Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

MỘT GIAO THỨC TRUY CẬP NGẪU NHIÊN
CHO HỆ THỐNG CELL-FREE MASSIVE MIMO
Hà Xuân Sơn
Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc
gia Hà nội


Hồng Gia Hưng
Trường Đại học Cơng nghệ - Đại học Quốc
gia Hà nội


Tóm tắt – mMTC (truyền thơng cho tập hợp lớn máy
móc) là một thành phần quan trọng của mạng sau 5G
(B5G) và của cách mạng công nghiệp 4.0. Do phải đáp
ứng nhiều yêu cầu kết nối cùng một lúc nên xây dựng
một giao thức truy cập ngẫu nhiên hiệu quả là vấn đề
rất quan trọng. Trong bài báo này chúng tôi phát triển
giao thức A-ACB, đã được đề xuất cho hệ thống
Cellular Massive MIMO, sang áp dụng cho hệ thống
Cell-Free Massive MIMO. Kết quả phân tích và mơ
phỏng cho thấy giao thức này vẫn đảm bảo mức độ hiệu
quả cần thiết, trong khi giao thức SUCRe, một giao thức
khá hiệu quả trong hệ thống Cellular Massive MIMO,
lại tỏ ra kém hiệu quả trong hệ thống không phân chia
tế bào. Kết luận rút ra ở đây là trong ứng dụng mMTC,
theo hướng nghiên cứu phân giải va chạm trong truy
cập ngẫu nhiên dựa trên cấp phát (Grant-based) thì
giao thức A-ACB là một ứng viên tiềm năng tốt.

va chạm sẽ xảy ra. Nhiệm vụ của giao thức là giải quyết va
chạm này. Nếu giải quyết thành công, thiết bị chiến thắng
sẽ chính thức được cấp phát tài nguyên kết nối để sau đó
truyền dữ liệu. Do đặc điểm lưu lượng trong mMTC là gián
đoạn, ngẫu nhiên với các khúc dữ liệu nhỏ do đó yêu cầu xử
lý phân giải va chạm cho phương pháp cấp phát phải thật
đơn giản. Các thiết bị truy cập khơng thành cơng có thể tiếp
tục truy cập lại trong nhịp tiếp theo.
Một hướng nghiên cứu khác là giao thức không cấp phát
(Grant-free). Trong giao thức này khơng có pha giải quyết
va chạm rồi mới cấp phát tài nguyên truyền dữ liệu như kiểu
giao thức trên mà các UE đồng thời truy cập và truyền dữ
liệu kèm theo ngay. BS sẽ xử lý tách (Detection) đồng thời
cả UE và dữ liệu. Kiểu giao thức này lại có thể chia thành
loại sử dụng preamble trực giao [7,8,9] và loại sử dụng
preamble khơng trực giao [10,11,12]. Nhìn chung truy cập
ngẫu nhiên theo giao thức khơng cấp phát địi hỏi BS phải
xử lý nhiều tính tốn phức tạp và thực hiện các thuật toán
như khử nhiễu nối tiếp (SIC), hay cảm nhận nén (CS) khi
cho rằng số UE active là tín hiệu thưa…

Từ khố – truyền thơng cho mMTC,massive MIMO,
giao thức SUCRe, phân giải va chạm theo Grand-based.

Trong bài báo này chúng tôi nghiên cứu giao thức theo
hướng thứ nhất là phân giải va chạm dựa trên cấp phát
(Grant-based) và áp dụng cho hệ thống không phân chia tế
bào (Cell-Free). Giao thức phát triển là giao thức A-ACB
đã được đề xuất áp dụng cho hệ thống Cellular Massive

MIMO, nay được đề xuất áp dụng cho hệ thống Cell-Free.
Kết quả phân tích và mơ phỏng cho thấy giao thức này vẫn
giữ hiệu quả ổn định trong khi giao thức SUCRe [2], một
giao thức khá hiệu quả trong hệ thống Cellular Massive
MIMO lại tỏ ra kém hiệu quả trong hệ thống Massive
MIMO khơng phân chia tế bào, cịn giao thức ACBPC [3]
thì hồn tồn khơng thể vận dụng được.

I. GIỚI THIỆU
Truyền thơng cho tập hợp lớn máy móc (mMTC) là một
thành phần quan trọng của hệ thống truyền thông tương lai
sau 5G (B5G). Nó cho phép kết nối với một tập lớn máy
móc qua Internet (IoT) và là nền tảng then chốt cho cách
mạng công nghiệp 4.0
Một trong những thách thức chính của mMTC là làm
sao có thể hỗ trợ một tập lớn thiết bị cùng một lúc có yêu
cầu trao đổi dữ liệu trên cùng một tài nguyên thời gian tần
số. Massive MIMO [1] là một công nghệ 5G với khả năng
ghép kênh không gian cũng như khả năng cải thiện hiệu suất
phổ lớn đã hứa hẹn hỗ trợ giải quyết vấn đề này. Nói chung
các phương pháp giải quyết đa truy cập nói trên được chia
thành 2 hướng nghiên cứu.

Bài báo được bố cục như sau: I. Giới thiệu, II. Trình bày
tóm tắt giao thức SUCRe và A-ACB trong hệ thống Cellular
Massive MIMO, III. Đề xuất áp dụng A-ACB cho hệ thống
Cell-Free. IV. Mô phỏng so sánh, V. Kết luận

Hướng thứ nhất là phương pháp dựa trên cấp phát
(Grant-Based) [2,4,5,6,]. Mỗi thiết bị (UE) khi muốn kết nối

(activated) sẽ chọn ngẫu nhiên một dãy mở đầu (preamble)
trong tập các dãy trực giao có sẵn gửi về trạm cơ sở (BS)
thông báo muốn kết nối. Trong trường hợp may mắn các
thiết bị chọn các dãy preamble khác nhau và do tính chất
trực giao giữa các dãy, BS nhận biết được các yêu cầu tách
biệt, nên có thể cấp phát tài nguyên kết nối cho nhiều yêu
cầu cùng một lúc. Tuy nhiên trong trường hợp kém may
mắn: có từ 2 thiết bị trở lên chọn dãy preamble giống nhau,

ISBN 978-604-80-5958-3

Trịnh Anh Vũ
Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc
gia Hà nội
, Tác giả liên hệ

II. GIAO THỨC SUCRe VÀ A-ACB TRONG HỆ
THỐNG CELLULAR MASSIVE MIMO
Phần này trình bày tóm tắt lại các giao thức SUCRe và
A-ACB đã được đề xuất khá hiệu quả trong hệ thống
Cellular Massive MIMO [2,3].
Trong hệ thống này trạm cơ sở ở trung tâm tế bào được
trang bị M anten với M>>K là số UE trung bình, mỗi UE
trang bị 1 anten, được kích hoạt ở mỗi lần truy cập. Điều

119


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)


kiện này đảm bảo hệ thống có đầy đủ tính chất của một hệ
thống Massive MIMO là: khả năng ghép kênh không gian,

có thể tạo búp tách biệt đường xuống đến các UE, cứng hóa
kênh truyền…

Hình 1. Bốn pha của giao thức SUCRe trong hệ thống Cellular Massive MIMO
Bốn pha của giao thức SUCRe [2] được mô tả như trên
hình 1:

Điều đó có nghĩa tất cả UE đều yên lặng. Preamble đó sẽ bị
bỏ phí.

 Pha 1: Các UE có nhu cầu trao đổi dữ liệu sẽ chọn
ngẫu nhiên một dãy mở đầu (preamble) trong một
danh sách dãy trực giao có sẵn gửi về BS.

Giao thức A-ACB được nhóm tác giả đề xuất trong một
bài viết khác có cơ chế phân giải va chạm mềm dẻo hơn,
khắc phục được một số nhược điểm của SUCRe. Cụ thể như
sau:

 Pha 2: BS sử dụng các dãy preamble có sẵn thực hiện
tương quan với các tín hiệu nhận được. Giả sử với
một preamble xác định, sau khi tương quan BS nhận
được giá trị S. S sẽ bằng tổng độ lợi kênh từ BS đến
k UE đã chọn preamble này. Nếu k=1, tức là chỉ có
1 UE chọn preamble, thì S bằng độ lợi của kênh
truyền đến 1 UE này. Sau đó BS sẽ mã trước tạo búp
và truyền giá trị 1/S đến từng UE liên quan. (trường

hợp k=0 thì S là một giá trị dưới ngưỡng, BS sẽ bỏ
qua).

 Pha 1, pha 2 thực hiện như giao thức SUCRe.
 Ở pha 3 khi mỗi UE nhận được giá trị gi/S nó khơng
thực hiện so sánh với ½ mà coi đó như giá trị ACB
(Access Class Barring) [4]. Tức là giá trị ACB này
được so sánh với một giá trị ngẫu nhiên phân bố đều
tự khởi tạo là  (0 <<1). Nếu  < gi/S UE sẽ phát
lại preamble, ngược lại nếu  > gi/S UE sẽ im lặng
và chờ đến nhịp truy cập sau.
 Ở pha 4, nếu BS nhận được preamble phát lại không
va chạm (có xác suất khơng va chạm tốt hơn vì đã
thực hiện ACB), UE sẽ được cấp phát đường truyền.
Nếu xảy ra va chạm thì preamble này sẽ bị bỏ phí.

 Pha 3: Mỗi UEi (i = 1, 2, ..., k) nói trên sau khi chuẩn
hóa với M là số anten của trạm cơ sở sẽ nhận được
giá trị gi/S. Ở đây gi chính là độ lợi kênh đường
xuống đến UEi. Trong hệ thống Massive MIMO thì
độ lợi kênh đường lên và đường xuống bằng nhau
nên: ∑𝑖(𝑔𝑖 /𝑆) ≈ 1. Nếu UE nào có gi/S>1/2 có
nghĩa giá trị gi/S ở tất cả các UE cịn lại sẽ nhỏ hơn
½. Giao thức SUCRe phân giải va chạm như sau:
chỉ UE có gi/S >1/2 là được phát lại preamble kèm
theo số hiệu (Identification) của nó, cịn các UE có
giá trị gi/S <1/2 yên lặng chờ đến nhịp truy cập sau.
Việc này được tự quyết định ở mỗi UE (nên còn gọi
là phương pháp phân giải va chạm phân tán, không
tập trung ở BS như các giao thức khác). Rõ ràng,

lúc này chắc chắn khơng cịn va chạm xảy ra nữa.

Giao thức như trên cũng được so sánh với giao thức
ACBPC [3]. ACBPC là giao thức mà khi khởi hoạt, UE sẽ
phát với công suất nghịch đảo với độ lợi kênh truyền của
nó. Khi đó, BS sẽ không tách được tổng độ lợi các kênh từ
các UE chọn chung preamble mà xác định được số UE chọn
chung preamble là k. Giá trị k này được thông báo xuống
các UE. Mỗi UE sẽ chọn các ACB bằng nhau và bằng 1/k.
Kết quả cũng cho thấy khơng chỉ A-ACB ln tốt hơn
ACBPC, mà cịn đem lại tính bình đẳng và hiệu quả hơn
SUCRe khi quy mô quản lý lớn. Tuy nhiên khi quy mô quản
lý khơng q lớn thì SUCRe lại tỏ ra tốt hơn.

 Pha 4: Nhận được preamble phát lại không va chạm,
BS sẽ tách được số hiệu của UE này và chính thức
cấp phát đường truyền dữ liệu cho nó. Chú ý là nếu
ngay từ pha 1 chỉ có k = 1 UE chọn preamble thì giá
trị UE nhận được ở pha 3 sẽ là gi/S ≈ 1, giá trị này
chắc chắn > 1/2 nên UE này cũng chắc chắn được
cấp phát trong pha 4.

III. ĐỀ XUẤT GIAO THỨC A-ACB TRONG HỆ
THỐNG CELL-FREE MASSIVE MIMO
Ở phần này chúng tôi khảo sát sự áp dụng của các giao
thức A-ACB cho hệ thống Cell-Free. Có thể thấy ngay rằng
trong hệ thống Cell-free khơng thể áp dụng giao thức
ACBPC được vì lúc này mỗi UE có thể kết nối với nhiều
AP (Access Point) nên khơng xác định được một giá trị công
suất phát nghịch đảo với độ lợi kênh truyền. Chỉ còn 2 giao

thức SUCRe và A-ACB. Giao thức nào có thể áp dụng tốt?

Giao thức SUCRe có ưu điểm là xử lý đơn giản và có
hiệu quả thực tế khá cao. Tuy nhiên giao thức này có nhược
điểm là không bình đẳng, nó ưu tiên cấp phát cho những UE
ở gần trạm cơ sở (vì có độ lợi kênh truyền cao) và khi số UE
kích hoạt một lúc lớn (ứng với quy mơ quản lý thiết bị cỡ
>104) thì giao thức này tỏ ra kém hiệu quả vì khi đó thường
xảy ra tình huống là tất cả các UE đều có giá trị gi/S < 1/2.

ISBN 978-604-80-5958-3

Mơ hình hệ thống của hệ Cell-Free như sau:

120


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)

 Mỗi UE tự khởi tạo một số ngẫu nhiên
phân bố đều: 0< <1.
 Nếu 0<preamble kèm ID.
 Nếu ACBk< thì UEk yên lặng. Như vậy
xác suất va chạm sẽ giảm.
 Pha 4: Nếu BS nhận được 1 dãy preamble khơng va
chạm kèm ID nó sẽ cấp phát đường truyền cho UE
có ID này ngược lại nếu có va chạm preamble này
sẽ bị hủy bỏ.
IV. MÔ PHỎNG

Phần này sẽ thực hiện kiểm chứng hiệu quả của 2 giao
thức trên thông qua mô phỏng. Các tham số mô phỏng lấy
từ tài liệu [12]
A. Tham số mô phỏng
Tham số

Giá trị

Khu vực mơ phỏng

400m x 400m

Hình 2. Minh họa hệ thống Massive MIMO không phân
chia tế bào (L=4, K=3, M=16)

Tổng số anten: Tập
trung, phân tán

64

Giả sử hệ thống có L điểm truy cập (AP) được phân bố
đều trên địa bàn. Mỗi AP được trang bị M anten. Các AP
đều có đường kết nối (Front haul) về một bộ xử lý trung tâm
(CPU), như Hình 2.

Người dùng

2, 5, 10, 15, 20

Độ lợi đường truyền

β(d)[dB] = −30.5 − 36.7log10 (

d
)
1m

Các UE trên địa bàn muốn kết nối, cũng chọn ngẫu
nhiên một dãy preamble trong danh sách có sẵn và gửi về
các AP. Giả sử với một preamble xác định có K UE va chạm
nhau. K < L Ta sẽ áp dụng giao thức phân giải va chạm như
sau:
 Pha 1: Tại điểm APl, thực hiện tương quan với dãy
preamble này sẽ tách được:
𝑆𝑙 = ∑𝐾𝑘=1 𝑔𝑘𝑙

𝑘 = 1,2, . . 𝐾; 𝑙 = 1,2, . . , 𝐿

Ở đây gkl là độ lợi kênh từ UEk đến APl. Các giá trị
Sl được truyền về CPU. Tại CPU tính:
𝑆 = ∑𝐿𝑙=1 𝑆𝑙
 Pha 2: CPU sẽ truyền giá trị 1/S để các AP phát
xuống các UE.
Hình 3. Một cell với một AP 64 anten trong hệ thống
Cellular Massive MIMO

 Pha 3: Tại UEk, sau khi chuẩn hóa với M là số anten
tại mỗi AP, sẽ nhận tổng các giá trị phát từ các APl
kết hợp nhân với độ lợi kênh từ APl đến UEk sẽ ước
lượng được giá trị:

𝐴𝐶𝐵𝑘 = ∑𝐿𝑙=1 𝑔𝑘𝑙 /𝑆

Chú ý là ∑𝐾𝑘=1 𝐴𝐶𝐵𝑘 = ∑𝐾𝑘=1 ∑𝐿𝑙=1 𝑔𝑘𝑙 /𝑆 =

∑𝐿𝑙=1 𝑆𝑙
𝑆

≈1

Nên phân giải va chạm cũng được thực hiện từ UE.
Nếu áp dụng kiểu giao thức SUCRe:
 Nếu UE nào có ACB > 1/2, UE đó được
quyền phát lại kèm ID của nó và các UE
khác im lặng.
Nếu áp dụng kiểu giao thức A-ACB.
Hình 4. Cell-free gồm 4 AP

ISBN 978-604-80-5958-3

121


Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thơng và Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021)

Hình 5. Cell-free gồm 16 AP
Hình 8. Kết quả mơ phỏng với AP=16, K thay đổi với các
giá trị tương ứng 2, 5, 10, 15, 20

Hình 6. Cell-free gồm 64 AP
B. Kết quả mơ phỏng

Hình 9. Kết quả mơ phỏng với AP=64, K thay đổi với
các giá trị tương ứng 2, 5, 10, 15, 20
C. Nhận xét
Kết quả mơ phỏng từ Hình 7, 8, 9 biểu diễn xác suất
phân giải thành công của K=2, 5, 10, 15, 20 UE kích
hoạt/preamble lần lượt với AP=4, 16 và 64. Có thể nhận
thấy rằng, giao thức A-ACB vẫn giữ hiệu quả ổn định khi
số AP tăng; trong khi giao thức SUCRe [2] thay đổi mạnh,
kém hiệu quả hơn trong hệ thống Cell-free Massive MIMO.
Điều này được lý giải là tính khơng bình đẳng: ưu tiên cấp
phát cho những UE có độ lợi kênh truyền cao ở gần trạm cơ
sở của giao thức SUCRe trong hệ thống Cellular Massive
MIMO, bị giảm ở hệ thống Cell-Free Massive MIMO. Bởi
vì ở hệ thống Cell-Free Massive MIMO, càng nhiều điểm
truy cập AP độ lợi tổng cộng đến các UE càng đồng đều.
Ngồi ra, khi số UE kích hoạt/preamble tăng giao thức
SUCRe cũng cho thấy suy giảm hiệu quả nhanh, như trong
kết quả mơ phỏng Hình 9, xác suất phân giải thành công trở
về 0 khi K=5. Điều này có nghĩa là, tất cả các UE đều có giá
trị gi/S < 1/2. Suy ra giao thức A-ACB có thể dùng cho
Cell-free mà SUCRe thì khơng sử dụng được.

Hình 7. Kết quả mô phỏng với AP=4, K thay đổi với các
giá trị tương ứng 2, 5, 10, 15, 20

ISBN 978-604-80-5958-3

122

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
[3] Jos´e Carlos Marinello, Taufik Abr˜ao, Richard Demo Souza,
Elisabeth de Carvalho, Petar Popovski, Achieving Fair Random
Access Performance in Massive MIMO Crowded Machine-Type
Networks, IEEE Wireless Communications Letters 2019.
[4] Suyang Duan, Vahid Shah-Mansouri, Zehua Wang, and Vicent
Wong, D-ACB: Adaptive Congestion Control Algorithm for Bursty
M2M Traffic in LTE Networks, IEEE Transactions on Vehicular
Technology 2016.
[5] H. Han, Y. Li, and X. Guo, “A Graph-Based Random Access Protocol
for Crowded Massive MIMO Systems,” IEEE Transactions on
Wireless Communications, vol. 16, no. 11, pp. 7348- 7361, Nov
2017.
[6] J. C. Marinello and T. Abrao, “Collision Resolution Protocol via Soft
Decision Retransmission Criterion,” IEEE Transactions on Vehicular
Technology,vol. 68, no. 4, pp. 4094-4097, April 2019.
[7] J.H.Sørensen, E.de Carvalho, Č.Stefanović, P.Popovski, Coded pilot
random access for massive MIMO systems, IEEE Trans. Wireless
Commun. 17 (12) (2018) 8035–8046.
[8] E. Becirovic, E. Björnson, E.G. Larsson, Detection of pilot hopping
sequences for grant-free random access in massive MIMO systems,
in: Proc. of IEEE ICASSP, 2019.
[9] Z.Chen, F.Sohrabi, W.Yu, Sparse activity detection for massive
connectivity, IEEE Trans. Signal Process. 66 (7) (2018) 1890–1904.
[10] K. Senel, E.G. Larsson, Grant-free massive MTC-enabled massive
MIMO: A compressive sensing approach, IEEE Trans. Commun. 66
(12) (2018).
[11] Y. Polyanskiy, A perspective on massive random-access, in: IEEE
Int. Symp. Inform. Theory Proc., No. 2, 2017, pp. 2523–2527.
[12] Ưzlem Tuğfe Demir, Emil Bjưrnson and Luca Sanguinetti (2020),

Foundations of User-centric Cell-free Massive MIMO”,
Foundations and Trends® in Signal Processing: Vol. 14, No. 3-4.

V. KẾT LUẬN
Bài báo đề xuất cách áp dụng các giao thức SUCRe và
A-ACB đã được thực hiện cho hệ thống Cellular Massive
MIMO sang thực hiện cho hệ thống Cell-Free Massive
MIMO. Mô phỏng kiểm chứng cho thấy giao thức kiểu AACB vẫn giữ hiệu quả ổn định trong khi giao thức SUCRe
tỏ ra kém hiệu quả. Lý giải về điều này là do hệ thống CellFree Massive MIMO đã tạo ra sự đồng đều trong độ lợi kênh
tổng cộng đến các UE, trong khi ở hệ thống Cellular
Massive MIMO, độ lợi kênh không đồng đều từ tâm tế bào
sang rìa tế bào. Chính vì thế giao thức SUCRe, một giao
thức nhằm lựa chọn UE có độ lợi kênh nổi trội đã khơng cịn
hiệu quả trong hệ thống không phân chia tế bào. Từ đây có
thể kết luận giao thức A-ACB vẫn là ứng viên tiềm năng
cho hệ thống Cell-Free Massive MIMO.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ một phần bởi Trường Đại học Công
nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội theo đề tài mã số CN21.05.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] T. L. Marzetta, “Noncooperative cellular wireless with
unlimitednumbers of base station antennas,” IEEE Trans. Wireless
Commun.,vol. 9, no. 11, pp. 35903600, 2010.
[2] E. Bj ăornson, E. de Carvalho, J. H. Sørensen, E. G. Larsson, and P.
Popovski, “A Random Access Protocol for Pilot Allocation in
Crowded Massive MIMO Systems,” IEEE Trans on Wirel. Comm.,
vol. 16, no. 4, pp. 2220–2234, April 2017.

ISBN 978-604-80-5958-3

123