Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày việc khảo sát các thuật toán ước lượng kênh cho hệ thống đa tế bào m-MIMO song công phân chia theo thời gian (TDD-Time Division Duplexing). Các mô phỏng trong bài báo được đánh giá dựa trên các kỹ thuật ước lượng kênh nhằm tìm ra phương pháp có hiệu suất phổ tốt nhất.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 133 (2019) 015-020 Nghiên cứu đánh giá hiệu suất phổ số kỹ thuật ước lượng kênh truyền hệ thống MIMO TDD cỡ lớn Spectral Efficiency Evaluation for Channel Estimation Techniques in Massive MIMO Time Division Duplexing (TDD) System Vương Hoàng Nam1,*, Nguyễn Văn Sơn2 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội - Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Viện Đại học Mở Hà Nội - B01 Phố Nguyễn Hiền, Bách Khoa, Hai Bà Trưng, Hà Nội Tóm tắt Ngày nay, cách mạng mạng di động tế bào diễn mạnh mẽ nhằm hướng tới hệ thông tin 5G Một kỹ thuật quan trọng 5G sử dụng công nghệ MIMO cỡ lớn (massive Multiple-Input Multiple-Output, m-MIMO) nhằm làm tăng hiệu suất phổ hiệu suất lượng lên nhiều lần so với mạng LTE Trong hệ thống m-MIMO, trạm gốc BS sử dụng số lượng lớn anten phục vụ đồng thời nguồn tài nguyên thời gian-tần số cho nhiều thiết bị đơn anten người dùng Ước lượng kênh truyền yếu tố quan trọng m-MIMO nhằm cải thiện hiệu suất phổ lượng Trong trình huấn luyện đường lên, người dùng gửi tín hiệu hoa tiêu (pilot) trực giao biết tới trạm gốc trạm gốc dựa tín hiệu thu ước lượng kênh truyền Trong báo, chúng tơi khảo sát thuật tốn ước lượng kênh cho hệ thống đa tế bào m-MIMO song công phân chia theo thời gian (TDD-Time Division Duplexing) Các mô báo đánh giá dựa kỹ thuật ước lượng kênh nhằm tìm phương pháp có hiệu suất phổ tốt Từ khóa: Hiệu suất phổ, Kỹ thuật ước lượng kênh truyền, MIMO TDD cỡ lớn, tài nguyên thời gian- tần số Abstract Today, a revolution in cellular network has been set in motion toward 5G One of the key techniques for 5G is massive multiple-input multiple-output (m-MIMO) technology to achieve multiple orders of spectral and energy efficiency gains over current LTE networks M-MIMO is a system where a base station (BS) with a large number of antennas simultaneously serve many user terminals, each having a single antenna, in the same time-frequency resource Channel estimation is crucial for M-MIMO systems to provide significant improvement in spectral and energy efficiency In uplink training the user sends orthogonal pilot signals that are known to the BS then the BS estimates the channel In this paper, we study several channel estimation techniques in multi-cell massive MIMO time division duplex (TDD) systems Simulations were performed for several channel estimation techniques in order to identify the best spectral efficiency Keywords: Spectral Efficiency, Channel Estimation Techniques, Massive MIMO TDD, time-frequency resource Đặt vấn đề* MIMO cỡ lớn (massive MIMO, m-MIMO) kỹ thuật đầy hứa hẹn giúp làm tăng hiệu suất phổ (SESpectral Efficiency, bit/s/Hz/cell) mạng di động tế bào cách triển khai mảng anten gồm hàng trăm (hàng ngàn) phần tử trạm gốc BS (Base Station) [1] Một nguyên tắc M-MIMO số lượng anten trạm BS thường lớn nhiều so với số thiết bị người dùng UE (User Equipment) cell (tế bào) Thông thường, hệ thồng m-MIMO hoạt động chế độ truyền song công phân chia theo thời gian TDD (Time Division Duplexing) sử dụng tần số để truyền liệu theo đường lên UL (uplink) đường xuống DL (downlink) thời điểm khác Ở chế độ TDD, khoảng thời gian kết hợp (coherence time) kênh truyền xem thay đổi tương đương cho hai hướng UL DL Dựa vào đặc điểm này, trình huấn luyện đường lên sử dụng để đánh giá kênh truyền trạm gốc Trong trình huấn luyện đường lên, UE gửi chuỗi ký tự pilot (hoa tiêu) trực giao biết tới BS BS dựa tín hiệu thu ước lượng kênh truyền Một cách lý tưởng, chuỗi pilot hai UE ln trực giao việc đánh giá kênh truyền dễ dàng Tuy nhiên số lượng chuỗi pilot trực giao bị giới hạn khoảng thời gian kết hợp Tc kênh thường nhỏ [2] Giả thiết chuỗi pilot gồm p ký * tự Điều có nghĩa ta tìm nhiều p Địa liên hệ: ĐT: 0912634666 Email: nam.vuonghoang@hust.edu.vn 15 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 133 (2019) 015-020 chuỗi pilot (mỗi chuỗi có độ dài p ký tự) trực giao anten Đáp ứng kênh trạm BS j thiết bị người dùng UE i cell l ký hiệu Việc chọn chuỗi pilot có độ dài lớn cho phép tạo tập chuỗi pilot lớn phải trả giá lượng liệu truyền tải buộc phải giảm [3] Điều dẫn tới việc phải tái sử dụng pilot Khi hai nhiều UE cell liền kề sử dụng chuỗi pilot không trực giao, tượng can nhiễu (interference) xảy gây lỗi ước lượng kênh truyền Hiện tượng gọi nhiễu hoa tiêu (pilot contamination) T hlij = hlij,1 hlij, M j Mj Kênh truyền cần đánh giá BS j cách để UE gửi chuỗi pilot gồm p ký tự Chọn p = fK max với K max số người dùng tối đa cell, f số nguyên dương , gọi hệ số tái sử dụng pilot Bằng cách này, không cho phép cung cấp đầy đủ chuỗi pilot cho UE cell mà cung cấp đủ chuỗi pilot cho UE tất L cell thông qua việc chia L cell thành f nhóm cell khơng gần Các cell liền kề không sử dụng tập chuỗi pilot giống Trong báo báo này, khảo sát đánh giá số phương pháp ước lượng kênh truyền mMIMO thông qua kịch mô Kết đánh giá dựa việc đánh giá hiệu suất phổ khối lượng tính tốn phương pháp Mơ hình hệ thống Tập chuỗi pilot sử dụng báo xây dựng dựa ma trận biến đổi Fourier rời rạc [4] sau: 2.1 Giao thức truyền liệu Giao thức truyền m-MIMO TDD thực khối tài nguyên thời giantần số minh họa hình 1 1 = 1 với p = e 1 p − j 2 / p p −1 p p ( ) p −1 p −1 (1) ( p −1)( p −1) p p p Mỗi trạm BS cần đánh giá kênh truyền từ UE hoạt động khoảng thời gian kết hợp Trạm BS j cần đánh giá kênh truyền từ UE cell j Mỗi UE truyền chuỗi pilot p Hình Khối tài nguyên thời gian – tần số m-MIMO TDD mẫu Chuỗi pilot UE cell ký hiệu jk p Các thành phần jk tỷ lệ hệ Khối tài nguyên thời gian – tần số có kích cỡ Bc (Hz) Tc (s) Số lượng ký tự (symbol) truyền khối c = BcTc Giả sử số công suất truyền UL Bc = 200 kHz Tc = 1ms c khối tài nguyên gồm 200 ký tự BS j Y j M j p p jk Tín hiệu thu UL xác định sau [3]: Kj Kl L Y j = p jk h jkj Tjk + pli hlijliT + N j (2) Mỗi khối tài nguyên hoạt động chế độ TDD truyền tải liệu đường lên đường xuống Để đánh giá kênh truyền trạm BS, p ký tự khối k =1 Desired pilot l =1 i =1 l j Noise Inter − cell pilots sử dụng để truyền chuỗi pilot (hoa tiêu) UL ( p K , K số người dùng cell trạm BS), BS j ước lượng kênh h jkj từ UE k phần lại gồm c − p = u + d ký tự cell j dựa vào tín hiệu y jjk Mj cách nhân Y j với chuỗi pilot jk UE đó: dùng truyền liệu UL DL (trong u số ký tự dùng truyền liệu lên UL d số ký tự dùng truyền liệu xuống DL) y jjk = Yj *jk (3) 2.2 Ước lượng kênh pilot ( ) , ( ) Ta giả thiết mạng m-MIMO đa cell gồm L cell, cell có trạm BS Trạm BS j sử dụng M j Tín hiệu y jjk anten phục vụ cho K j thiết bị người dùng đơn lượng kênh h jk h jkj dựa y jjk thực T toán tử chuyển vị liên hợp phức j 16 Mj có số chiều giống h jkj Ước Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 133 (2019) 015-020 theo phương pháp MSSE (Minimum Mean Squared Error) [2] LS (Least Square) [1] corelation matrix) Rlkj j j UE k cell l BS j [3,5,6] R dạng ma trận Toeplitz Khi 2.3 Đánh giá hiệu suất phổ số lượng anten M j đủ lớn Rlkj = E hlkj ( hlkj ) M M Việc ước lượng kênh truyền pilot 2.2 cho phép BS phát tín hiệu từ UE cell Ta giả thiết BS j sử dụng véc-tơ Mj kết hợp tuyến tính máy thu v jk N để chọn lọc ( 0, p ) jk Dựa theo định lý giới hạn Shannon, công suất kênh đường lên UE k cell j bị giới hạn tiệm cận hiệu suất phổ SEUL jk [bit/s/Hz] [2]: với SEUL jk = j = 1, , L k = 1, , K j Phương sai p jk cơng suất truyền Tín hiệu thu UL y j Mj k =1 j jk s jk + Desired signals Kl L h s l =1 i =1 l j + nj j li li hợp xét) xác định [2, Lemma & Lemma 2]: Noise Inter − cell interference SIRN Ujk L = Trong thành phần nhiễu cộng độc lập máy thu giả thiết trung bình phương sai UL : nj N (0 Mj , UL IM j tơ kết hợp v jk C ) Trạm thu BS Mj j chọn véc- L l =1 ước lượng kênh truyền h dựa việc truyền pilot BS j dùng véc-tơ kết hợp phía thu v jk để Desired signal over estimated channel + Kj v i =1 ik H jk L ( ) v Hjk h jk s jk Các véc-tơ kết hợp cho tất UE BS j theo phương pháp MMSE (Minimum Mean-Squared Error) [3], ZF (Zero-Forcing) MR (Maximum Ratio)[2], xác định sau: Desired signal over unkown channel Kl h jij s ji + v Hjk hlij sli + v Hjk n j l =1 i =1 l j Intra − cell interference Noise Inter − cell interference V jMMSE = v j1 (5) j (đã biết) h jk thành phần sai số kênh ( ) H ký hiệu v jK j ( ) j j L = H l Pl H l l =1 j h jk thành phần kênh truyền ước lượng truyền (không biết) jk j j j j H Clij = E hli hli với hli = hlij − hli sai số ước lượng kênh truyền hlij tập pilot j + i =1 ( l ,i ) ( j , k ) j L Kl pli Hjk hli + Hjk pli Clij + UL IM j l =1 i =1 (7) tách tín hiệu thu mong muốn UE thứ k sau: j Kl cho UE thứ k hàm v Hjk h jk s jk j p jk Hjk h jk j jk v Hjk y j = (6) (4) l =1 k =1 Kj ratio) định nghĩa tỷ số tức thời (trong khoảng thời gian kết hợp) Cơng suất tín hiệu nhận (received signal power) Tổng công suất can nhiễu nhiễu (interference plus noise power) SIRN UL jk tức thời (trong khoảng thời gian kết Kl h SIRN UL (Signal-to-interference-plus-noise jk y j = hlkj slk + n j = u log (1 + SIRN UL jk ) c BS j mơ hình hóa sau [3]: L j j lượng kênh truyền hlk = hlkj − hlk Giả thiết UE thứ k cell j truyền s jk [6] Ma trận Rlkj sử dụng để đánh giá sai số ước đại tín hiệu từ UE k loại bỏ nhiễu trừ UE khác mạng tín hiệu ngẫu nhiên H H L + pli C + I l =1 i =1 ( Pl = diag pl1 , toán tử Hermitian (chuyển vị liên hợp) Kl j li , plKl UL M j ) (8) j H j Pl −1 ma trận đường chéo gồm công suất UE cell l H l j ma trận ước lượng kênh tất UE cell l đến cell j [3] Với cấu hình vị trí BS, UE cố định mạng, mơ hình kênh NLoS thiết bị UE trạm BS sử dụng mảng anten ULA mơ hình hóa thơng qua ma trận tương quan khơng gian (spatial 17 Tạp chí Khoa học Công nghệ 133 (2019) 015-020 ( ) j j V jZF = H j H j V jMR = H H j Hj đường truyền = −128,1dB suy hao kênh truyền −1 j j (9) khoảng cách tham chiếu km Flkj N ( 0, sf2 ) thay đổi tín hiệu tượng bóng râm (shadow fading) Độ lệch sf xác định mức độ biến thiên (10) Kịch mô hiệu ứng bóng râm, giá trị sf mơi trường Trong kịch mô phỏng, xây dựng mạng di động tế bào có vùng phủ sóng 1, 2km 1, 2km gồm L = 16 cell, xếp dạng lưới hình [3] Kích thước cell 0,3km 0,3km Hệ số tái sử dụng pilot f = Tập pilot chia làm tập pilot Các cell thuộc nhóm (ví dụ cell 1,3 ,9 11) sử dụng chung tập pilot Các cell liền kề không sử dụng tập pilot giống truyền sóng thường thay đổi khoảng từ đến 12 dB Công suất nhiễu máy thu BS (bao gồm tạp âm nhiệt hệ số tạp âm BS NF , B băng thông kênh truyền) xác định: Noise = −174dBm + 10log10 B ( Hz ) + NF (8) Mỗi khối tài nguyên gồm c mẫu Giá trị c = 400 chọn phù hợp với môi trường outdoor Trạm BS cell đặt cell, sử dụng mảng ULA hàng ngang (Horizontal-Uniform Linear Array) gồm M anten đẳng hướng (dipole) khoảng cách d H = 0,5 phục vụ cho K thiết bị người dùng UE tần số GHz có tốc độ di động phân tán kênh cao[2] Để mơ hình hóa kênh truyền m-MIMO, ta sử dụng khái niệm góc danh định (nominal angle) lkj BS j UE k cell l , độ lệch chuẩn góc (ASD-Angular Standard Deviation) độ biến thiên góc xung quanh lkj thể dịch chuyển UE khoảng thời gian kết hợp [3,8] Trong mô phỏng, giá trị ASD chọn 100 xem thích hợp với mơ hình mạng tế bào thị [9] Với cấu hình vị trí BS, UE cố định mạng, tham số , , d H sử dụng để xác định ma trận tương quan không gian Rlkj UE k cell l BS j Hình Mạng tế bào cell với hệ số tái sử dụng pilot f = Trạm BS cell đặt cell, sử dụng mảng ULA hàng ngang (Horizontal-Uniform Linear Array) gồm M anten đẳng hướng (dipole) khoảng cách d H = 0,5 phục vụ cho K thiết bị người dùng UE Các tham số truyền sóng sử dụng mơ hình NLoS (None Line of Sight) marcocell 3GPP tần số 2GHz [7] Hệ số suy hao đường truyền fading tầm rộng lkj (dB) UE k cell l BS cell j mơ hình hóa sau: dj lkj = + 10 log10 lk + Flkj km dj = 128,1 + 37, log10 lk + Flkj km Hình Minh họa góc danh định BS UE độ lệch chuẩn góc ASD Các tham số mơ hệ thống mạng di động đa tế bào trình bày Bảng Bảng 1.Tham số mơ (11) Tham số Số lượng cell (L) Kích thước cell Số lượng anten Số lượng UE cell Trong d lkj (km) khoảng cách máy thu BS máy phát UE, = 3, 76 hệ số (mũ) suy hao 18 Giá trị L=16 300m x 300m M K Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 133 (2019) 015-020 Tần số Băng thông Hệ số tạp âm BS Hiệu ứng bóng râm thuật tốn đánh giá tất UE lần mô GHz B=10 MHz NF = 7dB sf = 10dB Công suất UE Số mẫu khối tài nguyên Hệ số tái sử dụng pilot 100mW c = 400 f =4 p = fK Số lượng UL pilot ASD 100 Kịch mô cho M-MIMO xây dựng bước sau [3]: Bước 1: Xây dựng cấu hình mạng - Đặt UE vào vị trí ngẫu nhiên cell - Tính khoảng cách d lkj góc danh định lkj Hình Hiệu suất phổ thuật toán ước lượng K=10 M thay đổi - Xây dựng mơ hình kênh thơng qua ma trận tương quan khơng gian Rlkj Hình kết đánh giá hiệu suất phổ phương pháp MMSE, ZF MR Qua mơ ta thấy hiệu suất phổ MMSE cao MR thấp Bước 2: Tạo tham số kênh truyền - Tạo ngẫu nhiên hệ số fading bóng râm Flkj - Tính tốn hệ số suy hao kênh lkj Bước 3: Ước lượng kênh truyền j - Ước lượng kênh truyền h lk ước lượng thông qua việc sử dụng chuỗi pilot Bước 4: Tính tốn hiệu suất phổ SE - Tính SIRN UL jk tức thời theo cơng thức (7) ,inst - Xác định hiệu suất phổ tức thời SEUL theo cơng jk thức (6) - Tính hiệu suất phổ bình quân SEUL jk UE Hình Khối lượng tính tốn thuật tốn ước lượng K=10 M thay đổi tất lần mơ Kết mơ Ngồi hiệu suất phổ, khối lượng tính tốn phương pháp đánh giá dựa việc tính tốn tín hiệu thu v Hjk y j UE cell Trong mô phỏng, số UE cell ln cố định K = 10 Do số lượng pilot sử dụng mô p = fK = 40 Trong đánh tính tốn véc-tơ kết hợp V j đường lên UL, ta chọn giá trị u = c − p = 360 Số khoảng thời gian kết hợp Khối lượng tính tốn dựa tổng số phép nhân (hoặc chia) số phức tính tốn bỏ qua phép cộng(hoặc trừ) số phức Hình trường hợp này, MMSE có khối lương tính tốn lớn ZF MR có khối lượng tính tốn gần tương đồng lượng anten M trạm BS thay đổi dùng để đánh giá hiệu suất phổ phương pháp Trong q trình mơ phỏng, chúng tơi thiết lập 100 cấu hình vị trí ngẫu nhiên UE BS toàn mạng Với cấu hình vị trí, việc ước lượng kênh truyền đánh giá hiệu suất phổ UE mạng thực 100 lần với tham số kênh truyền sóng thay đổi Hiệu suất phổ bình qn 19 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 133 (2019) 015-020 [4] Biguesh, M And A.Gershman “Downlink Channel Estimation in Cellular Systems with Antenna Arrays at Base Stations Using Channel Probing with Feedback,” EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, Volume 2004, pp.1330-1309 Kết luận Bài báo khảo sát đánh giá số phương pháp ước lượng kênh truyền sử dụng pilot hệ thống MIMO TDD cỡ lớn Các kết mô báo đánh giá thuật toán hiệu suất phổ (bit/s/Hz/cell) độ phức tạp tính tốn Hướng nghiên cứu tác giả thực đánh giá thuật tốn ước lượng kênh truyền mơi trường truyền dải sóng milimét [5] A.Forenza, D.J.Love, R.W.Heath “Simplified Spatial Correlation Models for Clustered MIMO Channels With Different Array Configurations,” IEEE Transactions on Vehicular Technology 56(4):1924 1934 , August 2007 [6] Haifan Yin, David Gesbert, Miltiades Filippou, Yingzhuang Liu “A Coordinated Approach to Channel Estimation in Large-scale Multiple-antenna Systems,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 31(12): 264-273, 2012 Lời cám ơn Các tác giả báo xin chân thành cám ơn hỗ trợ kinh phí nghiên cứu khoa học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội thông qua đề tài cấp Trường mã số T2017-PC-117 [7] Futher advancement for E-UTRA physical layer aspects (Release 9) 2010 3GPP TS 36.814 Tài liệu tham khảo [8] Andrea P Guevara, Cheng-Ming Chen and Sofie Pollin, “Pilot Contamination in Massive MIMO: Virtual Angular Information aided Channel Estimation” Poster presented for EuCNC 2018, June 2018 Ljubljana [1] Trinh Van Chien, Emil Björnson, Massive MIMO Communications, Book Chapter, Part of 5G Mobile Communication, Springer 2017, pp.77-116, ISBN: 978-3-319-34206-1 [2] Emil Björnson, Erik G Larsson, Mérouane Debbah “Massive MIMO for Maximal Spectral Efficiency: How Many Users and Pilots Should Be Allocated?,” IEEE Transaction on Wirless Communication, Volume 15, issue 2, February 2016, page 1293-1308 [9] K.I Pedersen, P.E Mogense, B.H Fleury, "Power Azimuth Spectrum in Outdoor Environments," IEEE Electronic Letters, vol 33, no 18, pp 1583-1584, August 1997 [3] Emil Björnson, Jakob Hoydis, Luca Sanguinetti, Massive MIMO networks: Spectral, Energy, and Hardware Efficiency, Publisher Inc., 2018 20 ... sát đánh giá số phương pháp ước lượng kênh truyền sử dụng pilot hệ thống MIMO TDD cỡ lớn Các kết mô báo đánh giá thuật toán hiệu suất phổ (bit/s/Hz/cell) độ phức tạp tính tốn Hướng nghiên cứu. .. thấy hiệu suất phổ MMSE cao MR thấp Bước 2: Tạo tham số kênh truyền - Tạo ngẫu nhiên hệ số fading bóng râm Flkj - Tính toán hệ số suy hao kênh lkj Bước 3: Ước lượng kênh truyền j - Ước lượng kênh. .. giống Trong báo báo này, khảo sát đánh giá số phương pháp ước lượng kênh truyền mMIMO thông qua kịch mô Kết đánh giá dựa việc đánh giá hiệu suất phổ khối lượng tính tốn phương pháp Mơ hình hệ thống