intTypePromotion=1
ADSENSE

Hiệu quả sử dụng năng lượng của đường xuống trong hệ thống thông tin MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc

Chia sẻ: Wang Ziyi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

9
lượt xem
0
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết đề xuất một phương pháp mới để phân tích hiệu quả sử dụng năng lượng đường xuống của mạng thông tin MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc và với nhiều cell hoạt động trên cùng băng tần. Dựa trên kết quả mô phỏng số tương ứng, chúng tôi cũng thu được những nhận xét thú vị về ảnh hưởng của một số tham số hệ thống lên hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Hiệu quả sử dụng năng lượng của đường xuống trong hệ thống thông tin MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc

  1. Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hiệu quả sử dụng năng lượng của đường xuống trong hệ thống thông tin MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc Lương Đức Bằng∗§ , Nguyễn Thị Thanh Hương†§ và Trương Trung Kiên‡§ ∗ Trung tâm Nghiên cứu Kỹ thuật Thông tin Vô tuyến, Viện Khoa học Kỹ thuật Bưu điện † Bộ môn Marketing, Viện Kinh tế Bưu điện ‡ Khoa Kỹ thuật Điện tử I § Phòng thí nghiệm Hệ thống Vô tuyến và Ứng dụng Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, 122 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội, Việt Nam Email: ducbang.dtvt.k52@gmail.com, huongntt@ptit.edu.vn, kientruong@utexas.edu Tóm tắt—Hệ thống thông tin nhiều đầu vào nhiều đầu huy hết khả năng của công nghệ MIMO thông qua việc ra (MIMO - Multiple-Input Multiple-Output) với rất nhiều triển khai hàng trăm ăngten ở từng trạm gốc và sử dụng ăngten ở trạm gốc là một công nghệ ứng cử cho mạng truyền dẫn MIMO đa người dùng (MU-MIMO) để phục thông tin di động thế hệ 5 (5G). Ý tưởng của hệ thống vụ đồng thời hàng chục người dùng [2]. Các bài báo này là sử dụng hợp lý các ăngten ở trạm gốc để truyền dữ liệu độc lập đồng thời tới nhiều thuê bao. Các bài báo trước đây khi nghiên cứu các hệ thống thông tin MIMO trước đây khi nghiên cứu hệ thống này thường tập trung với rất nhiều ăngten ở trạm gốc thường tập trung vào vào hoặc khả năng cải thiện tổng dung lượng truyền tin hoặc khả năng cải thiện tổng dung lượng truyền tin với với một công suất tiêu thụ cố định hoặc khả năng giảm một công suất tiêu thụ cố định [2]–[4] hoặc khả năng công suất tiêu thụ những vẫn đảm bảo tổng dung lượng giảm công suất tiêu thụ những vẫn đảm bảo tổng dung truyền tin cho trước. Một số ít bài báo nghiên cứu hiệu lượng truyền tin cho trước [5]. Trong thực tế, một cách quả sử dụng năng lượng của hệ thống này nhưng chủ yếu cho mô hình đơn cell, do đó bỏ qua một số tính chất quan tiếp cận để dung hoà hai mục tiêu thiết kế có phần mâu trọng của hệ thống như nhiễu tín hiệu hoa tiêu. Trong thuẫn nhau này là tối đa hoá tỷ số hiệu quả sử dụng bài báo này, chúng tôi đề xuất một phương pháp mới để năng lượng của hệ thống. Theo định nghĩa, hiệu quả sử phân tích hiệu quả sử dụng năng lượng đường xuống của dụng năng lượng của một hệ thống thông tin là tỷ số mạng thông tin MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc giữa tổng dung lượng thông tin được truyền đi trên tổng và với nhiều cell hoạt động trên cùng băng tần. Dựa trên công suất tiêu thụ tương ứng. kết quả mô phỏng số tương ứng, chúng tôi cũng thu được Trong khả năng hiểu biết của chúng tôi, đến nay có những nhận xét thú vị về ảnh hưởng của một số tham số hệ thống lên hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống. khá ít bài báo đã nghiên cứu hiệu quả sử dụng năng Từ khóa—Hiệu quả sử dụng năng lượng, hệ thống lượng của hệ thống thông tin MIMO với rất nhiều ăngten MIMO với rất nhiều ăng-ten ở trạm gốc, mạng thông tin ở trạm gốc [6]–[9]. Bài báo [6] so sánh hiệu quả sử dụng di động thế hệ 5 (5G), hệ thống thông tin "xanh". hiệu quả năng lượng giữa hệ thống MIMO với nhiều ăngten ở trạm gốc và hệ thống sử dụng cell cỡ nhỏ. Tuy I. GIỚI THIỆU nhiên, bài báo này mới chỉ tính đến công suất tiêu thụ Mặc dù đã tích hợp công nghệ thông tin nhiều đầu vào liên quan đến bức xạ tín hiệu. Bài báo [7] đề xuất một nhiều đầu ra (MIMO - Multiple-Input Multiple-Output), mô hình công suất tiêu thụ mới không chỉ bao gồm công các hệ thống di động tế bào hiện nay vẫn chưa đạt được suất phát trên bộ khếch đại công suất mà còn là công mức tốc độ cao mà công nghệ này hứa hẹn do mới suất tiêu thụ mạch bởi các thành phần của trạm BSs xem xét các cấu hình MIMO nhỏ [1]. Ví dụ trong hệ (Base Stations) và bởi các thiết bị tương tự. Từ mô hình thống 4G LTE/LTE-Advanced, mỗi trạm gốc có tối đa 8 mới đưa ra được công thức tính hiệu quả năng lượng, ăngten trong khi thiết bị người dùng có tối đa 4 ăngten. sau đó xác định được số ăng-ten cần thiết để mang lại Hệ thống thông tin MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm hiệu quả năng lượng cho hệ thống MIMO cỡ rất lớn. gốc là một kỹ thuật thông tin đột phá mới hứa hẹn phát Tuy nhiên, mô hình công suất tiêu thụ sử dụng trong ISBN: 978-604-67-0635-9 11
  2. Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) bài báo [7] khá đơn giản và chưa phản ánh được các Nt  U . Hệ thống mạng hoạt động ở chế độ TDD đặc trưng riêng của truyền dẫn MIMO đa người dùng. trong đó tất cả các cell dùng chung một băng tần có độ Các bài báo [8], [9] đề xuất một mô hình công suất tiêu rộng B Hz. Có nghĩa là tín hiệu đường lên và đường thụ thực tế hơn và có khả năng phản ánh cơ chế xử lý xuống được truyền trên toàn bộ băng tần tại những thời tín hiệu và truyền dẫn MIMO đa người dùng để nghiên điểm khác nhau. Chúng tôi giả thiết rằng tất cả các trạm cứu hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống MIMO gốc và thiết bị người dùng được đồng bộ cả về thời gian đơn cell với nhiều ăngten ở trạm gốc. Việc xem xét chỉ và về tần số. Bên cạnh đó, chúng tôi giả thiết rằng các một cell duy nhất bỏ qua một số tính chất quan trọng khoảng bảo vệ ở miền tần số được bỏ qua. của hệ thống này như nhiễu tín hiệu hoa tiêu và nhiễu Ký hiệu BC (Hz) là độ rộng băng thông kết hợp và liên cell khi truyền dữ liệu. TC (giây) là thời gian kết hợp của kênh truyền giữa trạm Trong bài báo này, chúng tôi xem xét hệ thống thông gốc và thiết bị người dùng. Chúng tôi giả thiết mô hình tin MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc và với nhiều kênh pha đinh khối cận tĩnh trong đó các hệ số kênh cell hoạt động trên cùng một băng tần. Chúng tôi giả truyền được coi như không thay đổi trong mỗi khối tài thiết hệ thống này hoạt động ở chế độ song công phân nguyên thời gian-tần số có kích thước τt = BC TC lần sử chia theo thời gian (TDD - Time Division Duplexing) dụng kênh. Chúng tôi cũng giả thiết một khung truyền trong đó trạm gốc ước lượng các hệ số kênh truyền dựa dẫn ứng với một khối tài nguyên thời gian-tần số. Ký trên tín hiệu hoa tiêu ở đường lên. Chúng tôi giả thiết hiệu hbcu ∈ CNt ×1 là vector hệ số kênh truyền đường trạm gốc sử dụng mã trước truyền tỷ số cực đại (MRT - lên từ thuê bao u ∈ Uc tới trạm gốc b ∈ C. Chúng tôi giả Maximal Ratio Transmission) để truyền dữ liệu ở đường thiết mô hình kênh truyền không tương quan về không xuống. Đóng góp chính của chúng tôi trong bài báo này gian. Cụ thể, hbcu được biểu diễn bởi [2], [3] là đề xuất một phương pháp mới để phân tích hiệu quả 1/2 sử dụng năng lượng của hệ thống trên bằng cách sử hbcu =βbcu gbcu (1) dụng các tiếp cận tìm giá trị tất định tương đương và trong đó gbcu ∈ CNt ×1 là vector hệ số kênh truyền môt mô hình công suất tiêu thụ được sửa đổi từ mô hình pha đinh nhanh và βbcu là giá trị tất định biểu diễn đề xuất trong các bài báo [8], [9]. Kết quả phân tích cho hệ số kênh truyền pha đinh phạm vi lớn bao gồm ra một giá trị xấp xỉ của hiệu quả sử dụng năng lượng các hiệu ứng như suy hao đường truyền, che khuất và của hệ thống dưới dạng một hàm số của một số tham suy hao xuyên tường. Chúng tôi giả thiết rằng các hệ số hệ thống như hệ số pha đinh phạm vi lớn, số ăngten số của gbcu là độc lập thống kê và cùng tuân theo ở trạm gốc, số thuê bao trong mỗi cell, công suất tiêu phân bố chuẩn, tức là gbcu ∼ CN (0, INt ). Chúng tôi thụ của mỗi phần tử trong mạng. Kết quả mô phỏng số cũng giả thiết kênh đường lên và kênh đường xuống cho phép chúng tôi có một số nhận xét quan trọng về có tính chất đảo nhau (reciprocity) hoàn hảo. Để tiện ảnh hưởng của các tham số hệ thống lên hiệu quả sử cho việc viết các biểu thức toán học, chúng tôi giả dụng năng lượng của hệ thống. Ví dụ, khi cố định số thiết h∗bcu ∈ C1×Nt là vector hệ số kênh truyền đường thuê bao trong một cell, tồn tại một giá trị số ăngten xuống từ trạm gốc b ∈ C tới thuê bao u ∈ Uc . Ký hiệu trên trạm gốc tối ưu. Đáng chú ý là giá trị tối ưu này Hbc = [hbc1 hbc2 · · · hbcU ] ∈ CNt ×U là ma trận kênh nằm trong giới hạn cho phép của các công nghệ chế tạo tổng hợp từ tất cả các thuê bao trong cell c ∈ C tới trạm ăngten hiện nay. Bên cạnh đó, khi cố định số ăngten gốc b ∈ C. trên trạm gốc, tăng số thuê bao trong một cell có thể góp phần làm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Trong hệ thống này, chúng tôi giả thiết rằng thiết bị người dùng chỉ có thông tin trạng thái kênh thống kê của II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG kênh truyền giữa thiết bị đó và trạm gốc trong cùng cell. Xét một mạng tế bào với C cell, hay ô tế bào. Mỗi Các trạm gốc phải ước lượng các hệ số kênh truyền tức cell có một trạm gốc với Nt ăngten để phục vụ đồng thời thời từ trạm gốc đó tới các thuê bao trong cùng cell dựa cho U người dùng được phân bố một cách ngẫu nhiêu trên tín hiệu hoa tiêu đường lên. Không mất tính tổng trong cùng cell. Các cell và trạm gốc được đánh số bởi quát, chúng tôi giả thiết tín hiệu hoa tiêu được truyền đi tập C = {1, 2, · · · , C}. Người dùng trong cell c ∈ C ở đường lên trong τp lần sử dụng kênh ở đầu mỗi khung được đánh số bởi tập Uc = {1, 2, · · · , U }. Thiết bị đầu truyền dẫn [2], [10]–[12]. Trong bài báo này, chúng tôi cuối người dùng sử dụng chỉ có một ăngten. Trong hệ giả thiết chỉ tập trung vào truyền dữ liệu đường xuống. thống MIMO cỡ sử dụng rất nhiều ăngten ở trạm gốc, Sau khi ước lượng kênh và thiết kế bộ mã trước, mỗi số lượng ăngten tại mỗi trạm gốc thường phải lớn hơn trạm gốc sẽ truyền đồng thời dữ liệu đến các thuê bao rất nhiều so với số người dùng được phục vụ, tức là trong cùng cell trong τd = (τt − τp ) lần sử dụng kênh 2 2
  3. Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) còn lại. Chúng tôi giả thiết các khung truyền dẫn được pháp tính giá trị tương đương tất định (deterministic đồng bộ trên toàn mạng. equivalence) (được sử dụng rộng rãi như trong [3], [4] để Giả thiết rằng tất cả các cell dùng chung một tập tín tìm giá trị xấp xỉ của tỷ số công suất tín hiệu trên công hiệu hoa tiêu tương hỗ trực giao từng cặp ký hiệu. Tính suất nhiễu và tạp âm (SINR - Signal-to-Interference- trực giao này yêu cầu τp ≥ U . Giả thiết rằng các trạm plus-Noise Ratio) đường xuống ứng với thuê bao u ∈ Ub . gốc sử dụng phương pháp ước lượng kênh sai số trung Cụ thể là, bằng cách thay thế Rbcu = βbcu INt vào trong phương nhỏ nhất (MMSE - Minimum Mean Squared Định lý 5 trong [3] và sau một số biến đổi , chúng tôi Error). Khi đó, trạm gốc b thu được một ước lượng của thu được giá trị SINR tương đương tất định ứng với thuê hbbu như sau [2], [3] bao u ∈ Ub như sau    ˆ βbbu Abu (τp )Nt hbbu = hbbu + ˜p,b hbcu + z (2) η¯bu (τp , Nt ) = (6) θbu Bbu (τp )Nt + Cbu (τp ) c=b σ2 C trong đó trong đó θbu = pp τp + c=1 βbcu . Với mọi c ∈ C, chúng  −1 U tôi định nghĩa ¯ b (τp ) = λ βbbk (7) βbbu βbcu ξbcu = . (3) k=1 θbu Abu (τp ) =λ¯ b (τp )ξ 2 (8) bbu  Chú ý rằng h ˆ bbu ∼ CN (0, ξbbu IN ). Sai số ước lượng Bbu (τp ) = ¯ λc (τp )ξ 2 (9) t bcu kênh được cho bởi h ˜ bbu = hbbu − h ˆ bbu trong đó h ˜ bbu ∼ c=b CN (0, (βbbu − ξbbu )INt ). σ 2  Cbu (τp ) = + ¯ c (τp )βbck ξbbu . λ (10) Ký hiệu xbu là ký hiệu dữ liệu mà trạm gốc b ∈ C pf cần truyền cho thuê bao u ∈ Ub trong một lần sử dụng (c,k)=(b,u) kênh. Chúng tôi giả thiết rằng các ký hiệu dữ liệu cần Khi phần mào đầu để ước lượng kênh được tính đến, truyền ở đường xuống độc lập thống kê với nhau và giá trị tất định tương đương của tốc độ dữ liệu đường cùng tuân theo phân bố Gauss với E[xr,bu |] = 0 và xuống đạt được ứng với thuê bao u ∈ Ub trên cả băng E[|xr,bu |2 ] = 1. Trạm gốc b ∈ C sử dụng một ma trận tần hoạt động là mã trước bu ∈ CNt ×1 để ánh xạ xbu tới các ăngten phát. Ký hiệu λb là hệ số chuẩn hoá ứng với giới hạn ¯ bu (τp , Nt ) = Bτd log2 [1 + η¯bu (τp , Nt )](bit/s) (11) R công suất phát trung bình. Công thức tính λb như sau τt 1 trong đó BBC thể hiện số khối tài nguyên thời gian-không λb = U . (4) gian độc lập trên cả băng tần hoạt động và ττdt thể hiện u=1 E[fbu ∗ f ] bu tỷ lệ thời gian thực sự được dùng để truyền dữ liệu trong Ký hiệu zbu là tạp âm Gauss trắng cộng với trung bình một khoảng thời gian kết hợp. Chú ý rằng tốc độ đạt không và phương sai σ 2 tại thuê bao u ∈ Ub . Ký hiệu được tại mỗi thuê bao phụ thuộc vào cả τp và Nt . pf là công suất phát trung bình tại trạm gốc để truyền dữ liệu tới mỗi thuê bao. Chúng tôi giả thiết rằng pf là B. Đánh giá công suất tiêu thụ bằng nhau cho tất cả thuê bao. Thuê bao u ∈ Ub nhận Chúng tôi có thể chia công suất tiêu thụ trong mạng được tín hiệu sau đây ở đường xuống thành hai nhóm: công suất bức xạ và công suất tiêu thụ C   U  của mạch điện tử. Chúng tôi giả thiết rằng các phần tử √ ybu = pf λc h∗cbu fck xf,ck + zf,bu . (5) thiết bị tương đương ở các trạm gốc có giá trị tham số c=1 u=1 hoạt động giống nhau. Tương tự, chúng tôi giả thiết rằng các phần tử thiết bị tương đương ở các thiết bị người III. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG sử dụng cũng có giá trị tham số hoạt động giống nhau. LƯỢNG Giống như khi đánh giá tốc độ dữ liệu đạt được, trong A. Đánh giá tốc độ dữ liệu đường xuống đạt được phần này chúng tôi sẽ tính các công suất tiêu thụ thành Trong bài báo này, để thuận lợi cho việc tính toán, phần ứng với cả băng tần hoạt động B Hz. chúng tôi giả thiết rằng các trạm gốc sử dụng ma trận 1) Công suất bức xạ: Ký hiệu ηBS là hiệu suất của mã trước MRT. Ma trận mã trước này được thiết kế dựa bộ khuếch đại công suất tại trạm gốc và ηUE là hiệu suất trên ước lượng kênh tương ứng, tức là fbu = h ˆ bbu với bộ khuếch đại công suất ở thiết bị người dùng, trong đó mọi b ∈ C và u ∈ Ub . Chúng tôi cũng sử dụng phương 0 < ηBS , ηUE ≤ 1. Ký hiệu PRP−p là công suất bức xạ 3 3
  4. Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) (tính theo Watt) của các thiết bị người sử dụng trong Thứ tư, ký hiệu PBT là công suất tiêu thụ (tính theo một cell trong giai đoạn truyền tín hiệu hoa tiêu. Ký Watt/bit) để truyền 1 bit dữ liệu đường xuống qua đường hiệu PRP−f là công suất bức xạ (tính bằng W) của một trục. Khi đó, công suất tiêu thụ phụ thuộc tải tin của trạm gốc trong giai đoạn truyền dữ liệu đường xuống. đường trục trong cell b được tính như sau Công suất bức xạ tổng cộng của trạm gốc và các thiết U  bị người dùng trong một cell được tính như sau PBH,b (τp , Nt ) =PBT ¯ bu (τp , Nt ) (W). R (16) 1 U pp τp pf τd u=1 PRP (τp ) = ∗( + ) (W). (12) TC ηUE   ηBS     Thứ năm, ký hiệu PLP là công suất tiêu thụ của quá PRP−p PRP−f trình xử lý tín hiệu tuyến tính. Có hai hoạt động tính toán chính trong quá trình xử lý tín hiệu tuyến tính tại Chú ý rằng PRP (τp ) độc lập thống kê với Nt . trạm gốc b: i) xác định ma trận mã trước và ii) nhân 2) Công suất tiêu thụ của mạch điện tử: Trong bài vector ký hiệu cần truyền với ma trận mã trước. Chú báo này, chúng tôi đề xuất áp dụng một phiên bản sửa ý rằng hoạt động đầu tiên chỉ được thực hiện một lần đổi của mô hình công suất tiêu thụ của mạch điện trong trong mỗi khung trong khi đó hoạt động thứ hai được hệ thống truyền dẫn MIMO đa người dùng được đề xuất thực hiện cho mỗi lần sử dụng kênh trong quá trình trong [9]. Công suất tiêu thụ cho các phần tử mạch điện truyền dữ liệu. Vì vậy, dựa trên mô hình công suất tiêu tử và cho các hoạt động tính toán được trình bày chi tiết thụ được đề xuất trong [9], chúng tôi tính PLP như sau trong phần này.   B 3Nt U 2Nt U Đầu tiên, ký hiệu PTC là công suất tiêu thụ của chuỗi PLP (τp , Nt ) = + τd (W). (17) thu phát (transceiver chains). Ký hiệu PBS là công suất τt LBS LBS tiêu thụ của tất cả các phần tử mạch điện tử dành riêng Cuối cùng, ký hiệu PFIX (W) là công suất tiêu thụ cho một ăngten ở trạm gốc và PUE là công suất tiêu cố định trong một khung truyền dẫn dành cho việc làm thụ của tất cả các phần tử mạch điện tử dành riêng cho mát nhà trạm, báo hiệu điều khiển và bộ xử lý băng tần một ăngten ở thiết bị người dùng. Chú ý rằng cả PBS gốc. Chú ý rằng PFIX không phụ thuộc vào τp , Nt và và PUE không phụ thuộc vào Nt , U và tốc độ dữ liệu. lượng dữ liệu cần truyền. Theo các kết quả trong [13] chúng tôi có thể tính công Tóm lại, tổng công suất tiêu thụ của mạch điện tử suất tiêu thụ ở các chuỗi thu phát là trong trạm gốc và các thiết bị người dùng trong cell b được ký hiệu là PCP,b (τp , Nt ) và được tính như sau PTC (Nt ) =Nt PBS + U PUE (W). (13) PCP,b (τp , Nt ) =PFIX + PTC (Nt ) + PCE (τp , Nt ) Công suất tiêu thụ này độc lập với τp . Thứ hai, ký hiệu PCE là công suất tiêu thụ của quá + PC/D,b (τp , Nt ) + PBH,b (τp , Nt ) trình ước lượng kênh (channel estimation). Ký hiệu LBS + PLP (τp , Nt ) (W). (18) và LUE là hiệu suất tính toán ở dạng số các phép toán 3) Công suất tiêu thụ tổng cộng: Tổng công suất tiêu giá trị phức trên Joule (hay số flop/Watt) tại trạm gốc thụ thực tế của mạch điện là Pb (τp , Nt ) = PRP (τp ) + và tại thiết bị người dùng. Khi ước lượng kênh truyền, PCP,b (τp , Nt ). Thay thế Rbu (τp , Nt ) bởi giá trị tất định trạm gốc b thực hiện phép nhân ma trận Yp,b ∈ C Nt ×τp ¯ bu (τp , Nt ) trong (15) and (16) và thay thế tương đương R với ψ u ∈ Cτp ×1 . Đây là một phép tính đại số tuyến các kết quả nhận được vào (18), chúng tôi nhận được tính thông thường và được thực hiện một lần trong mỗi P¯b (τp , Nt ) là giá trị tất định tương đương của công suất khung truyền dẫn. Như vậy, chúng tôi có tiêu thụ tổng cộng ứng với cell b. Chú ý rằng công suất B 2U Nt τp tiêu thụ tổng cộng phụ thuộc vào cả τp và Nt . PCE (τp , Nt ) = (W). (14) τt LBS C. Tính toán hiệu quả sử dụng năng lượng Thứ ba, ký hiệu PC/D,b là công suất tiêu thụ của các Hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống được định khối mã hoá và giải mã kênh ở trong cell b trong một nghĩa là tỷ số giữa lượng dữ liệu tổng cộng được truyền khung truyền dẫn. Ký hiệu PCD là tổng công suất tiêu đi thành công trên tổng công suất tiêu thụ tương ứng. thụ (tín theo Watt/bit) để mã hoá và giải mã một bit Ký hiệu EEb là hiệu quả sử dụng năng lượng của cell thông tin. Chúng tôi tính được b. Theo định nghĩa, chúng tôi có U  U PC/D,b (τp , Nt ) =PCD ¯ bu (τp , Nt ) (W). R (15) Rbu (τp , Nt ) EEb (τp , Nt ) = u=1 (bit/J). (19) u=1 Pb (τp , Nt ) 4 4
  5. Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Bảng I Vì vậy, giá trị tất định tương đương của hiệu quả sử MỘT SỐ THAM SỐ MÔ PHỎNG dụng năng lượng của cell b được tính như sau U ¯ Tên tham số Giá trị Rbu (τp , Nt )) EE b (τp , Nt ) = u=1¯ (bit/J). (20) Công suất phát của UE 24dBm Pb (τp , Nt ) Công suất phát của BS 43dBm IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN SỐ Tần số sóng mang 2GHz Mật độ tạp âm nhiệt -174dBm/Hz Trong phần này, chúng tôi mô phỏng một mạng thông Băng thông kết hợp BC 180kHz tin di động có 7 cell, mỗi cell có hình lục giác đều được Thời gian kết hợp TC 10ms bố trí như trong Hình 1. Trong đó, các trạm gốc được Tăng ích ăngten BS 10dBi đặt ở trung tâm của cell và được miêu tả bằng hình tròn. Tăng ích ăngten ở UE 0dBi Thuê bao có vị trí phân bố đều ngẫu nhiên trong diện Hệ số tạp âm nhiệt ở BS 5dB tích của mỗi cell và được miêu tả bằng hình chữ nhật. Hệ số tạp âm nhiệt ở UE 9dB Do đến thời điểm bài báo được gửi đăng, 3GPP vẫn chưa thống nhất bộ tham số cho hệ thống thông tin di Hiệu suất tính toán tại BS 12,8 Gflops/W động 5G phát triển trên nền LTE/LTE-Advanced. Vì vậy, Hiệu suất tính toán tại UE 5 Gflops/W chúng tôi có thể sử dụng một phần bộ tham số của hệ Hệ số khuếch đại công suất tại BS 0,39 thống thông tin di động 4G LTE/LTE-Advanced khi xây Hệ số khuếch đại công suất tại UE 0,3 dựng kịch bản mô phỏng. Ví dụ, mô hình suy hao đường Công suất tiêu thụ cố định 18W truyền là 128, 1 + 37, 6 log10 (d) với d > 0, 035km là Công suất tiêu thụ ứng với một ăng- 1W khoảng cách truyền dẫn tính theo km. Bảng IV trình bày ten tại BS một số tham số hệ thống chính dùng trong mô phỏng. Công suất tiêu thụ ứng với một ăng- 0,1W Chúng tôi sẽ khảo sát hiệu quả sử dụng năng lượng của ten ở UE cell trung tâm trong Hình 1. Công suất tiêu thụ để mã hóa và giải 0,9 W/(Gbit/s) mã Công suất tiêu thụ để truyền dữ liệu 0,25 qua đường trục W/(Gbit/s) nhất định, tốc độ tăng của tốc độ bit tổng cộng sẽ chậm hơn tốc độ tăng của tổng công suất tiêu thụ, khiến cho Thuê hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống bắt đầu giảm. bao Trạm gốc (BS) Tiếp theo, với U ∈ {6, 12, 18, 24}, số ăng-ten tại trạm gốc tối ưu về hiệu quả sử dụng năng lượng tương ứng Hình 1. Mô hình mạng được mô phỏng gồm 7 cell. là Nt∗ = {44, 60, 68, 76}. Hiện nay, một số công ty đã triển khai thử nghiệm một số hệ thống thông tin di động Hình 2 trình bày kết quả mô phỏng hiệu quả sử dụng MIMO có tới 128 ăngten nhằm mục đích nghiên cứu và năng lượng của hệ thống MIMO sử dụng rất nhiều thử nghiệm. Có thể nhận thấy, để tối ưu hiệu quả sử ăngten ở trạm gốc dưới dạng hàm số của Nt cho các dụng năng lượng trong hệ thống MIMO sử dụng rất giá trị khác nhau của U ∈ {6, 12, 18, 24}. Từ các kết nhiều ăng-ten ở trạm gốc, số lượng ăng-ten tối ưu nên quả mô phỏng trên, chúng ta có thể có một số nhận xét triển khai tại mỗi trạm gốc hoàn toàn nằm trong giới như sau. Trước hết, với U cố định, hiệu quả sử dụng hạn cho phép của các công nghệ hiện có. năng lượng của hệ thống là một hàm lồi của số ăng-ten Hình 3 trình bày kết quả mô phỏng hiệu quả sử dụng tại trạm gốc. Điều này có thể giải thích dựa vào tốc độ năng lượng của hệ thống MIMO sử dụng rất nhiều tăng của tốc độ bit tổng cộng và của tổng công suất ăngten ở trạm gốc là hàm số của U với Nt cho trước. tiêu thụ khi tăng Nt . Chú ý rằng, tổng công suất tiêu Chúng ta có thể nhận thấy rằng với Nt cho trước, việc thụ là một hàm tuyến tính bậc nhất của Nt . Trong khi tăng U (sao cho điều kiện U ≤ Nt /2) luôn được thoả đó, tốc độ bit tổng cộng là một hàm logarithm của Nt . mãn) sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng trung Vì vậy, trong miền giá trị Nt nhỏ, khi tăng Nt , hiệu bình của hệ thống. Tuy nhiên, lượng tăng hiệu quả sử năng sử dụng năng lượng của hệ thống tăng gần như dụng năng lượng trung bình của hệ thống trên mỗi thuê tuyến tính. Nếu tiếp tục tăng Nt , đến một thời điểm bao mới sẽ giảm đi. 5 5
  6. Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) 2.4 thấy với số ăngten trên trạm gốc cho trước, tăng số thuê bao trong một cell có thể góp phần làm tăng hiệu quả 2.2 sử dụng năng lượng. Một hướng nghiên cứu tiếp theo là xác định tìm cách xác định số ăngten tối ưu tại trạm Hiệu quả sử dụng trung bình [Mbit/J] 2 gốc với số thuê bao trong một cell cho trước. Một hướng nghiên cứu khác là khảo sát hiệu quả năng lượng của 1.8 các hệ thống MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc sử dụng các loại xử ký tín hiệu tuyến tính phức tạp hơn. 1.6 LỜI CÁM ƠN 1.4 Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ phát triển khoa 06 thuê bao/cell học và công nghệ quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài 12 thuê bao/cell 1.2 18 thuê bao/cell mã số 102.02-2013.09. 24 thuê bao/cell 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 56 88 120 152 184 216 248 Số ăngten ở mỗi trạm gốc [1] F. Rusek, D. Persson, B. K. Lau, E. G. Larsson, T. L. Marzetta, O. Edfors, and F. Tufvesson, “Scaling up MIMO: Opportunities Hình 2. Ảnh hưởng của số lượng ăng-ten tại trạm gốc lên hiệu quả sử and challenges with very large arrays,” IEEE Signal Processing dụng năng lượng trung bình với số thuê bao trong một cell cho trước. Mag., vol. 30, no. 1, pp. 40–60, Jan. 2013. [2] T. L. Marzetta, “Noncooperative cellular wireless with unlim- ited numbers of base station antennas,” IEEE Trans. Wireless 2.4 Commun., vol. 9, no. 11, pp. 3590–3600, Nov. 2010. Hiệu quả sử dụng năng lượng trung bình [Mbit/J] [3] J. Hoydis, S. ten Brink, and M. Debbah, “Massive MIMO in 2.2 the UL/DL of cellular networks: How many antennas do we need?” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 31, no. 2, pp. 160– 171, February 2013. 2 [4] K. T. Truong and R. W. Heath, Jr., “Effects of channel aging in massive MIMO systems,” J. Commun. Networks, vol. 14, no. 4, pp. 338–351, Aug. 2013. 1.8 [5] H. Q. Ngo, E. G. Larsson, and T. L. Marzetta, “Energy and spectral efficiency of very large multiuser MIMO systems,” IEEE Trans. Commun., vol. 61, no. 4, pp. 1436–1449, Apr. 2013. 1.6 [6] W. Liu, S. Han, C. Yang, and C. Sun, “Massive MIMO or small Nt = 144 ăngten/BS cell network: Who is more energy efficient?” in Proc. of IEEE Nt = 128 ăngten/BS Wireless Commun. Networking Conf., Apr. 2013, pp. 24–29. 1.4 [7] D. Ha, K. Lee, and J. Kang, “Energy efficiency analysis with Nt = 84 ăngten/BS circuit power consumption in massive MIMO systems,” in Proc. of IEEE Int. Symp. Personal Indoor Mobile Radio Commun., 1.2 Sep. 2013, pp. 938–942. 6 9 12 15 18 21 Số thuê bao trong một cell [8] E. Bjornson, J. Hoydis, M. Kountouris, and M. Debbah, “Mas- sive MIMO systems with non-ideal hardware: Energy efficiency, Hình 3. Ảnh hưởng của số thuê bao trong một cell lên hiệu quả sử estimation, and capacity limits,” IEEE Tran. Info. Theory, vol. 60, dụng năng lượng trung bình với số ăng-ten tại trạm gốc cho trước. no. 11, pp. 7112–7139, Nov. 2014. [9] E. Bjornson, L. Sanguinetti, J. Hoydis, and M. Debbah, “Optimal design of energy-efficient multi-user MIMO systems: Is massive MIMO the answer?” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 14, V. KẾT LUẬN no. 6, pp. 3059–3075, Jun. 2015. [10] B. Hassibi and B. M. Hochwald, “How much training is needed in multiple-antenna wireless links?” IEEE Trans. Info. Theory, Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một phương vol. 49, no. 4, pp. 951–963, Apr. 2003. pháp phân tích hiệu quả sử dụng năng lượng của đường [11] G. Caire, N. Jindal, M. Kobayashi, and N. Ravindran, “Multiuser xuống trong hệ thống thông tin MIMO với rất nhiều MIMO achievable rates with downlink training and channel state feedback,” IEEE Trans. Info. Theory, vol. 56, no. 6, pp. 2845– ăngten ở trạm gốc với nhiều cell hoạt động trên cùng 2866, Jun. 2010. băng tần. Phương pháp này dựa trên cách tiếp cận tìm [12] K. T. Truong, A. Lozano, and R. Heath, Jr., “Optimal training giá trị tất định tương đương và một mô hình khá thực in continuous flat-fading massive MIMO systems,” in Proc. of IEEE European Wireless Conf., Barcelona, Spain, May 2014, pp. tế về công suất tiêu thụ trong mạng. Kết quả mô phỏng 1–6. cho thấy với số thuê bao trong một cell cho trước, tồn [13] S. Cui, A. Goldsmith, and A. Babai, “Energy efficiency of tại một giá trị số ăngten trên trạm gốc tối ưu. Giá trị tối MIMO and cooperative MIMO techniques in sensor networks,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 22, no. 6, pp. 1089–1098, ưu này nằm trong giới hạn cho phép của các công nghệ 2004. chế tạo ăngten hiện nay. Kết quả mô phỏng cũng cho 6 6
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2