1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MIMO
1.1. MỞ ĐẦU
Đa anten là tên chung cho cho tập hợp những kỹ thuật dựa trên việc sử dụng
nhiều anten ở phía thu/phía phát, và ít nhiều kết hợp với kỹ thuật xử lý tín hiệu,
thường được gọi là MIMO. Kỹ thuật đa anten có thể được sử dụng để nâng cao hiệu
năng hệ thống, bao gồm làm tăng dung lượng hệ thống (số người dùng trong một ô
tăng) và tăng vùng phủ (mở rộng ô) cũng như là làm tăng khả năng cung cấp dịch vụ,
ví dụ, tốc độ dữ liệu người dùng cao hơn.
1.1.1. Cấu hình đa anten
Một trong những đặc tính quan trọng trong cấu hình đa anten là khoảng cách
giữa hai phần tử anten do khoảng cách các anten có mối quan hệ với độ tương quan
giữa fading kênh vô tuyến (được xác định bởi tín hiệu tại các anten khác nhau). Các
anten được đặt xa nhau để độ tương quan fading thấp. Ngược lại, các anten được đặt
gần nhau để độ tương quan fading cao, bản chất là các anten khác nhau sẽ có fading
tức thời tương tự nhau.
Khoảng cách thực tế cần thiết giữa các anten để độ tương quan cao/ thấp phụ
thuộc vào bước sóng, tương ứng là tần số sóng mang được sử dụng. Tuy nhiên, nó
cũng phụ thuộc vào kịch bản khi triển khai. Trường hợp các anten trạm gốc, môi
trường macro-cell (tức là ô lớn và vị trí anten trạm gốc phải cao), khoảng cách anten
vào khoảng 10 bước sóng thì mới đảm bảo độ tương quan thấp, trong khi đó thì
khoảng cách anten cho máy đầu cuối di động khoảng nửa bước sóng. Lý do khác nhau
giữa trạm gốc với máy đầu cuối di động là do trong kịch bản macro, phản xạ đa đường
gây ra fading chủ yếu xuất hiện ở những vùng gần xung quanh máy đầu cuối di động.
Do đó, khi nhìn từ vị trí máy đầu cuối thì ta thấy là những đường khác nhau đi đến
trong một góc lớn, độ tương quan vẫn sẽ thấp với khoảng cách anten tương ứng nhỏ.
Còn nhìn ở vị trí trạm gốc, những đường khác nhau sẽ đến trong một góc nhỏ hơn
nhiều, nên khoảng cách anten phải đủ lớn để độ tương quan thấp.
Trong kịch bản triển khai khác, ví dụ triển khai kịch bản micro-cell với các
anten trạm gốc thấp hơn nóc nhà và triển khai trong nhà. Môi trường trạm gốc lúc này

giống với môi trường máy đầu cuối hơn, cho nên khoảng cách giữa các anten trạm gốc
sẽ nhỏ hơn vẫn đảm bảo độ tương quan thấp.
Các anten giả thiết ở trên có cùng phân cực. Một cách khác để đạt được độ
tương quan fading thấp là áp dụng phân cực khác nhau đối với anten khác nhau. Khi
đó các anten có thể được đặt gần nhau.
1.1.2. Lợi ích kỹ thuật đa anten
Kỹ thuật đa anten mang lại những lợi ích khác nhau phụ thuộc vào những mục
đích khác nhau:
Nhiều anten phát/ thu có thể được sử dụng để phân tập, chống lại fading kênh
vô tuyến. Trong trường hợp này, kênh khác nhau trên các anten khác nhau sẽ có độ
tương quan thấp. Để đạt được điều đó thì khoảng cách giữa các anten phải đủ lớn
(phân tập không gian) hoặc sử dụng các anten có phân cực khác nhau (phân tập phân
cực).
1

1


2

Nhiều anten phát/thu có thể được sử dụng để “định hình” cho búp sóng anten
tổng (búp sóng phía phát và búp sóng phía thu) theo một cách nào đó. Ví dụ, tối đa
hóa độ lợi anten theo một hướng thu/phát nhất định hoặc để triệt nhiễu lấn át tín hiệu.
Kỹ thuật tạo búp sóng này có thể dựa trên cả độ tương quan cao hoặc thấp giữa các
anten.
Độ khả dụng của đa anten phát và thu có thể được sử dụng để tạo ra nhiều kênh
truyền song song thông qua giao diên vô tuyến. Điều này mang lại khả năng tận dụng
băng thông mà không cần giảm thông tin với cùng công suất. Nói cách khác là khả
năng cho tốc độ dữ liệu cao với băng tần hạn chế mà không cần thu hẹp vùng phủ. Ta
gọi đây là kỹ thuật ghép kênh không gian.

1.1.2. Giới thiệu MIMO
Hệ thống thông tin MIMO là viết tắt của cụm từ Multiple Input – Multiple
Output: hệ thống thông tin đa đầu vào – đa đầu ra. Trong lĩnh vực vô tuyến, MIMO là
hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều ăngten ở máy phát và ở máy
thu nhằm tận dụng chiều không gian để cải thiện chất lượng truyền thông tin.Ý tưởng
của MIMO là sử dụng nhiều ăngten ở phát hoặc máy thu, hoặc cả hai nhằm tận dụng
chiều không gian để cải thiện chất lượng truyền tin.
1.2. ƯU ĐIỂM, NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG MIMO
1.2.1. Ưu điểm
Dung lượng: Do sử dụng nhiều anten ở cả đầu phát và đầu thu nên khi truyền
tín hiệu ta có thể truyền nhiều đường dữ liệu song song, chính vì thế mà dung lượng
hệ thống được cải thiện.
Chất lượng: Với kĩ thuật xử lý không gian thì nhiễu ở đầu thu có thể giảm mạnh
hơn so với trường hợp hệ thống chỉ có một anten thu.
Với kĩ thuật tạo búp, tín hiệu được truyền đi theo hướng mong muốn do đó công
suất phát chỉ tập trung vào hướng mong muốn, chính vì thế có thể giảm công suất phát
của các thiết bị.
1.2.2. Nhược điểm
Nhược điểm lớn nhất của MIMO là nó có nhiều anten dẫn đến độ phức tạp lớn,
thể tích và giá thành phần cứng lớn hơn so với hệ thống SISO.
Sử dụng càng nhiều anten thì ta càng thu được độ lợi do tạo búp và phân tập
càng lớn. Tuy nhiên khi sử dụng nhiều anten như thế thì thể tích của các thiết bị lớn
(vì số lượng anten vừa nhiều vừa phải đảm bảo khoảng cách giữa các anten để các
kênh không tương quan nhau) trong khi yêu cầu điện thoại di động càng ngày càng
nhỏ.
1.3. MÔ HÌNH KÊNH KÊNH TRUYỀN SÓNG MIMO
1.3.1. Mô hình kênh MIMO
2.3.3.1. Mô hình kênh AWGN song song
Giả sử ta có N kênh song song một chiều bị tác động của tạp âm Gauss phức có
trung bình không, phương sai

(i=1,2,…,N):
N0/2. Ta có mô hình kênh được cho ở hình 1.1.
2

; (đối với AWGN ta có

=
2


3

Hình 1.1. Mô hình kênh AWGN song song
Tổng năng lượng kênh đầu vào được xác định bởi tổng năng lượng từng kênh
đầu vào như sau:

(1.1)
Dung lượng của tập kênh song song này được xác định như sau:

•
•

•

•

2.3.3.2. Mô hình kênh SVD MIMO
MIMO là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều ăngten ở
máy phát và máy thu.Để các hệ thống MIMO đạt được hiệu quả, yêu cầu tương quan
tín hiệu qua các ăngten phải thấp, dẫn đến môi trường truyền sóng phải đủ ngẫu nhiên

và khoảng cách giữa các ăngten trên cùng thiết bị phải đủ lớn (khoảng cách tối thiểu
giữa 2 anten lamda/2).
Các sơ đồ MIMO được xây dựng dựa trên hai kỹ thuật là
Phân tập thời gian, không gian.
Ghép kênh không gian.
Phân tập là kỹ thuật truyền dẫn trong đó thông tin được truyền đồng thời trên
nhiều đường độc lập để đạt được độ tin cậy truyền dẫn cao
Các kỹ thuật phân tập:
Phân tập thời gian: Bằng cách mã hóa và đan xen, trong đó thông tin được mã hóa và
được truyền phân tán trong các khoảng thời gian nhất quán khác nhau sao cho từng
phần của từ mã chỉ bị ảnh hưởng của các phađinh độc lập.
Phân tập không gian: Dùng nhiều anten phát và/hoặc anten thu được đặt đủ cách xa
nhau sao cho đảm bảo tính độc lập giữa các đường truyền dẫn.
Ghép kênh không gian: Dùng nhiều anten phát/thu cho phép tăng dung lượng
nhờ truyền đồng thời nhiều luồng song song trên các anten khác nhau.
Ta xét một hệ thống truyền dẫn vô tuyến bao gồm nt anten phát và nr anten thu
như trên hình 1.2.
3

3


4

Hình 1.2. Sơ đồ kênh MIMO
Ta ký hiệu hn,m là độ lợi kênh giữa anten phát thứ n và anten thu thứ m. Giả sử
x=[x1, x2,….., xnt]T là các số liệu phát và y=[y 1, y2,….., ynr]T là số liệu thu, trong đó T
ký hiệu phép toán chuyển vị. Quan hệ giữa x và y được xác định như sau:

(1.2)

hay
y=Hx+η
Trong

đó

η

(1.3)
là

vectơ

AWGN

phức

với

và

.
H là ma trận kênh nr×nt; khi khoảng cách giữa các anten >λ/2 và môi trường
nhiều tan xạ ta có thể coi H có các hàng và các cột độc lập với nhau. Khi này phân
chia giá trị đơn (SVD) cho ta:
H=UDVh
(1.4)
h
trong đó U và V là các ma trận nhất phân (unitary) có kích thứơc n r×nr và nt×nt, Vh là
chuyển vị Hermitian; đối với các ma trận nhất phân ta có: UUh=Inr và VVh=Int. D là

ma trận nr×nt gồm
(1.5)
các giá trị đơn không âm được ký hiệu là
trên đường chéo chính của nó,
trong đó λI với i=1,2,…, N là các giá trị riêng của ma trận HHh. Các giá trị eigen của
HHh được xác định như sau:
hay
trong đó Q là ma trận Wirshart được xác định như sau:
4

4


5

Các cột của ma trận U là vectơ riêng của HHh còn các cột của ma trận V là
vectơ riêng của ma trận HhH.
Số các giá trị riêng λi khác không của ma trận HHh chính bằng hạng của ma
trận này.
Nếu nt=nr thì D là một ma trận đường chéo. Nếu nt>nr thì gồm một ma trận
đường chéo nr×nr và sau đó là nt-nr cột bằng không. Nếu n tđường chéo nt ×nt và sau đó là nr-nt dòng bằng không. Dưới đây ta minh họa ma trận
dường chéo D cho các trường hợp ntnr.
Trường hợp số anten phát lớn hơn số anten thu (n t>nr): U sẽ là ma trận nr× nr
và V sẽ là ma trận nt× nt và D sẽ được tạo ra từ ma trận vuông bậc n r tiếp sau là nt-nr
cột bằng không như sau:

(1.6)
trường hợp này ma trận V chỉ có nr hàng sử dụng được, còn n t-nr hàng còn lại không
sử dụng dược. Khi này nr phần tử đầu của ma trận x được sử dụng và nt-nr phần tử còn

lại của nó được đặt vào không.
Trường hợp số anten thu nhiều hơn số anten phát (n tnày vẫn như trước ta có V là ma trận nt×nt và U là ma trận nr×nr, nhưng ma trận D là
ma trận nt×nr được tạo thành từ ma trận đường chéo n t×nt theo sau là nr-nt hàng bằng
không:

(1.7)
Thao tác trên được gọi là phân chia giá trị đơn ma trận H. Kết quả phân chia
cho ta các đường chéo khác không với kích thước xác định theo (1.5).
Nếu nhân cả hai vế của phương trình kênh (1.3) với Uh ta được:
(1.8)
5

5


6

trong đó
Phương trình này dẫn đến mô hình kênh SVD MIMO sau đây (xem hình 1.2)

(1.9)
trong đó N xác định theo (1.5)
Các cột của ma trận U mô tả không gian nt chiều. Trong trường hợp phân hóa
phổ, AWGN có thể được coi rằng trắng theo không gian nếu không có tương quan
giữa các vectơ cột của U và vectơ tạp âm η. Áp dụng định lý trung tâm, ta có:
(1.10)
trong đó ηn là AWGN với phân bố N c(0,N0) trong máy thu nhưng trong miền không
gian.
Ta cũng có thể coi N luồng song song được truyền trong các kênh không gian

trực giao (xem hình 1.3). Giống như đối với OFDM, ta cũng có thể sử dụng mô hình
kênh phađinh phẳng song song tương đương để phân tích và mô phỏng kênh MIMO.
λn được coi là độ lợi kênh và có thể được sử dụng để đánh giá BER tại phía thu.

Hình 1.3. Phân chia kênh phađinh phẳng MIMO thành các kênh phađinh phẳng song
song tương đương dưạ trên SVD
2.2.2. Hàm kênh MIMO
Trong hệ thống SISO: đường truyền vô tuyến giữa phía phát và phía thu có thể
được lập mô hình như một bộ lọc có đáp ứng xung kim thay đổi theo thời gian. Ta có
thể trình bầy đáp ứng xung băng gốc của kênh thông qua các phần tử rời rạc đa đường
như sau:

(1.11)
trong đó:
h(t, τ):đáp ứng xung kim kênh băng gốc phụ thuộc thời gian và trễ τ
L: số đường truyền đa đường
a(t,τ):Biên độ thực của kênh
φ(t,τ):dịch pha do kênh
6

6


7

2πfcτ(t): dịch pha do truyền sóng trong không gian tự do của đường thứ 
τ(t): trễ trội cuả đường thứ .
Trong hệ thống MIMO: ta biểu diễn đường truyền vô tuyến giữa từng cặp
anten trên cơ sở ma trận đáp ứng xung kim H:

,
(1.12)
trong đó hn, m là đáp ứng xung kim của đường truyền giữa anten phát n và anten thu m,
nt là số anten phát của hệ thống và nr là số anten thu.
Phần tử hn, m được biểu diễn như sau:

(1.13)
trong đó hn,m(t,τ) biểu diễn đáp ứng xung kim băng gốc của đường truyền giữa
anten phát thứ n và anten thu thứ m phụ thuộc thời gian và trễ τ.
1.4. DUNG LƯỢNG KÊNH MIMO
Dung lượng kênh truyền là dung lượng kênh có độ rộng băng thông B (Hz), bị
nhiều loạn bởi tạp âm Gaussian trắng cộng với AWGN có mật độ phổ công suất
và bị giới hạn băng thông B được cho bởi:

/2

bits/s
Trong đó P là công suất phát trung bình.
1.4.1. Dung lượng kênh SISO được viết lại

Do kênh vô tuyến Fading ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian nên dung lượng kênh
có thể viết được là:

Với H là biên độ kênh Gaussian phức công suất đơn vị kích thước 1x1
1.4.2. Dung lượng kênh MIMO

Thấy rõ ưu điểm của hệ thống MIMO về dung lượng, khi n=m=N thì
đến

/ N tiến dần

vì vậy dung lượng tiệm cận đến
7

7


8

Dung lượng tăng tuyến tính theo số anten phát.
1.5. HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG MIMO
1.5.1. Hiệu năng của kênh SISO, SIMO, MISO và MIMO
2.3.3.1. Hệ thống SISO
Xét kênh phađinh trong đó chứa tạp âm Gauss trắng cộng (AWGN) có trung
bình không và phương sai σ2 hệ thống SISO. Tín hiệu y tại đầu ra của kênh được biểu
diễn như sau:
y=hx+ n
(1.14)
trong đó h, x và n là hệ số đáp ứng xung kim kênh phức, tín hiệu phát và AWGN.
Tỉ số tín hiệu trên tạp âm SNR được biểu diễn như sau:

(1.15)
trong đó: h là hệ số đáp ứng xung kim kênh phức, P T là tổng công suất phát còn σ2 là
phương sai của AWGN (trong trường hợp này ta bỏ qua suy hao của đường truyền).
Hiệu suất phổ (SE) bằng:

(1.16)
2.3.3.2. Hệ thống SIMO (Phân tập thu)
Hình 1.4 cho thấy hệ thống SIMO 2×1 (hai anten thu và một anten phát).

Hình 1.4. Hệ thống SIMO 1×2. y1 và y 2 là các tín hiệu đầu ra, h1,1 và h1,2 là các kênh
con giữa cặp phát thu
Xét kênh pha đinh, trong đó chứa vectơ tạp âm AWGN η có trung bình không
và phương sai σ2=N0, N0 là mật độ phổ công suất tạp âm một biên. Vectơ y đầu ra
được biểu diễn như sau:

(1.17)
Từ quan hệ trên ta có thể rút ra tỷ số SNR đầu ra cho hệ thống SIMO 1×2 như
sau (với giả thiết rằng tạp âm tăng theo số máy thu):

8

8


9

(1.18)
trong đó h1,m là hệ số đáp ứng xung kim kênh con m.
Tương tự ta có thể biểu diễn tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho hệ thống SIMO
1 ×nr như sau:

(1.19)
Tương tự ta có thể biểu diễn hiệu suất phổ hệ thống SIMO 1 ×m như sau:

(1.20)
2.3.3.3. Hệ thống MISO (Phân tập phát)
Hình 1.5 cho thấy hệ thống MISO 2×1

Hình 1.5. Hệ thống MISO 2×1. x1 và x2 là các tín hiệu đầu vào; y là tín hiệu đầu ra;

h1,1 và h1,2 là đáp ứng xung kim của các kênh con giữa các cặp thu phát.
Xét kênh phađinh bao gồm tạp âm AWGN η có phương sai σ2. Tổng công suất
phát PT là một hằng số và được chia đều cho hai anten phát. Tín hiệu của hai anten này
không tương quan với nhau.
Khi này vectơ y đầu ra được biểu diễn như sau:

(1.21)
Từ quan hệ trên ta có thể rút ra biểu thức cho SNR đầu ra của hệ thống MISO
2×1 như sau (coi công suất phát đựơc chia đều cho cả hai anten phát):

(1.22)
Tương tự đối với hệ thống MISO nt×1 ta có thể viết SNR đầu ra như sau:

9

9


10

(1.23)
Từ công thức trên ta không thể rút ra ảnh hưởng trực tiếp cuả số lượng anten
phát n lên SNR. Tăng số lượng anten phát có thể dẫn đến tăng SNR hoặc giảm SNR.
Tương tự ta có thể biểu diễn hiệu suất phổ cho hệ thống MISO n t×1 như sau:

(1.24)
Công thức này cũng cho ta thấy quan hệ không rõ ràng giữa số lượng anten
phát và hiệu suất phổ. Tuy nhiên nó cũng cho thấy quan hệ log giữa chúng.
2.3.3.4. Hệ thống MIMO (Phân tập kết hợp thu phát)
Hình 1.6 cho thấy một hệ thống MIMO 2×2.

Hình 1.6. Hệ thống MIMO 2×2. x1 và x2 là các tín hiệu đầu vào; y1 và y2 là các tín
hiệu đầu ra; h1,1, h1,2, h2,1 và h2,2 là các kênh con giữa từng cặp phát thu.
Hình 1.6 mô tả một hệ thống MIMO 2×2 trong đó x 1 và x 2 là các tín hiệu đầu
vào; y1 và y2 là các tín hiệu đầu ra; h 1,1, h1,2, h2,1, h2,2 là các đáp ứng xung kim của các
kênh con giữa từng cặp phát thu. Tổng công suất thu P T không đổi và được chia đều
giữa hai anten phát. Cả hai tín hiệu này không tương quan với nhau. Cũng giống như
các trường hợp đã xét ở trên ta coi vectơ tạp âm AWGN η có phương sai σ2. Biểu
diễn vectơ y đầu ra như sau:

(1.25)
Từ quan hệ trên ta rút ra biểu thức SNR đầu ra cho trường hợp MIMO 2×2 như
sau:

(1.26)
trong đó hn,m là hệ số đáp ứng xung kim của các kênh con (n,m). Đối với hệ thống
MIMO nt×nr, SNR đầu ra được biểu diễn như sau:
10

10


11

(1.27)
Công thức này khá phức tạp. Độ lợi SNR (dương hay âm) phụ thuộc vào sơ đồ
MIMO và vào các điều kiện kênh cụ thể.
Đối với hiệu suất phổ, ta có thể viết như sau cho hệ thống MIMO nt ×nr:

(1.28)

trong đó
là ma trận đơn vị có kích thước N=min(n t,nr), (.)h biểu thị chuyển vị
Hermitian (chuyển vị liên hợp phức) và H là ma trận nt×nr:

(1.29)
1.5.2. SNR và dung lượng của MIMO
Độ lợi SNR và dung lượng của MIMO đã được nghiên cứu trong nhiều công
trình. Các bảng 1.1 và 1.2 dưới đây sẽ tổng kết các kết quả nghiên cứu này.
Bảng 1.1. Ảnh hưởng của số anten phát và anten thu lên độ lợi MIMO SNR so với SIMO
SNR
Độ lợi SNR
Sơ đồ
phân tập
Sơ đồ SM

: SNR đầu ra của hệ thống nt×nr

nt: số anten phát; nr: số anten thu;
MIMO;

: SNR đầu ra của hệ thống 1×nr SIMO; SNRi: SISO SNR đầu

vào.
Bảng 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng lên độ lợi dung lượng MIMO so với dung lượng SIMO
Độ lợi dung lượng
11

11

12

Sơ đồ phân tập

Sơ đồ SM

nt: số anten phát; nr: số anten thu;
MIMO;

: dung lượng trung bình của hệ thống n t×nr

: dung lượng trung bình của hệ thống 1×nr SIMO; SNRi: SISO SNR

đầu vào.
1.6. MIMO ĐƠN NGƯỜI DÙNG (SU-MIMO) VÀ MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG
(MU-MIMO)
1.6.1. Hệ thống MIMO đơn người dùng (SU-MIMO)
Hệ thống MIMO truyền thống là MIMO điểm - điểm hay MIMO đơn người
dùng (SU-MIMO).Tốc độ đạt được của hệ thống MIMO đơn người dùng là:

Giới hạn dưới đạt được trong trường hợp ma trận kênh là hạng 1, hay đường
truyền là đường truyền thẳng (LOS). Giới hạn trên đạt được trong trường hợp thuận
lợi nhất khi ma trận kênh là biến ngẫu nhiên i.i.d. Với điều kiện đường truyền thuận
lợi và một tỷ số SNR cao thì tốc độ có thể đạt được tỷ lệ tuyến tính với số nhỏ hơn
trong số anten phát và số anten thu.
1.6.2. Hệ thống MIMO đa người dùng (MU-MIMO)
Công nghệ MIMO đa người dùng (MU-MIMO), về cơ bản khác với SU-MIMO
bằng cách chia sẻ không gian của kênh cho các người dùng khác nhau cùng lúc, bằng
cách tác động sâu hơn vào giao thức đa truy nhập. MU-MIMO có thể được chia thành
hai loại: kênh MIMO quảng bá (MIMO Broadcast Channel hay MIMO BC) cho

đường xuống; và kênh MIMO đa truy nhập (MIMO Multiple Access Channel hay
MIMO MAC) cho đường lên.
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MASSIVE MIMO
2.1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG MASSIVE MIMO
Massive MIMO là những hệ thống mà dùng các mảng với số ăngten lên tới
hàng trăm awngten.
MIMO cỡ rất lớn là những hệ thống mà dùng các mảng với số ăngtenlên tới
hàng trăm. MIMO cỡ rất lớn sẽ dùng các ăngten để phục vụ cho một số nhỏ hơn nhiều
12

12


13

người dùng đồng thời, mà mỗi người dùng chỉ cần sử dụng đầu cuối với ăngten đơn.
Sự chênh lệch giữa số lượng ăngten ở trạm gốc và số người dùng chính là điều kiện để
hệ thống hoạt động tốt trong thực tế. Việc mỗi đầu cuối chỉ sử dụng một ăngten đơn
mang lại lợi ích trong việc tiết kiệm chi phí đầu cuối. Tức là với các đầu cuối rẻ tiền
hơn, vẫn có thể khai thác hết hiệu năng cao mà MIMO cỡ rất lớn mang lại.
Trong hệ thống MIMO cỡ rất lớn, thông tin trạng thái kênh (CSI: Channel state
information) là một yếu tố then chốt. MIMO cỡ rất lớn sử dụng MU-MIMO, do đó
trạm gốc cần thông tin về CSI đểtiền mã hóa ở đường xuống và lọc thu ở đường lên.
Để thu được CSI một cách thuận lợi, hệ thống sử dụng hoa tiêu ở đường lên cùng với
chế độ song công phân chia theo thời gian TDD. Quá trình xử lý trong MIMO cỡ rất
lớn có thể sử dụng các bộ mã hóa và lọc thu tuyến tính đơn giản mà vẫn cho phép đạt
được hiệu suất cao như MRC/MRT,ZF…
Với mô hình đơn cell, hệ thống MIMO cấu hình cỡ rất lớn làm trung bình hóa
fading nhanh và hiệu ứng tạp âm nhiệt. Trong trường hợp đa cell, hệ thống lại chịu
ảnh hưởng chủ yếu bởi nhiễu hoa tiêu, do việc tái sử dụng tập hoa tiêu tại các cell lân

cận.
2.2. HỆ THỐNG MASSIVE MIMO ĐƠN CELL
2.2.1. Mô hình kênh truyền
Mô hình kênh truyền MIMO cỡ rất lớn đơn cell được mô tả như Hình 2.1.Hệ thống
hoạt động ở chế độ song công phân chia theo thời gian TDD. Do đó ma trận kênh của
đường xuống là chuyển vị liên hợp của ma trận kênh đường lên.

Hình 2.1. Mô hình kênh truyền đơn cell
Với mỗi đầu cuối ta có kênh truyền
trong đó: hk là ma trận cột mô
tả fading phạm vi hẹp giữa đầu cuối thứ k và M ăngten ở trạm gốc
là hệ số fading phạm vi rộng giữa đầu cuối và mảng ăngten. Sự tính toán fading
phạm vi rộng là cho suy hao đường và fading che chắn.
2.2.2. Truyền hoa tiêu đường lên
Với một khoảng thời gian kết hợp T khe thời gian cho trước, tức là trong
khoảng thời gian đó kênh được coi là không thay đổi. Hệ thống sẽ phân bổ khoảng
thời gian kết hợp này cho các hoạt động: gửi hoa tiêu đường lên, tính toán và truyền
dữ liệu. Như trong Hình 2-5, các đầu cuối sẽ gửi các chuỗi hoa tiêu ở đường lên.Từ
13

13


14

hoa tiêu này, trạm gốc sẽ ước lượng ma trận kênh đường lên Gˆ và ma trận kênh đường
xuống Gˆ * .

Hình 2.2. Các đầu cuối truyền các chuỗi hoa tiêu trực giao trên đường lên. Qua tính
đối xứng của TDD, trạm gốc ước lượng kênh đường xuống.

2.2.3. Truyền dữ liệu đường lên
Trạm gốc nhận dữ liệu đường lên gửi từ các đầu cuối trong cell. Trạm gốc thực
hiện lọc thu nhờ bộ kết hợp tỷ số tối đa MRC. Kết quả là khi M tiến đến rất lớn,
fading nhanh và lỗi ước lượng kênh truyền bị loại bỏ. Tạp âm nhiệt cũng bị trung bình
hóa.Tín hiệu của đầu cuối thứ k sau khi kết hợp tỷ số tối đa là:

2.2.4. Truyền dữ liệu đường xuống
Trạm gốc thực hiện truyền tỷ số tối đa (MRT). Trạm gốc sẽ truyền một vector
các ký hiệu mang tin qua ma trận tiền mã hóa A M xK mà tỷ lệ với ma trận chuyển vị
liên hợp của ước lượng kênh đường xuống. Ước lượng kênh đường xuống là Gˆ* , do
đó ma trận tiền mã hóa sẽ là AM xK = Gˆ. Tín hiệu nhận được ở đầu cuối thứ k trong cell
sẽ là:

2.3. HỆ THỐNG MASSIVE MIMO ĐA CELL
Một hiện tượng xuất hiện chưa bị gặp ở hệ thống đơn cell là nhiễu hoa tiêu (pilot
contamination). Do không gian các hoa tiêu trực giao là hữu hạn, nên nó cũng cần
được tái sử dụng ở các cell. Trong quá trình học kênh ở các đầu cuối của nó, trạm gốc
vô tình học các kênh đến các đầu cuối ở cell khác mà sử dụng cùng chuỗi hoa tiêu.
Trong khi truyền dữ liệu đến các đầu cuối của nó, trạm gốc cũng truyền chọn lọc dữ
liệu đến các đầu cuối trong cell khác. Tương tự khi trạm gốc tổng hợp tín hiệu đường
lên của nó để nhận các dữ liệu cá nhân từ đầu cuối của nó, nó cũng bị kết hợp tín hiệu
từ các đầu cuối ở cell khác.
2.3.1. Mô hình đa cell
Như biểu diễn ở Hình 2.3, hệ số truyền phức giữa ăngten thứ m của trạm gốc ở
cell j, và đầu cuối thứk trong cell l tại sóng mang thứ n là gnmjkl , giá trị
này bằng với hệ số fading nhanh nhân với hệ số độ lớn được tính toán cho suy giảm
hình học và fading chậm,
14

14

15

ở đây, N là số sóng mang được sử dụng ở mỗi cell, M là số ăngten ở trạm gốc ở mỗi
cell, L là số cell gây can nhiễu (tức là cùng sử dụng cùng băng tần), và K là số đầu
cuối trong mỗi cell.

Hình 2.3. Hệ số truyền giữa đầu cuối thứ k trong cell thứ l và ăngten trạm gốc thứ m
của cell thứ j, trong sóng mang con thứ n
2.3.2. Hoa tiêu đường lên
Hoa tiêu đường lên được dùng để thu được thông tin trạng thái kênh cho cả
truyền dữ liệu đường lên và đường xuống. Chúng ta giả sử rằng có tất cả L trạm gốc
cùng chia sẻ cùng một băng tần và cùng một tập K tín hiệu hoa tiêu. Hơn nữa, giả sử
truyền và nhận đồng bộ. Việc truyền và nhận đồng bộ sẽ tối đa hóa ảnh hưởng của
nhiễu từ các cell khác. Sau quá trình xử lý, mỗi trạm gốc sẽ thu được một ước lượng
kênh cho đường truyền giữa ăngten và đầu cuối của nó mà bị ảnh hưởng nhiễu hoa
tiêu bởi các đầu cuối ở cell khác. Trạm gốc sẽ thu được ước lượng của ma trận truyền
giữa K đầu cuối ở cell thứ j đến M anten của cell thứ j là Gˆ jj .

Với Gjl là ma trận truyền M ´ K giữa K đầu cuối ở cell thứ l và M anten ở cell thứ j.
2.3.3. Truyền tải dữ liệu đường lên
K đầu cuối trong mỗi cell truyền độc lập các luồng dữ liệu đến trạm gốc tương
ứng của chúng. Trạm gốc dùng ước lượng kênh của nó để thực hiện kết hợp tỷ số lớn
nhất (MRC: Maximum ratio combining)
2.3.3.1. Mô hình tín hiệu
Ở đường lên, trạm gốc thứ j nhận một vector M x 1 do sự truyền dẫn từ tất cả các đầu
cuối trong L cell.

15

15


16

2.3.3.2. Kết hợp tỷ số lớn nhất
Trạm gốc xử lý tín hiệu nhận được bằng cách nhân nó với chuyển vị liên hợp của ước
lượng kênh.Sau quá trình xử lý thu được tỷ số SIR hiệu dụng

2.3.3.3. Dung lượng đường lên
Dung lượng trên đầu cuối là:
Ở đây W (Hz) là băng thông sử dụng.
Thông lượng thực trên cell, được đo bằng bit/s/cell, bằng tổng các thông lượng trên
đầu cuối là

2.3.4. Truyền dữ liệu đường xuống
2.3.4.1. Ma trận tiền mã hóa
Trạm gốc ước lượng kênh từ hoa tiêu đường lên. Do đó, ước lượng kênh đường
xuống sẽ là Gˆ * . Và ma trận tiền mã hóa đường xuống sẽ là Gˆ.
2.3.4.2. Mô hình tín hiệu
Truyền dữ liệu đường xuống thực hiện truyền tỷ số lớn nhất MRT, thông qua
ma trận tiền mã hóa là chuyển vị liên hợp của ước lượng kênh đường xuống.K đầu
cuối trong cell l nhận các thành phần tương ứng từ một vector K x 1bao gồm sự truyền
dẫn từ L trạm gốc,

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu hiệu dụng thu được là

2.3.4.3. Dung lượng đường xuống
Dung lượng trung bình trên đầu cuối (bit/s/đầu cuối):

Và dung lượng thực trên cell (bit/s/cell):
16

16


17











2.4. THÁCH THỨC VÀ TIỀM NĂNG MASSIVE MIMO
2.4.1. Thách thức
Propagation Models
TDD và FDD Modes
Modulation – Điều chế
Pilot Contamination
Hardware Impairments
Antenna Arrays
2.4.2. Tiềm năng
Heterogeneous Networks: Việc sử dụng Massive MIMO phối hợp với HetNets
để cải thiện cho việc quản lý và nâng cao hiệu quả năng lượng là một hướng nghiên

cứu quan trọng trong tương lai
Millimeter Waves: Là một công nghệ là truyền sóng trên MMW (MilliMeter
Wave) để cải thiện đáng kể năng lượng và hiệu quả quang phổ.

17

17