ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

MAI QUANG TRUNG

KỸ THUẬT PILOT ĐƯỜNG XUỐNG TRONG

HỆ THỐNG MASSIVE MIMO

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Năm 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

MAI QUANG TRUNG

KỸ THUẬT PILOT ĐƯỜNG XUỐNG TRONG

HỆ THỐNG MASSIVE MIMO

Ngành: Công nghệ Điện tử — Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60 52 02 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRỊNH ANH VŨ

Năm 2015

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan các kết quả nghiên cứu đƣa ra trong luận án này dựa trên các

kết quả thu đƣơc trong quá trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép bất kỳ

kết quả nghiên cứu nào của các tác giả khác. Nội dung của luận án có tham khảo

và sử dụng một số thông tin, tài liệu từ các nguồn sách, tạp chí, bài báo khoa học

đƣơc liệt kê trong danh mục các tài liệu tham khảo.

Hà Nội, ngày tháng 07 năm 2015

Tác giả luận văn

Mai Quang Trung

2

Mục lục

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 1

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... 3

DANH MỤC CAC HINH VE ............................................................................... 5

MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 6

CHƢƠNG I. TỔNG QUAN KỸ THUẬT MASSIVE MIMO CHO THÔNG

TIN DI ĐỘNG. ..................................................................................................... 7

1.1. Khái niệm Massive MIMO ........................................................................ 7

1.2. Tiềm năng của Massive MIMO ............................................................... 10

1.3. Các yếu tố hạn chế của MIMO lớn .......... Error! Bookmark not defined.

1.3.1 Kênh thuận nghịch. ............................ Error! Bookmark not defined.

1.3.2 Sự lan truyền sóng vô tuyến và bộ đáp ứng kênh trực giao.Error! Bookmark not defined.

1.4. Các vấn đề tiếp tục nghiên cứu. ............... Error! Bookmark not defined.

1.5. Tóm tắt chƣơng ........................................ Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG II. MASSIVE MIMO KẾT HỢP PILOT ĐƢỜNG XUỐNGError! Bookmark not defined.

2.1. Đặt vấn đề................................................. Error! Bookmark not defined.

2.2. Mô hình hệ thống ..................................... Error! Bookmark not defined.

2.2.1. Ƣớc lƣợng kênh theo Pilot đƣờng lênError! Bookmark not defined.

2.2.2. Phƣơng trình tín hiệu đƣờng xuống .. Error! Bookmark not defined.

2.2.3. Tạo pilot-beamforming. .................... Error! Bookmark not defined.

2.3. Dung năng đƣờng xuống đạt đƣợc ........... Error! Bookmark not defined.

2.3.1. Phát theo tỷ số cực đại (MRT). ......... Error! Bookmark not defined.

2.3.2. Phát theo cƣỡng bức về không (Zero-Forceing).Error! Bookmark not defined.

2.4. Một số kết quả .......................................... Error! Bookmark not defined.

2.5. Tóm tắt chƣơng ........................................ Error! Bookmark not defined.

CHƢƠNG 3. MÔ PHỎNG ............................... Error! Bookmark not defined.

3.1 Sơ đồ mô phỏng ........................................ Error! Bookmark not defined.

3.2 Chƣơng trình Matlab: ................................ Error! Bookmark not defined.

3.3 Kết quả mô phỏng ..................................... Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN ......................................................... Error! Bookmark not defined.

Tài liệu tham khảo ............................................................................................... 11

3

DANH MỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

AWGN Additive white Gaussian

noise Tạp âm trắng chuẩn cộng tính

BER Bit error rate Tỉ số giữa bit lỗi trên số bit phát

đi BPSK Binary phase shift keying Điều chế pha nhị phân

BS Base station Trạm cơ sở

CDF Cumulative density function Hàm mật độ tính lũy

CSI Channel state information Thông tin trạng thái kênh

FDD Frequency division duplex Song công phân chia theo tần số

FDMA Frequency division multiple

access Đa truy cập theo tần số

IID Independent and identically

distributed Phân phối xác định và độc lập

LMS Least mean square Trung bình bình phƣơng nhỏ nhất

LS Least square Bình phƣơng nhỏ nhất

LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn

MF Matched Filter Bộ lọc phù hợp

MIMO Multiple input multiple

output Nhiều đầu vào và nhiều đâu ra

MMSE Minimum mean square error Trung bình bình phƣơng lỗi tối

thiểu

MRC Maximum ratio combining Kết hợp tỷ lệ tối đa

MRT Maximum ratio

transmission Phát tỷ số cực đại

MS Mobile station Trạm di động

4

MSE Mean square error Trung bình bình phƣơng lỗi

MU-MIMO Multi-user MIMO Đa ngƣời dùng MIMO

NLOS Non line-of-sight Tầm nhìn không thẳng

NOP Near optimal Gần tối ƣu

OFDM Orthogonal Frequency

division multiple Đa truy cập phân tần trực giao

Pilot- beamforming Tạo búp hoa tiêu

PCS Personal communications

service Dịch vụ thông tin liên lạc cá nhân

PSK Phase shift keying Điều chế khóa dịch pha

QAM Quadrature amplitude

modulation Điều chế biên độ vuông góc

QPSK Quadature phase shift

keying Điều chế pha trực giao

RF Radio Frequency Tần số vô tuyến

Rx Receiver Máy thu sóng

SIR Signal to interference radio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SNR Signal to noise radio Tỉ số cƣờng độ tín hiệu so với

nhiễu

TDD Time division duplex Song công phân chia theo thời

gian

TDMA Time division multiple

access Đa truy cập theo thời gian

Tx Tranmitter Máy phát sóng

ZF Zero – Forcing Cƣỡng bức về không

5

DANH MỤC CAC HINH VE

HINH NÔI DUNG

Hình 1.1 Mô hinh hệ thống có 3 anten phục vụ và 2 ngƣời dùng di động

Hình 1.2 Cấu hình ăng-ten và triển khai cho các trạm cơ sở MIMO lớn.

Hình 1.3 Hiệu quả quang phổ đƣờng lên

Hình 1.4 Mô hình diễn tả ô nhiễm pilot

Hình 1.5 Mức tổng đƣờng xuống đƣợc khi sử dụng mã trƣớc MRT giữa

thiết bị đầu cuối và anten trạm cơ sở

Hình 2.1 Mô hình hệ thống Massive MU-MIMO đƣờng xuống

Hình 2.2 Hiệu quả phổ so với SNR cho thiết lập nhiều ngƣời dùng

Hình 2.3 Hiệu quả phổ so với khoảng kết hợp cho mã trƣớc MRT và ZF

Hình 3.1 Sơ đồ mô hình mô phỏng

Hình 3.2 Trạm cơ sở phát QAM qua ma trận mã trƣớc đến các thiết bị đầu

cuôi

Hình 3.3 Mô phỏng hệ thống 3x4

Hình 3.4 Mô phỏng hệ thống 3x10

Hình 3.5 Mô phỏng hệ thống 3x20

6

MỞ ĐẦU

Trƣớc nhu cầu phát triển ngày càng tăng của các dịch vụ thông tin di động, kỹ

thuật truyền tin trong lĩnh vực này cũng đang đƣợc các nhà khoa học tập trung

nghiên cứu mạnh mẽ trong điều kiện băng tần hạn chế ở mọi quốc gia.

Nếu nhƣ ở các thế hệ di động từ 1G đến 3G các tài nguyên trên miền thời gian

và tần số đã đƣợc khai thác sử dụng khá triệt để thì các thế hệ phát triển tiếp

theo 4G và 5G miền không gian đang đƣợc nghiên cứu phát triển cũng nhằm

khai thác tối đa hiệu quả sử dụng của nó thông qua kỹ thuật MIMO (Multiple

input- Multiple output).

Luận văn trình bày những nguyên tắc cơ bản của hệ thống Massive MIMO (còn

gọi mà MIMO tập lớn, đƣợc nhắm đến cho thế hệ truyền tin di động 5G) cùng

những triển vọng và lợi ích to lớn của nó. Phần xem xét tập trung hơn là

Massive MIMO có bổ sung Pilot (là tín hiệu biết trƣớc để giúp cho việc xác định

đáp ứng kênh trong khoảng thời gian kết hợp) đƣờng xuống nhằm cải thiện hiệu

quả lỗi cùng phần minh chứng bằng một số kịch bản mô phỏng.

7

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN KỸ THUẬT MASSIVE MIMO CHO THÔNG

TIN DI ĐỘNG

1.1. Khái niệm Massive MIMO

Hệ thống thông tin MIMO (viết tắt của cụm từ Multiple Input – Multiple

Output) trong lĩnh vực vô tuyến là truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều

anten ở máy phát và ở máy thu nhằm tận dụng chiều không gian để cải thiện tốc

độ và chất lƣợng truyền thông tin.

Khi vận dụng hệ thống này cho đa ngƣời dùng trong thông tin tế bào, tức là một

phía nhiều anten tập trung ở trạm cơ sở, một phía là nhiều ngƣời dùng có anten

đơn, có lợi thế lớn so với hệ thống MIMO điểm-điểm thông thƣờng ở chỗ:

ngƣời dùng hoạt động với anten giá rẻ, không cần môi trƣờng có nhiều tán xạ,

và phân bổ nguồn lực đƣợc đơn giản hóa, vì mỗi thiết bị đầu cuối tích cực sử

dụng tất cả các khe thời gian-tần số.

Tuy nhiên, MIMO đa ngƣời dùng, với sự bằng nhau giữa số anten phục vụ tại

trạm cơ sở và số thiết bị đầu cuối kết hợp song công theo phân chia tần số,

không phải là một công nghệ có khả năng phát triển vì sự phức tạp của hệ thống

xử lý tín hiệu.

Theo tài liệu [2] của các tác giả Erik G. Larsson, Ove Edfors, Fredrik

Tufvesson, Thomas L.Marzetta, chúng ta sẽ giới thiệu lại đôi nét về công nghệ

Massive MIMO đƣợc nêu trong bài báo này.

Massive MIMO (còn đƣợc gọi là MIMO tập hợp lớn) là bƣớc đột phá hiện nay

khi sử dụng một lượng lớn anten phục vụ tại trạm cơ sở với số thiết bị đầu cuối

kết hợp với kỹ thuật song công theo thời gian. Những anten bổ sung dƣ ở trạm

cơ sở giúp tập trung năng lƣợng vào vùng nhỏ hơn của không gian, mang lại

những cải tiến rất lớn về dung lƣợng và tiết kiệm năng lƣợng bức xạ.

Để có sự hình dung đơn giản về hệ thống này ta đƣa ra 1 ví dụ nhƣ sau:

8

Trạm cơ sở có M=3 anten phục vụ, K=2 ngƣời dùng di động (Hình 1.1) và giả

sử trạm cơ sở biết đƣợc ma trận kênh H: trong đó các hàng của ma trận là kênh

giữa anten các anten phục vụ với từng máy di động.

Hình 1.1. Mô hinh hệ thống có 3 anten phục vụ và 2 người dùng di động

Ma trận kênh:

bhbhbh

ahahahH

321

321 H=(KxM) (1.1)

Từ ma trận kênh, trạm cơ sở tính ma trận nghịch đảo là ma trận G sao cho:

10

01

3231

2221

1211

321

321

gg

gg

gg

bhbhbh

ahahahHG (1.2)

Ở đây G đóng vai trò nhƣ ma trận giả nghịch đảo của H (G=H-1

) rồi thực hiện

mã trước 2 dòng dữ liệu nhắm đến 2 máy di động (tức là nhân với G=H-1

) sau đó

mới phát ra 3 anten T1, T2, T3:

1

11 12 11 12 13 .. 11 2 3 ..

21 22 21 22 23 .. 21 2 3 ..

31 32 31 32 33 .. 3

g g c c c Tda da da

H D g g C c c c Tdb db db

g g c c c T

(1.3)

Sau khi đi qua kênh xuôi tín hiệu này lại đƣợc nhân với ma trận kênh H, nên

cuối cùng các ngƣời dùng sẽ nhận đƣợc dữ liệu của mình:

1

11 12 13 ..1 2 3 1 2 3 ..

. . 21 22 23 ..1 2 3 1 2 3 ..

31 32 33 ..

c c ch a h a h a da da da A

HC H H D c c c D h b h b h b db db db B

c c c

(1.4)

9

Điểm then chốt trong hệ thống trên khi phát triển là số anten ở trạm cơ sở M sẽ

lớn hơn rất nhiều số ngƣời dùng di động (M>>K). Điều này sẽ dẫn đến:

- Ma trận kênh phải đƣợc xác định từ các pilot phát từ các máy di động trên

kênh ngược. Vì các pilot là các tín hiệu trực giao đôi một nên nếu để phát

từ M anten trạm cơ sở sẽ dùng hết thời gian trong thời gian kết hợp kênh.

- Ma trận kênh xác định từ các pilot trên kênh ngƣợc đƣợc sử dụng luôn

trong chiều kênh xuôi thì tức là kênh có tính thuận nghịch, điều này chỉ có

thể khi thực hiện liên lạc song công trong miền thời gian (TDD).

Đặc điểm M>>K đƣợc thể hiện ngay cả khi ma trận kênh ƣớc lƣợng từ pilot

H ≠H (do có tạp âm nhiệt tham gia vào tín hiệu). Điều này dựa trên giới hạn [6]:

/K

ˆ ˆlim (1/ M).HHH

KM

I

(1.5)

Do tính chất của các vecto ngẫu nhiên độc lập dài, dẫn đến dung lƣợng dự kiến

trong Massive MIMO phụ thuộc vào việc cung cấp các đƣờng truyền tiệm cận

trực giao giữa các thiết bị đầu cuối (1.5). Các thí nghiệm kiểm chứng điều này

cho đến nay đã không phát hiện bất kỳ hạn chế nào trong tính chất này.

Bên cạnh việc Massive MIMO đem lại nhiều hiệu ứng không giống với truyền

thống, kỹ thuật này còn phát hiện ra những vấn đề hoàn toàn mới rất cần chú ý

nhƣ: Nhiều thành phần có độ chính xác thấp giá rẻ có thể phối hợp làm việc hiệu

quả với nhau; Cách thu nạp và đồng bộ một thiết bị đầu cuối mới tham gia; Khai

thác bậc tự do bổ sung đƣợc cung cấp bởi sự dƣ thừa anten phục vụ; Giảm năng

lƣợng tiêu thụ nội tại để đạt đƣợc đạt hiệu quả năng lƣợng tổng cộng, và cách

tìm kiếm các kịch bản triển khai kỹ thuật mới này trong điều kiện hiện nay.

Với Massive MIMO, ta coi rằng hệ thống sử dụng mảng anten với vài trăm

anten phục vụ đồng thời vài chục thiết bị đầu cuối trong cùng tài nguyên thời

gian-tần số. Nhìn chung, Massive MIMO tạo khả năng phát triển mạng băng

thông rộng tƣơng lai (cố định và di động), với hiệu quả về năng lƣợng, về phổ,

an toàn và mạnh mẽ.

10

Tính mềm dẻo trong Massive MIMO còn thể hiện trong nhiều cấu hình và kịch

bản cho phép triển khai mảng anten (hình 1.2). Mỗi đơn vị anten nhỏ và tích

cực, nuôi qua một đƣờng dẫn quang kỹ thuật số hoặc điện.

Hình 1.2. Một số cấu hình và kịch bản triển khai cho các anten trạm cơ sở của

Massive MIMO.[2]

1.2. Tiềm năng của Massive MIMO

Công nghệ Massive MIMO dựa trên sự đồng pha và tính toán xử lý rất đơn giản

các tín hiệu từ tất cả các anten ở trạm cơ sở. Một số lợi ích cụ thể của hệ thống

Massive MU-MIMO là:

Massive MIMO có thể tăng dung lượng (tốc độ) gấp 10 lần hoặc nhiều

hơn và đồng thời nâng cao hiệu quả bức xạ năng lượng cỡ 100 lần.

Sự tăng dung lƣợng do kết quả ghép kênh không gian sử dụng trong Massive

MIMO. Điều này dễ thấy từ mô hình ví dụ: Mã trƣớc dƣờng nhƣ đã tạo nên các

búp (beamforming) song song từ trạm cơ sở đến các máy di động dùng cùng

11

Tài liệu tham khảo

Tiếng Việt

[1]. Bài giảng Thông tin di động, Thông tin số của Trịnh Anh Vũ;

Tiếng Anh

[2]. Erik G. Larsson, Ove Edfors, Fredrik Tufvesson, Thomas L.Marzetta

Massive MIMO for Next Generation Wireless Systems, IEEE Communications

Magazine, February 2014;

[3] Hien Quoc Ngo, Erik G. Larsson, Thomas Marzetta,Massive MU-MIMO

Downlink TDD Systems with Linear Precoding and Downlink Pilots, Fifty-first

Annual Allerton Conference, Allerton House, UIUC, Illinois, USA ,October 2 -

3, 2013;

[4] Robert W. Heath, What is the Role of MIMO in Future Cellular Networks:

Massive? Coordinated? mmWave?, the University of Texas at Austin, 2013;

[5] S. M. Kay, Fundamentals of Statistical Signal Processing: Estimation

Theory. Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1993;

[6] Thomas L. Marzetta, How much training is required for multiuser MIMO?

Bell Laboratories, Lucent Technologies, Murray Hill, 2006.