghiên cứu trong luận văn có thể mang lại giá trị thực tiễn cao cho các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông trong việc triển khai các giải pháp mạng hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU • Mang hỗn hợp (HetNet, Heterogeneous Network): là một kỹ thuật được kỳ vọng sẽ cải thiện hiệu suất của các mạng vô tuyến trong tương lai, nhờ việc bố trí các cell nhỏ, chất lượng dịch vụ tới người dùng sẽ được nâng cao, giảm các vấn đề liên quan đến suy hao đường truyền và phân bổ công suất nên do đó giúp nâng cao hiểu quả sử dụng phổ. • Kỹ thuật truyền thông MIMO: Kỹ thuật MIMO đã được công nhận là kỹ thuật hiệu quả để nâng cao hiệu suất sử dụng phổ, gần hơn là mạng di động thế hệ thứ 5 (5G) khi MIMO mang lại độ phân tập cao, tăng độ tự do trong thiết kế để truyền tải nhiều dữ liệu hơn và phục vụ nhiều hơn thiết bị người dùng trong một nguồn tài nguyên phổ, qua đó giúp nâng cao hiệu suất phổ, SE. • Hiệu suất năng lượng: hiệu suất năng lượng là một chủ đề gần đây đang thu hút sự quan tâm và nghiên cứu cả trong học thuật và công nghiệp. Tối ưu hiệu suất năng lượng trong mạng MIMO HetNet đã là một vấn đề cần thiết trong hệ thống thông tin hiện đại, trong đó hệ thống kết hợp nâng cao hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng.

• Hệ thống Massive MIMO, trong đó một trạm BS có nhiều antennas đồng thời phục vụ nhiều người dùng trong cùng một tài nguyên tần số thời gian, được xem là công nghệ truy cập không dây 5G đầy hứa hẹn có thể cung cấp thông lượng, độ tin cậy và hiệu quả năng lượng cao mà chỉ sử dụng các phương pháp xử lý tín hiệu đơn giản [15],[16]. Các antennas của trạm BS có thể được cấu hình tập trung trong một đơn vị diện tích hoặc cấu hình phân bố rộng khắp vùng cần phủ sóng. Mặc dù cấu hình phân bố tập trung có ưu điểm về tiết kiệm năng lượng của mạng backhaul, cấu hình phân tán lại cho hiệu năng cao hơn [17]. • Sự phân bố tài nguyên đồng đều giữa các thiết bị người dùng là một vấn đề cần được quan tâm trong các mạng di động của tương lai.

Thực tế, trạm gốc thường có xu hướng phục vụ chỉ những thiết bị người dùng có thông tin trạng thái kênh truyền tốt và bỏ qua những thiết bị có trạng thái kênh truyền xấu hơn. Điều này dẫn đến việc một số MS sẽ không được phục vụ trong mạng. Do đó, chất lượng dịch vụ tại những thiết bị người dùng này là một vấn đề đáng được quan tâm để mạng điện thoại trong tương lai đạt được sự đồng nhất về chất lượng dịch vụ. Vậy nên, mục tiêu của luận văn là kết hợp các kỹ thuật tiên tiến như kỹ thuật MIMO, vấn đề tối ưu hiệu suất phổ và hiệu suất năng lượng, và Massive MIMO để đạt được mục tiêu nâng cao hiệu năng sử dụng phổ tần và năng lượng.

Luận văn này hướng đến việc thiết kế một hệ thống thông tin vô tuyến trong tương lai khi chúng phải đáp ứng nhu cầu lưu lượng và năng lượng cho kết nối này càng gia tăng về số lượng, chất lượng, sự thuận tiện và mức độ thông minh. MỞ ĐẦU Từ những định hướng trên, luận văn được đặt tên: “TỐI ƯU HÓA HIỆU NĂNG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN ĐA NGƯỜI DÙNG MIMO VÀ MAS- SIVE MIMO.3 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn Dựa trên các định hướng nêu trên, luận văn được dự kiến sẽ đạt được các kiến thức và kết quả sau: • Nghiên cứu tổng quan về hệ thống thông tin di động đa người dùng MIMO và Massive MIMO. • Mô hình toán, phân tích và phát triển giải thuật tối ưu hóa hiệu năng (hiệu suất phổ, hiệu suất năng lượng) trong hệ thống MIMO đa người. Mô phỏng đánh giá thiết kế đưa ra so sánh hiệu suất của hệ thống với các thiết lập mô phỏng khác nhau.

• Mô hình toán, phân tích và phát triển giải thuật tối ưu hiệu suất phổ trong hệ thống massive MIMO. Mô phỏng đánh giá thiết kế đưa ra so sánh hiệu suất của hệ thống với các thiết lập mô phỏng khác nhau.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận văn này gồm có: • Hệ thống MIMO và vấn đề tối ưu hóa hiệu suất phổ khi thiết kế ma trận tiền mã hóa của bộ phát. • Hệ thống MIMO HetNet và vấn đề tối ưu hóa hiệu suất năng lượng khi thiết kế ma trận tiền mã hóa của bộ phát. • Hệ thống Cell-free Massive MIMO và vấn đề tối ưu sự công bằng theo tỷ lệ của hiệu suất phổ khi phân bổ công suất phát cho các thiết bị người dùng và thiết kế các hệ số thu để nâng cao hiệu năng của mạng.2 Phạm vi nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu về 2 vấn đề chính, đó là thiết kế các bộ tiền xử lý cho bộ phát trong mô hình MIMO (MIMO đơn cell, MIMO HetNet đa cell) và phân bổ công suất trong hệ Massive MIMO.

Trong đó, các nghiên cứu được giới hạn trong phạm vi sau: 9 1. MỞ ĐẦU • Với hệ thống MIMO, luận văn giả sử các điều kiện hoàn hảo của phần cứng thu- phát, kỹ thuật loại bỏ can nhiễu. Trạng thái thông tin kênh truyền (CSI) đã được biết tại trung tâm xử lý, và độ lợi kênh không đổi trong quá trình thực hiện thiết kế các ma trận tiền mã hóa của hệ thống. • Với hệ thống Massive MIMO, các điểm truy cập chỉ sử dụng đặc tính thống kê để ước lượng kênh truyền.

Việc trao đổi thông tin giữa các điểm truy cập và trung tâm xử lý được thực hiện thông qua một mạng backhaul hoàn hảo, bỏ qua sự tiêu hao năng lượng. • Các giải thuật thiết kế trong luận văn được giả sử sẽ được thực hiện ở trung tâm xử lý sau đó kết quả được phát quảng bá cho các bộ phát.5 Phương pháp nghiên cứu Các phương pháp nghiên cứu trong luận văn này được kế thừa từ các công trình nghiên cứu trước đây. Các công trình liên quan sẽ được trích dẫn, khảo sát, phân tích, tổng hợp, và đánh giá ưu nhược điểm. Từ các phân tích này, các biện pháp khắc phục nhược điểm, phát huy ưu điểm, và hướng giải quyết dựa trên đặc tính kỹ thuật của các hệ thống sẽ được đề xuất.

Do chi phí để xây dựng các hệ thống trong thực tế là rất lớn, vậy nên việc nghiên cứu sẽ chỉ dừng lại ở mức khảo sát tính hiệu quả của các giải thuật được phát triển thông qua mô phỏng bằng chương trình máy tính và lấy kết quả trong các trường hợp cụ thể. Phương pháp nghiên cứu được trình bày qua các bước sau: • Thu thập các tài liệu và công trình nghiên cứu liên quan đến các vấn đề quan tâm, như hiệu suất phổ và năng lượng trong mạng MIMO và Massive MIMO từ các cơ sở dữ liệu có độ tin cậy cao như Ieeexplore, Springer, Willey, và Scholar. • Tổng kết các nội dung đã được thực hiện thành một chuỗi các công trình có tính liên quan về hệ thống MIMO, MIMO HetNet, và Massive MIMO. • Dựa trên các công trình nghiên cứu trước đó, xây dựng mô hình MIMO, MIMO HetNet, và Massive MIMO.

• Tiến hành phân tích tín hiệu, xây dựng bài toán tối ưu hiệu suất phổ (SE), hiệu suật năng lượng (EE), và sự công bằng theo tỷ lệ (PF) của hiệu suất phổ cho các mô hình đã phát triển. Sau đó đưa ra lời giải và giải thuật cho các vấn đề này. • Viết chương trình mô phỏng các giải thuật đã phát triển, chạy mô phỏng, và thu thập số liệu trên MATLAB. MỞ ĐẦU • Phân tích các kết quả mô phỏng thu được.

Đồng thời nhận xét về hiệu quả của các giải thuật đã phát triển. • Viết báo cáo về quy trình, các phân tích kết quả, đưa ra các kết luận và hướng phát triển cho tương lai.6 Bố cục của luận văn Luận văn này sẽ được trình bày thành các chương liên hệ mạch lạc với nhau để người đọc có thể dễ dàng xem xét và nắm bắt vấn đề cũng như tạo sự mạch lạc và logic. Cụ thể, bố cục của luận văn được chia thành các phần như sau: • Chương 1 mở đầu cho quyển luận văn thông qua việc đặt các vấn đề nghiên cứu, nêu lên lý do chọn đề tài, phạm vi và đối tượng nghiên cứu, nhiệm vụ luận văn và các bài báo đã hoàn thành trong quá trình làm luận văn. • Chương 2 trình bày tóm lược về các vấn đề nghiên cứu và cung cấp các lý thuyết cơ bản của toán tối ưu được sử dụng trong các chương tiếp theo.

• Chương 3 trình bày thiết kế các bộ tiền mã hoá để tối ưu hiệu suất năng lượng của hệ thống đường lên MIMO HetNet. • Chương 4 trình bày thiết kế các bộ tiền mã hóa để tối ưu hiệu suất phổ của hệ thống MIMO hoạt động song công. • Chương 5 trình bày việc phân bố công suất để tối ưu hóa tỷ lệ cân bằng của hệ thống đường lên trong mạng Cell-free Massive MIMO. • Chương 6 tóm tắt lại kết quả nghiên cứu đồng thời đề xuất các hướng bổ sung, phát triển đề tài.

Ký hiệu toán học: Chữ in đậm viết in và viết thường lần lượt biểu thị các ma trận và các vector cột.)H là viết tắt của liên hợp, chuyển vị, và chuyển bị liên hợp phức. Norm Euclide và toán tử kỳ vọng được ký hiệu lần lượt là k. và tương ứng là phép nhân và phép chia Hadamard. Cuối cùng, c ∼ CN (0, σ 2 ) biểu thị một biến ngẫu nhiên Gaussian phức đối xứng tròn (RV) c với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai σ 2 và r ∼ N (0, σ 2 ) biểu thị Gaussian RV r có giá trị thực.7 Các bài báo đã hoàn thành trong luận văn Bài báo đã được đăng hội nghị quốc tế IEEE: 11 1.

Quyet, “Energy Efficiency Maximization with Per-Antenna Power Constraints for Heterogeneous Networks”, the 2019 International Symposium on Electrical and Electronics Engineering (ISEE) Conference, Oct. Que, “ “Sum Rate Maximization for Full Duplex Multiuser MIMO Systems by Gradient Projection Approach”, the 2019 International Symposium on Electrical and Electronics Engineering (ISEE) Conference, Oct. Bài báo đã nộp tạp chí quốc tế ISI và đang chờ kết quả: • Viet Q. Kha, “On the Uplink Proportional Fairness of Spectral Efficiency in Cell-Free Massive MIMO Systems”, International Journal of Commu- nication Systems, Dec.

12 Chương 2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN Chương này trình bày các lý thuyết và khái niệm cơ bản về kỹ thuật thông tin vô tuyến và toán tối ưu.