Hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống FD-MIMO trong mạng 5G

TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG, QUYỂN 1, SỐ 3, NĂM 2016 1<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CỦA<br /> HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG FD-MIMO TRONG MẠNG 5G<br /> <br /> <br /> HỆ THỐNG FD-MIMO TRONG MẠNG 5G<br /> HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG<br /> CỦA HỆThị<br /> Nguyễn THỐNG<br /> ThanhFD-MIMO TRONGTrung<br /> Hương∗ , Trương MẠNG 5G∗†<br /> Kiên<br /> ∗ Phòng thí nghiệm Hệ thống Vô tuyến và Ứng dụng<br /> † Bộ mônNguyễn Thịhiệu<br /> Xử lý Tín Thanhvà Hương*, TrươngKhoa<br /> Truyền thông, TrungKỹKiên*<br /> thuật+ Điện tử I<br /> * Phòng thí nghiệm<br /> Học viện Hệ thống<br /> Công nghệ Vô tuyến<br /> Bưu chính và Ứng<br /> Viễn dụng<br /> thông.<br /> +<br /> Bộ môn Xử lý Tín hiệu và Truyền thông, Khoa Kỹ thuật Điện tử I<br /> Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông<br /> <br /> Tóm tắt—Việc sử dụng hợp lý rất nhiều ăngten ở (MIMO - Multiple-Input Multiple-Output) là một<br /> trạm gốc để phục vụ đồng thời nhiều thuê bao tạo trong những kỹ thuật thông tin quan trọng hướng<br /> ra một sự đột phá về tốc độ dữ liệu trong mạng tới mục tiêu trên thông qua việc sử dụng nhiều<br /> thông tin di động. Hệ thống này có tên gọi FD- ăng-ten ở trạm phát và/hoặc máy thu. Tuy nhiên,<br /> MIMO (Full-Dimension Multiple-Input Multiple-<br /> thực tế là các hệ thống di động tế bào thế hệ<br /> Output) và đã được lựa chọn là một ứng cử cho<br /> mạng thông tin di động thế hệ 5 (5G). Tuy nhiên,<br /> thứ 4 (4G) trở về trước vẫn chưa đạt được mức<br /> đa số các bài báo có liên quan tập trung vào hoặc tốc độ cao mà công nghệ MIMO hứa hẹn do mới<br /> tăng tổng dung lượng truyền tin với một công suất xem xét sử dụng số lượng ăng-ten chưa lớn [1].<br /> tiêu thụ cố định hoặc khả năng giảm công suất tiêu Ví dụ trong hệ thống 3GPP LTE/LTE-Advanced<br /> thụ nhưng vẫn đảm bảo tổng dung lượng truyền (hay 4G), mỗi trạm gốc có tối đa 8 ăngten trong<br /> tin cho trước. Một số ít bài báo nghiên cứu hiệu khi thiết bị người dùng có tối đa 4 ăngten. Tăng<br /> quả sử dụng năng lượng của hệ thống này nhưng số ăng-ten ở trạm gốc để phục vụ đồng thời nhiều<br /> chủ yếu cho mô hình đơn cell, do đó bỏ qua một số thuê bao hơn trên cùng một tài nguyên vô tuyến<br /> tính chất quan trọng của hệ thống như nhiễu tín<br /> là một hướng nghiên cứu hứa hẹn để phát huy hết<br /> hiệu hoa tiêu. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất<br /> một phương pháp mới để phân tích hiệu quả sử khả năng của kỹ thuật MIMO trong các hệ thống<br /> dụng năng lượng của hệ thống FD-MIMO và với di động tế bào [2]. Trong khuôn khổ bộ tiêu chuẩn<br /> nhiều cell hoạt động trên cùng băng tần. Các kết 3GPP LTE-Advanced Pro (từ Phiên bản 13 trở đi<br /> quả tính toán số cho phép chúng tôi đưa ra những hay mạng 5G), kỹ thuật FD-MIMO đã được lựa<br /> nhận xét thú vị về cách làm tăng hiệu quả sử dụng chọn là một trong các công nghệ ứng cử để tăng<br /> năng lượng của hệ thống này. tốc độ dữ liệu. Cụ thể, bằng việc sử dụng hàng<br /> Từ khóa—Mạng 5G, hiệu quả sử dụng năng chục hay thậm chí hàng trăm ăngten ở từng trạm<br /> lượng, hệ thống MIMO cỡ rất lớn, hệ thống MIMO gốc và sử dụng phương pháp truyền dẫn MIMO đa<br /> với rất nhiều ăngten ở trạm gốc, thông tin "xanh". người dùng (MU-MIMO - Multiple-User MIMO)<br /> để phục vụ đồng thời hàng chục người dùng [2],<br /> kỹ thuật FD-MIMO có tiềm năng tăng tốc độ dữ<br /> I. Giới thiệu liệu tổng cộng của mạng 5G lên nhiều lần.<br /> I. GIỚI THIỆU<br /> Đa phần các bài báo trước đây khi nghiên cứu<br /> Mạng thông tin di động thế hệ 5 (5G) vẫn đang các hệ thống thông tin MIMO với rất nhiều ăngten<br /> trong giai đoạn hình thành, một trong những mục ở trạm gốc thường tập trung vào hoặc khả năng cải<br /> tiêu thiết kế quan trọng nhất vẫn là tiếp tục tăng thiện tổng dung lượng truyền tin với một công suất<br /> tốc độ dữ liệu. Thông tin đa đầu vào đa đầu ra tiêu thụ cố định [2]–[4] hoặc khả năng giảm công<br /> Tác giả liên hệ: Trương Trung Kiên, email: suất tiêu thụ những vẫn đảm bảo tổng dung lượng<br /> kientt@ptit.edu.vn. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ truyền tin cho trước [5]. Trong thực tế, một cách<br /> Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) tiếp cận để dung hoà hai mục tiêu thiết kế có phần<br /> trong đề tài mã số 102.02-2013.09. Một phần kết quả của<br /> mâu thuẫn nhau này là tối đa hoá tỷ số hiệu quả sử<br /> bài báo này đã được trình bày tại Hội thảo ECIT’2015.<br /> Đến tòa soạn: 11/12/2016, chỉnh sửa: 30/12/2016, chấp dụng năng lượng của hệ thống. Theo định nghĩa,<br /> nhận đăng: 30/01/2017. hiệu quả sử dụng năng lượng của một hệ thống<br /> <br /> Tạp chí KHOA HỌC CÔNG NGHỆ<br /> 58 THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Số 3 - 4 (CS.01) 2016<br />  Maximal Ratio Transmission) để truyền dữ liệu trận A thì<br /> ở đường xuống. Đóng góp chính của chúng tôi trận chuyể<br /> trong bài báo này là đề xuất một phương pháp ma trận. E<br /> mới để phân tích hiệu quả sử dụng năng lượng<br /> 2 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG của hệ Nguyễn<br /> TINthống<br /> VÀ TRUYỀN trênThịbằng<br /> Thanh<br /> THÔNG, Hương,<br /> cáchQUYỂNsử dụngTrương<br /> 1, SỐ các Trung<br /> 3, NĂM Kiên<br /> tiếp2016<br /> cận<br /> tìm giá trị tất định tương đương và môt mô hình Xét mộ<br /> thông tin là tỷ số giữa tổng dung lượng thông của côngmộtsuất số thamtiêu thụ số hệ đượcthống sửanhư đổihệtừsốmôpha hình<br /> đinhđề trên TDD<br /> tin2 được truyền đi trênTẠP tổng xuất trong các bài báo [8], [9]. Kết quả phân tích Mỗi cell c<br /> CHÍcôngKHOA suất tiêu thụ<br /> HỌC CÔNG NGHỆ phạm<br /> THÔNGvi TINlớn, số ăngten<br /> VÀ TRUYỀN ở trạm<br /> THÔNG, QUYỂN gốc,1, số<br /> SỐ 3, thuê NĂMbao 2016<br /> cho<br /> tương ứng. Trong khả năng hiểu biết của chúng trong mỗi cell, công suất tiêu thụ của mỗi phần ra một giá trị xấp xỉ của hiệu quả sử dụng vụ đồng t<br /> tôi, đến nay có khá ít bài báo đã nghiên cứu hiệu tửnăng tronglượng mạng. củaKết hệ quả thống môdưới phỏng dạngsốmột chohàm phépsố một cách<br /> thông tin là tỷ số giữa tổng dung lượng thông của<br /> quả sử dụng năng lượng của hệ thống thông tin chúng tôi có một số nhận xét quan trọng về ảnh một số tham số hệ thống như hệ số pha đinh<br /> tin được<br /> MIMO vớitruyền<br /> rất nhiều đi trên<br /> ăngten tổngở trạmcông gốc suất [6]–[9].<br /> tiêu thụ hưởng phạm của vi lớn,các sốtham ăngten số hệ ở trạmthống gốc,lênsốhiệu thuêquả bao<br /> tương ứng. Trong khả năng hiểu biết của chúng trong<br /> Bài báo [6] so sánh hiệu quả sử dụng hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống. Ví dụ, khi cố mỗi cell, công suất tiêu thụ của mỗi phần<br /> tôi, lượng<br /> năng đến nay giữa có hệkháthống<br /> ít bàiMIMO báo đãvới nghiên<br /> nhiềucứu ăngten hiệu định<br /> tử trong<br /> số thuê mạng. bao Kết trongquả mộtmôcell, phỏng số cho<br /> tồn tại một phépgiá<br /> quả sử dụng năng lượng của hệ thống thông tin<br /> ở trạm gốc và hệ thống sử dụng cell cỡ nhỏ. Tuy trị số ăngten trên trạm gốc tối ưu. Đáng chúvềý ảnh<br /> chúng tôi có một số nhận xét quan trọng là<br /> MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc [6]–[9]. hưởng<br /> nhiên, bài báo này mới chỉ tính đến công suất tiêu giá trị tối ưu này nằm trong giới hạn cho phép của các tham số hệ thống lên hiệu quả<br /> thụBàiliênbáoquan [6] đếnso sánhbức xạ hiệu tínquả hiệu.sửBài dụngbáohiệu[7] đề quả củasử các<br /> dụngcông năngnghệ lượng chếcủa tạohệăngtenthống.hiện Ví dụ,nay.khi Bêncố<br /> năngmột<br /> xuất lượngmôgiữa hìnhhệcông thống suấtMIMO tiêu thụvới nhiều<br /> mới không ăngten cạnh địnhđó, số khi<br /> thuê cốbao địnhtrongsố ăngtenmột cell, tồn tại<br /> trên trạm gốc, mộttăng giá<br /> ở trạm gốc và hệ thống sử dụng cell cỡ nhỏ. Tuy<br /> chỉ bao gồm công suất phát trên bộ khếch đại công số thuê bao trong một cell có thể góp phần làmlà<br /> trị số ăngten trên trạm gốc tối ưu. Đáng chú ý<br /> nhiên,<br /> suất mà bài cònbáo là này<br /> côngmới suất chỉtiêutínhthụđếnmạchcông bởi suấtcáctiêu tăng<br /> giá hiệu<br /> trị tốiquả ưu sử này dụngnằmnăng tronglượng.giới hạn Chú cho phép<br /> ý rằng,<br /> thụ liên quan đến bức xạ tín hiệu. Bài báo [7] đề của các<br /> thành phần của trạm gốc và bởi các thiết bị tương một phần kết quả của bài báo này đã được trình công nghệ chế tạo ăngten hiện nay. Bên<br /> xuất một mô hình công suất tiêu thụ mới không cạnh<br /> tự. Từ mô hình mới đưa ra được công thức tính bày trong [10]. Tuy nhiên, [10] chỉ tập trung vào đó, khi cố định số ăngten trên trạm gốc, tăng<br /> chỉ quả<br /> hiệu bao nănggồm công lượng,suất sauphátđó xác trênđịnh<br /> bộ khếch<br /> được số đạiăng-<br /> công truyền<br /> số thuê dẫnbao trong một<br /> ở đường xuống celltrong<br /> có thể khigópbài phầnbáo này làm<br /> tensuất<br /> cầnmà thiếtcònđểlàmang cônglạisuất hiệutiêu quảthụ năng mạch<br /> lượng bởicho các nghiên<br /> tăng hiệu cứu quả truyền sử dẫndụngở năng cả đường lượng. lênChú và đườngý rằng,<br /> thành phần của trạm gốc và bởi các thiết bị tương một<br /> hệ thống MIMO cỡ rất lớn. Tuy nhiên, mô hình xuống. Ngoài ra, so với [10], bài báo này cung phần kết quả của bài báo này đã được trình<br /> tự. Từ mô hình mới đưa ra được công thức tính bày<br /> công suất tiêu thụ sử dụng trong bài báo [7] khá cấp thêm các kết quả mô phỏng mới và từ đó cótrong [10]. Tuy nhiên, [10] chỉ tập trung vào<br /> hiệu quả năng lượng, sau đó xác định được số ăng- truyền<br /> đơn giản và chưa phản ánh được các đặc trưng những quan sát và nhận xét mới về hiệu quả sử dẫn ở đường xuống trong khi bài báo này<br /> ten cần thiết để mang lại hiệu quả năng lượng cho<br /> riêng của truyền dẫn MIMO đa người dùng. Các dụng năng lượng của hệ thống thông tin MIMOnghiên cứu truyền dẫn ở cả đường lên và đường<br /> bàihệ báo<br /> thống [8],MIMO[9] đềcỡ xuất rất một<br /> lớn. mô Tuyhình nhiên,công môsuấthình sửxuống.<br /> dụng nhiều Ngoàiăng-ten ra, so với ở trạm [10],gốc. bài báo này cung<br /> công<br /> tiêu thụsuất thựctiêu thụ sử<br /> tế hơn và dụng<br /> có khả trong<br /> năngbàiphản báoánh [7] cơ khá cấp Cácthêmmục các cònkết lại quả<br /> của mô bài báo phỏng được mớitổvà chức từ đónhưcó<br /> đơn giản và chưa phản ánh được các đặc trưng<br /> chế xử lý tín hiệu và truyền dẫn MIMO đa người sau. Mục II mô tả mô hình hệ thống và quá trìnhsử<br /> những quan sát và nhận xét mới về hiệu quả<br /> riêngđểcủa<br /> dùng truyền<br /> nghiên cứudẫn hiệu MIMOquả sửđadụng người dùng.<br /> năng lượngCác dòdụngvà ước năng lượng lượng kênh củacủa hệhệ thống<br /> thống. thông<br /> Mụctin IIIMIMO<br /> phân<br /> bài báo [8], [9] đề xuất một mô hình công suất sử dụng<br /> của hệ thống MIMO đơn cell với nhiều ăngten ở tích lượng dữ liệu tổng cộng có thể truyền được nhiều ăng-ten ở trạm gốc.<br /> tiêu gốc.<br /> trạm thụ thựcViệc tếxem hơnxét vàchỉcó mộtkhả năngcell duyphản ánhbỏcơ và tổng<br /> nhất Các mục công còn suấtlạitiêu củathụ bàitương<br /> báo được ứng tổ trongchứcmột như<br /> quachếmộtxử số lý tín<br /> tínhhiệu chấtvàquan truyềntrọng dẫncủa MIMOhệ thốngđa người sau. Mục II mô tả mô hình<br /> này khung truyền dẫn để từ đó phân tích hiệu quả sử hệ thống và quá trình<br /> như nhiễu tín hiệu hoa tiêu và nhiễu liên celllượng<br /> dùng để nghiên cứu hiệu quả sử dụng năng khi dụng dò vànăng ước lượng<br /> lượng của kênhhệcủa thống.hệ thống.<br /> Mục IV Mục cung III cấp<br /> phân<br /> của hệ<br /> truyền dữ liệu.thống MIMO đơn cell với nhiều ăngten ở tích lượng dữ liệu tổng<br /> kết quả mô phỏng và tính toán số để kiểm chứng cộng có thể truyền được<br /> trạm gốc. Việc xem xét chỉ một cell duy nhất bỏ kết và quả<br /> tổngphân côngtích. suấtCuối tiêu cùng,<br /> thụ tương mục V ứng đưatrong ra một một<br /> Trong<br /> qua mộtbài số báotính này,<br /> chất chúng<br /> quan trọng tôi xem củaxét hệ hệ<br /> thốngthống này sốkhung truyền dẫn để từ đó phân tích hiệu quả sử<br /> thông tin MIMO vớihoarất nhiều kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo.<br /> như nhiễu tín hiệu tiêu vàăngten nhiễu ởliên trạm cellgốckhi dụng năng lượng của hệ<br /> Quy ước ký hiệu toán học: Các ký tự thường thống. Mục IV cung cấp<br /> vàtruyền<br /> với nhiều cell hoạt động trên cùng một băng kết quả mô phỏng<br /> dữ liệu.<br /> tần. Chúng tôi giả thiết hệ thống này hoạt động ở viết nghiêng (ví dụ,vàatính ) kýtoán hiệusốcác để kiểm<br /> giá trịchứng vô<br /> Trong bài báo này, chúng tôi xem xét hệ thống kết quảcác<br /> hướng, phân ký tích.<br /> tự đượcCuối tô cùng,<br /> đậm mục V (ví<br /> thường đưadụ, ra một<br /> h )<br /> chế độ song công phân chia theo thời gian (TDD - sốhiệu<br /> kết luận và hướng nghiên cứu ký tiếptựtheo.<br /> thông tin MIMO với rất<br /> Time Division Duplexing) trong đó trạm gốc ướcnhiều ăngten ở trạm gốc ký các vector trong khi các được tô<br /> và với<br /> lượng cácnhiều<br /> hệ sốcell kênh hoạt độngdựa<br /> truyền trêntrêncùng một hoa<br /> tín hiệu băng đậmQuy và in ướchoa ký(ví hiệu dụ,toánH) học: ký hiệu Các cácký ma tự thường<br /> trận.<br /> tần. Chúng tôi giả thiết hệ thống này hoạt động ở I viết<br /> và nghiêng<br /> 0 ký (ví<br /> hiệu dụ,<br /> ma a<br /> trận ) ký<br /> đơn hiệu<br /> vị và các<br /> ma giá<br /> trận trị<br /> toànvô<br /> tiêu ở đường lên. Chúng tôi giả thiết trạm gốc N N<br /> sửchế độ song<br /> dụng mã trướccông phântruyềnchia tỷ theosố cực thờiđạigian (TDD- - giá trị không với kích thước N × N . Đối với mah)<br /> (MRT<br /> hướng, các ký tự được tô đậm thường (ví dụ,<br /> Time Division Duplexing) trong ký A hiệu thìcácAT vector là ma trong khi cácđảo, ký A tự∗ đượclà matô<br /> Maximal Ratio Transmission) để đó trạmdữ<br /> truyền gốcliệu ước trận<br /> đậmchuyển<br /> và in vị hoa<br /> trận nghịch<br /> ở lượng<br /> đườngcác hệ số Đóng<br /> xuống. kênh truyềngóp chính dựa trên của tín<br /> chúnghiệu tôihoa trận liên(víhợp H) ký<br /> dụ,phức, và hiệu<br /> tr(A)các ma của<br /> là vết trận.<br /> tiêu ởbàiđường lên. làChúng tôi một<br /> giả phương<br /> thiết trạm I và 0 ký hiệu ma trận<br /> gốc ma trận. E[·] ký hiệu phép toán kỳ vọng thống kê.<br /> N N đơn vị và ma trận toàn<br /> trong báo này đề xuất pháp giá trị không với kích thước N × N . Đối với ma<br /> mớisử dụng<br /> để phân mã tích trướchiệu truyềnquả tỷ sử sốdụngcực năng<br /> đại (MRTlượng - trận A thì AT là ma trận nghịch đảo, A∗ là ma<br /> củaMaximal<br /> hệ thống Ratiotrên Transmission)<br /> bằng cách sử dụng để truyền<br /> các tiếp dữcận liệu II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG<br /> ở đường xuống. Đóng góp chính của chúng tôi trận chuyển vị liên hợp phức, và tr(A) là vết của<br /> tìm giá trị tất định tương đương và môt mô hình maXéttrận.<br /> mộtE[·] mạng ký hiệuthông phép tin toán<br /> di độngkỳ vọng tế bào thống dựa kê.<br /> trongsuất<br /> công bài tiêu<br /> báo thụ nàyđượclà đềsửa xuất đổimộttừ môphươnghìnhpháp đề trên TDD FD-MIMO với C cell, hay ô tế bào.<br /> mớitrong<br /> xuất để phân các bài tíchbáo hiệu [8],quả [9].sửKết dụngquảnăng<br /> phân lượng<br /> tích Mỗi cell có một trạmHÌNH gốc với HỆN t ăngten để phục<br /> chocủarahệmột thống giátrên trị bằng<br /> xấp xỉcách củasửhiệu dụng quảcácsửtiếpdụng cận vụ đồng thờiII. Tạp<br /> MÔ<br /> cho chí UKHOA người HỌC dùng<br /> THỐNG<br /> CÔNG đượcNGHỆ phân bố<br /> tìm giá trị tất định tương đương và môt mô Số 3 - 4 (CS.01) 2016<br /> hình Xét một mạng thông tin di động tếtrongbào đó 59<br /> dựa<br /> năng lượng của hệ thống dưới dạng một hàm số một cách ngẫu nhiêu trong cùng cell, THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG<br /> công suất tiêu thụ được sửa đổi từ mô hình đề trên TDD FD-MIMO với C cell, hay ô tế bào.<br /> xuất trong các bài báo [8], [9]. Kết quả phân tích Mỗi cell có một trạm gốc với Nt ăngten để phục<br /> cho ra một giá trị xấp xỉ của hiệu quả sử dụng vụ đồng thời cho U người dùng được phân bố<br />  đậm và in hoa (ví dụ, H) ký hiệu các ma trận. các hiệu ứng như suy hao đường truyền, che khuất truyền dẫ<br /> n hiệu hoa<br /> IN và 0N ký hiệu ma trận đơn vị và ma trận toàn và suy hao xuyên tường. Giả thiết rằng các hệ số thiết rằng<br /> trạm gốc<br /> giá trị không với kích thước N × N . Đối với ma của gbcu là độc lập thống kê và cùng tuân theo trạm gốc<br /> i (MRT -<br /> trận A thì A là ma trận nghịch đảo, A là ma<br /> T ∗ phân bố chuẩn, tức là gbcu ∼ CN (0, INt ). Chúng Tương tự<br /> n dữ liệu<br /> HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG<br /> trận chuyển vị liên hợp phức, và tr(A) là vết của CỦA HỆ THỐNG FD-MIMO<br /> tôi cũng TRONG<br /> giả thiếtMẠNG kênh 5G đường lên và kênh đường<br /> chúng tôi đương ở c<br /> ma trận. E[·] ký hiệu phép toán kỳ vọng thống kê. xuống có tính chất thuận nghịch (reciprocity) hoàn số hoạt đ<br /> ơng pháp<br /> hảo. Để tiện viết các biểu thức toán học, giả thiết<br /> ăng lượng II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG<br /> II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG h∗bcu ∈ C1×Nt là vector hệ số kênh truyền đường<br /> c tiếp cận A. Phân<br /> xuống từ trạm gốc b ∈ C tới thuê bao u ∈ Uc . Ký<br /> t mô hình Xét một mạng thông tin di động tế bào dựa<br /> hiệu Hbc = [hbc1 hbc2 · · · hbcU ] ∈ CNt ×U là ma 1) Tru<br /> ô hình đề trên TDD FD-MIMO với C cell, hay ô tế bào.<br /> trận kênh đường lên tổng hợp từ tất cả các thuê xf,bu là d<br /> phân tích Mỗi cell có một trạm gốc với Nt ăngten để phục<br /> N. baoCỦAtrong cell cTDD tới trạmTRONG<br /> ∈ CFD-MIMO gốc bMẠNG<br /> ∈ C . 5G.<br /> Khi đó, thuê bao<br /> ả sử dụng vụT.đồng<br /> T. HƯƠNGthời&cho T. T. UKIÊN: HIỆUdùng<br /> người QUẢ SỬ DỤNG<br /> được NĂNGbố<br /> phân LƯỢNG HỆ THỐNG 3<br /> H∗bc là ma trận kênh đường xuống tổng hợp. với E[xf,<br /> ột hàm số một cách ngẫu nhiêu trong cùng cell, trong đó<br /> Trong giai đoạn đào tạo và ước lượng kênh b ∈ C sử<br /> Nt  U . Các cell và trạm gốc được đánh số mạng dùng cùng một tập tín hiệu hoa tiêu. Các<br /> truyền, các thiết bị đầu cuối trong cùng một cell để ánh x<br /> bởi tậpT. CHƯƠNG<br /> N. T. , C}.HIỆU<br /> = {1,&2,T.· T.· ·KIÊN: Người<br /> QUẢdùng<br /> SỬ DỤNGtrongNĂNG cell LƯỢNG<br /> trạm CỦA gốc ước lượng TDDcác hệ sốTRONG kênh truyền5G.tức 3<br /> truyền HỆ cácTHỐNG<br /> tín hiệu FD-MIMO<br /> hoa tiêu tương MẠNG hỗ trực giao zbu ∼ CN<br /> c ∈ C được đánh số bởi tập Uc = {1, 2, · · · , U }. thời dựa trên tín hiệu hoa tiêu này để sử dụng khi<br /> từng cặp ở đường lên [2], [11]–[13]. Giả thiết toàn thuê bao<br /> Thiết bị đầu cuối người dùng sử dụng chỉ có một truyền dữ liệu trong các lần sử dụng kênh còn lại<br /> Nt  U . Các cell và trạm gốc được đánh số mạng dùng cùng một tập tín hiệu hoa tiêu. Các<br /> ăngten. Giả thiết rằng hệ thống hoạt động ở chế độ của khung. Ký hiệu các biến trung gian sau<br /> bởi tập C = {1, 2, · · · , C}. Người dùng trong cell trạm gốc ước lượng các hệ số kênh truyền tức<br /> TDD trong đó truyền dẫn ở đường lên và đường<br /> c ∈ C được đánh số bởi tập Uc = {1, 2, · · · , U }. thời dựa trên tín hiệu σ 2hoa tiêu  C này để sử dụng khi<br /> xuống ở tất cả các cell dùng chung một băng tần. θ = + βbcu (2)<br /> Thiết bị đầu cuối người dùng sử dụng chỉ có một truyền dữ liệu trong bu<br /> ppcácτp lần sử dụng kênh còn lại<br /> Giả thiết rằng tất cả các truyền dẫn được đồng bộ<br /> ăngten. Giả thiết rằng hệ thống hoạt động ở chế độ của khung. Ký hiệu các biến trung gian sau c=1<br /> cả về cấu trúc khung, về thời gian và về tần số. βbbu βbcu<br /> TDD trong đó truyền dẫn ở đường lên và đường ξbcu = . C (3)<br /> Giả thiết mô hình kênh pha đinh khối cận tĩnh σ 2<br /> θbu<br /> xuống ở tất cả các cell dùng chung một băng tần. θ = + β (2)<br /> trong đó các hệ số kênh truyền được coi như bu bcu<br /> pp τpphương pháp ước lượng<br /> Giả thiết rằng tất cả các truyền dẫn được đồng bộ Mỗi trạm gốc b sử dụng c=1<br /> không thay đổi trong mỗi khối tài nguyên thời<br /> cả về cấu trúc khung, về thời gian và về tần số. kênh sai số trung phương βbbu βbcunhỏ nhất (MMSE -<br /> gian-tần số có kích thước τt = BC TC lần sử ξbcu = . (3)<br /> Giả thiết mô hình kênh pha đinh khối cận tĩnh Minimum Mean Squaredθbu Error) để thu được một<br /> dụng kênh, trong đó BC (Hz) là độ rộng băng<br /> trong đó các hệ số kênh truyền được coi như ước lượng sau của hbbu [2], [3]<br /> thông kết hợp và TC (giây) là thời gian kết hợp Mỗi trạm gốc  b sử dụng phương pháp ước lượng<br /> không thay đổi trong mỗi khối tài nguyên thời  nhỏ nhất (MMSE -<br /> của kênh truyền, và τt > U . Bên cạnh đó, giả kênh sai<br /> ˆ bbu = số<br /> β bbu trung phương<br /> gian-tần số có kích thước τt = BC TC lần sử h hbbu + hbcu + z ˜p,b . (4)<br /> thiết rằng các khung truyền dẫn được đồng bộ Minimum θMean Squared Error) để thu được một<br /> dụng kênh, trong đó BC (Hz) là độ rộng băng bu<br /> c=b<br /> trên toàn mạng và ứng với các khối tài nguyên ước lượng sau của hbbu [2], [3]<br /> thông kết hợp và TC (giây) là thời gian kết hợp ˆ bbu∼ CN (0,<br /> thời gian-tần số. Giả thiết rằng một khung bao Chú ý rằng β<br /> của kênh truyền, và τt > U . Bên cạnh đó, giả h  ξbbu INt ). Saisố ước<br /> ˆkênh bbu<br /> gồm τp lần sử dụng kênh để truyền tín hiệu hoa lượngh bbu = được cho h bbu bởi hbbu<br /> + ˜ hbcu=+hz ˜bbu<br /> p,b −. h (4)<br /> ˆ bbu<br /> thiết rằng các khung truyền dẫn được đồng bộ ˜ θbu<br /> tiêu ở đường lên, τdd lần sử dụng dụng kênh để trong đó hbbu ∼ CN (0, (βbbu −ξbbu )INt ). Do tính c = b<br /> trên toàn mạng và ứng với các khối tài nguyên<br /> truyền dữ liệu đường xuống và τdu lần sử dụng chất trực giao của ˆ bbuphương pháp ước lượng MMSE,<br /> thời gian-tần số. Giả thiết rằng một khung bao ˆChú ý ˜rằng h ∼ CN (0, ξbbu INt ). Sai số ước<br /> dụng kênh để truyền dữ liệu đường lên, trong đó h và h không tương quan<br /> ˜ bbuvới= nhau. Thêm<br /> ˆ bbu<br /> gồm τp lần sử dụng kênh để truyền tín hiệu hoa lượng bbu<br /> kênh<br /> bbu<br /> được<br /> ˆ bbu cho ˜bởi h hbbu − h<br /> τp + τdd + τdu = τt , τp ≥ U, τdd ≥ 0 và τdu ≥ 0. vào đó, vì˜ cả h và h tuân theo phân bố<br /> tiêu ở đường lên, τddNtlần sử dụng dụng kênh để trong đó hbbu ∼ CN (0, (βbbu −ξbbu )INt ). Do tính<br /> bbu<br /> Ký hiệu hbcu ∈ C ×1 là vector hệ số kênh Gauss, nên hai vector này độc lập tương hỗ. Chú<br /> truyền dữ liệu đường xuống và τdu lần sử dụng chất trực giao của phương pháp ước lượng MMSE,<br /> truyền đường lên từ thuê bao u ∈ Uc tới trạm gốc ý ˆrằng mỗi˜thiết bị đầu cuối chỉ có thông tin thống<br /> dụng kênh để truyền dữ liệu đường lên, trong đó hbbu và hbbu không tương quan với nhau. Thêm<br /> b ∈ C . Bài báo này xem xét mô hình kênh truyền kê về trạng thái ˆkênh truyền ˜ bbugiữa thiết bị đó và<br /> τp + τdd + τdu = τt , τp ≥ U, τdd ≥ 0 và τdu ≥ 0. vào đó, vì cả hbbu và h tuân theo phân bố<br /> không tương quan về không ×1 gian [2], [3] trạm gốc trong cùng cell.<br /> Ký hiệu hbcu ∈ C t N là vector hệ số kênh Gauss, nên hai vector này độc lập tương hỗ. Chú<br /> truyền đường lên từ thuê bao<br /> 1/2<br /> hbcu =βbcu gbcu u ∈ Uc tới trạm(1) gốc ý rằng mỗi thiết bị đầu cuối chỉ có thông tin thống<br /> b ∈ C . Bài báo này xem xét mô hình kênh truyền kêIII.về HIỆU trạng QUẢthái kênhSỬ DỤNG truyềnNĂNG giữa thiếtLƯỢNGbị đó và<br /> trong đó g ∈ C Nt ×1 là vector hệ số kênh truyền<br /> không tương quan về không gian [2], [3]<br /> bcu trạm<br /> Không gốcmất trong tínhcùngtổng cell.<br /> quát, hiệu quả sử dụng<br /> pha đinh nhanh và βbcu là giá trị tất định biểu diễn năng lượng sẽ được tính toán dựa trên lượng<br /> 1/2<br /> hệ số kênh truyền h phabcu đinh<br /> =βbcu phạm<br /> gbcu vi lớn bao gồm (1)<br /> dữIII.liệu<br /> HIỆU<br /> III. tổng<br /> HIỆUQUẢcộng<br /> QUẢ SỬđược<br /> SỬDỤNG truyềnNĂNG<br /> DỤNG trong một<br /> NĂNG LƯỢNGkhung<br /> LƯỢNG<br /> các hiệu ứng như suy hao<br /> t ×1<br /> đường truyền, che khuất truyền dẫn và công suất tiêu thụ tương ứng. Giả<br /> trong đó gbcu ∈ C N là vector hệ số kênh truyền<br /> và suy hao xuyên tường. Giả thiết rằng các hệ số thiếtKhông mất tính tổng quát, hiệu quả sử dụng<br /> pha đinh nhanh và βbcu là giá trị tất định biểu diễn năngrằng các phần tử thiết bị tương đương ở các<br /> lượng sẽ được tính toán dựa trên lượng<br /> của gbcu là độc lập thống kê và cùng tuân theo trạm gốc có giá trị tham số hoạt động giống nhau.<br /> hệ số kênh truyền pha đinh phạm vi lớn bao gồm dữ liệu<br /> phân bố chuẩn, tức là gbcu ∼ CN (0, INt ). Chúng Tương tự,tổng cộng được truyền trong một khung<br /> giả thiết rằng các phần tử thiết bị tương<br /> các hiệu ứng như suy hao đường truyền, che khuất truyền dẫn<br /> tôi cũng giả thiết kênh đường lên và kênh đường đương ở các thiếtcông và suất tiêu thụ tương ứng. Giả<br /> bị đầu cuối cũng có giá trị tham<br /> và suy hao xuyên tường. Giả thiết rằng các hệ số thiết rằng các phần tử thiết bị tương đương ở các<br /> xuống có tính chất thuận nghịch (reciprocity) hoàn số hoạt động giống nhau.<br /> của gbcu là độc lập thống kê và cùng tuân theo trạm gốc có giá trị tham số hoạt động giống nhau.<br /> hảo. Để tiện viết các biểu thức toán học, giả thiết<br /> phân bố chuẩn, tức là gbcu ∼ CN (0, INt ). Chúng Tương tự, giả thiết rằng các phần tử thiết bị tương<br /> h∗bcu ∈ C1×Nt là vector hệ số kênh truyền đường<br /> tôi Tạp<br /> cũng giả<br /> chítrạm thiếtHỌC kênhCÔNG<br /> đườngNGHỆ<br /> lên và kênh đường A.đương<br /> xuống<br /> 60 từ KHOA gốc b ∈ C tới thuê bao u<br /> Số ∈<br /> 3 - U<br /> 4 . Ký 2016Phânởtích<br /> c(CS.01)<br /> các tổng<br /> thiết tốc<br /> bị đầu độ cuối<br /> dữ liệu cũng đạtcóđược<br /> giá trị tham<br /> xuống<br /> THÔNG có tínhTIN chất<br /> VÀ thuận nghịch<br /> TRUYỀN THÔNG(reciprocity)<br /> t ×U<br /> hoàn số hoạt động giống nhau.<br /> hiệu Hbc = [hbc1 hbc2 · · · hbcU ] ∈ C N là ma 1) Truyền dữ liệu ở đường xuống: Ký hiệu<br /> hảo. Để tiện viết các biểu thức toán học, giả thiết<br /> trận∗ kênh đường lên tổng hợp từ tất cả các thuê x là dữ liệu mà trạm gốc b ∈ C truyền cho<br /> h ∈C 1×N t<br /> là vector hệ số kênh truyền đường f,bu<br /> baobcutrong cell c ∈ C tới trạm gốc b ∈ C . Khi đó, thuê bao u ∈ Ub trong một dữ lầnliệusử đạtdụng<br /> đượckênh,<br /> xuống từ trạm gốc b ∈ C tới thuê bao u ∈ Uc . Ký A. Phân tích tổng tốc độ<br /> H∗bc là ma trận kênh đường xuống tổngNthợp. ×U với E [x f,bu |] = 0 và E [|x f,bu | 2 ] = 1. Trạm gốc<br />  <br /> nh truyền Không mất tính tổng quát, hiệu quả sử dụng Bbu (τp ) = ¯cξ2<br /> λ (9)<br /> bcu<br /> biểu diễn năng lượng sẽ được tính toán dựa trên lượng c=b 3) Lượn<br /> bao gồm dữ liệu tổng cộng được truyền trong một khung <br /> σf2 tương đươ<br /> che khuất Cbu (τ p ) = Thị+ λ¯ c βbck ξbbu . (10)<br /> truyền dẫn và công suất tiêu thụ tương ứng. Giả Nguyễn pf Thanh Hương, Trương Trung Kiên b được tru<br /> các hệ số thiết rằng các phần tử thiết bị tương đương ở các (c,k)=(b,u)<br /> uân theo trạm gốc có giá trị tham số hoạt động giống nhau. Giá trị SINR tương đương tất định ứng với thuê<br /> ). Chúng Tương tự, giả thiết rằng các phần tử thiết bị tương bao u ∈ Ub dưới đây được tính bằng cách thay<br /> nh đường đương ở các thiết bị đầu cuối cũng có giá trị tham thế Rbcu = βbcu INt vào Định lý 5 trong [3] và sử<br /> ity) hoàn số hoạt động giống nhau. B. Phân t<br /> dụng một số biến đổi toán học cơ bản<br /> giả thiết Phần nà<br /> ền đường Abu Nt<br /> η¯f,bu = . (11) tiêu thụ c<br /> ∈ Uc . Ký A. Phân tích tổng tốc độ dữ liệu đạt được Bbu Nt + Cbu truyền dẫn<br /> ×U là ma<br /> 1) Truyền dữ liệu ở đường xuống: Ký hiệu Giá trị tất định tương đương của lượng dữ liệu đề xuất áp<br /> các thuê xf,bu là dữ liệu mà trạm gốc b ∈ C truyền cho đường xuống đạt được (tính theo bits/s) trong một hình công<br /> . Khi đó, thuê bao u ∈ Ub trong một lần sử dụng kênh, khung truyền dẫn ứng với thuê bao u ∈ Ub là dẫn MIMO<br /> hợp. với E[xf,bu |] = 0 và E[|xf,bu |2 ] = 1. Trạm gốc 1) Công<br /> ¯ f,bu =τdd log2 [1 + η¯f,bu ] .<br /> R (12)<br /> ợng kênh b ∈ C sử dụng ma trận tiền mã hoá fbu ∈ CNt ×1