Xem mẫu
- 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 Hoàng Gia Hưng Trịnh Anh Vũ
Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc
gia Hà nội gia Hà nội gia Hà nội
20025067@vnu.edu.vn hunghg@vnu.edu.vn vuta@vnu.edu.vn, Tác giả liên hệ
Tóm tắt – mMTC (truyền thông cho tập hợp lớn máy va chạm sẽ xảy ra. Nhiệm vụ của giao thức là giải quyết va
móc) là một thành phần quan trọng của mạng sau 5G chạm này. Nếu giải quyết thành công, thiết bị chiến thắng
(B5G) và của cách mạng công nghiệp 4.0. Do phải đáp sẽ chính thức được cấp phát tài nguyên kết nối để sau đó
ứng nhiều yêu cầu kết nối cùng một lúc nên xây dựng truyền dữ liệu. Do đặc điểm lưu lượng trong mMTC là gián
một giao thức truy cập ngẫu nhiên hiệu quả là vấn đề đoạn, ngẫu nhiên với các khúc dữ liệu nhỏ do đó yêu cầu xử
rất quan trọng. Trong bài báo này chúng tôi phát triển lý phân giải va chạm cho phương pháp cấp phát phải thật
giao thức A-ACB, đã được đề xuất cho hệ thống đơn giản. Các thiết bị truy cập không thành công có thể tiếp
Cellular Massive MIMO, sang áp dụng cho hệ thống tục truy cập lại trong nhịp tiếp theo.
Cell-Free Massive MIMO. Kết quả phân tích và mô Một hướng nghiên cứu khác là giao thức không cấp phát
phỏng cho thấy giao thức này vẫn đảm bảo mức độ hiệu (Grant-free). Trong giao thức này không có pha giải quyết
quả cần thiết, trong khi giao thức SUCRe, một giao thức va chạm rồi mới cấp phát tài nguyên truyền dữ liệu như kiểu
khá hiệu quả trong hệ thống Cellular Massive MIMO, giao thức trên mà các UE đồng thời truy cập và truyền dữ
lại tỏ ra kém hiệu quả trong hệ thống không phân chia liệu kèm theo ngay. BS sẽ xử lý tách (Detection) đồng thời
tế bào. Kết luận rút ra ở đây là trong ứng dụng mMTC, cả UE và dữ liệu. Kiểu giao thức này lại có thể chia thành
theo hướng nghiên cứu phân giải va chạm trong truy loại sử dụng preamble trực giao [7,8,9] và loại sử dụng
cập ngẫu nhiên dựa trên cấp phát (Grant-based) thì preamble không trực giao [10,11,12]. Nhìn chung truy cập
giao thức A-ACB là một ứng viên tiềm năng tốt. ngẫu nhiên theo giao thức không cấp phát đòi hỏi BS phải
xử lý nhiều tính toán phức tạp và thực hiện các thuật toán
Từ khoá – truyền thông cho mMTC,massive MIMO, như khử nhiễu nối tiếp (SIC), hay cảm nhận nén (CS) khi
giao thức SUCRe, phân giải va chạm theo Grand-based. cho rằng số UE active là tín hiệu thưa…
Trong bài báo này chúng tôi nghiên cứu giao thức theo
I. GIỚI THIỆU hướng thứ nhất là phân giải va chạm dựa trên cấp phát
(Grant-based) và áp dụng cho hệ thống không phân chia tế
Truyền thông cho tập hợp lớn máy móc (mMTC) là một bào (Cell-Free). Giao thức phát triển là giao thức A-ACB
thành phần quan trọng của hệ thống truyền thông tương lai đã được đề xuất áp dụng cho hệ thống Cellular Massive
sau 5G (B5G). Nó cho phép kết nối với một tập lớn máy MIMO, nay được đề xuất áp dụng cho hệ thống Cell-Free.
móc qua Internet (IoT) và là nền tảng then chốt cho cách Kết quả phân tích và mô phỏng cho thấy giao thức này vẫn
mạng công nghiệp 4.0 giữ hiệu quả ổn định trong khi giao thức SUCRe [2], một
Một trong những thách thức chính của mMTC là làm giao thức khá hiệu quả trong hệ thống Cellular Massive
sao có thể hỗ trợ một tập lớn thiết bị cùng một lúc có yêu MIMO lại tỏ ra kém hiệu quả trong hệ thống Massive
cầu trao đổi dữ liệu trên cùng một tài nguyên thời gian tần MIMO không phân chia tế bào, còn giao thức ACBPC [3]
số. Massive MIMO [1] là một công nghệ 5G với khả năng thì hoàn toàn không thể vận dụng được.
ghép kênh không gian cũng như khả năng cải thiện hiệu suất Bài báo được bố cục như sau: I. Giới thiệu, II. Trình bày
phổ lớn đã hứa hẹn hỗ trợ giải quyết vấn đề này. Nói chung tóm tắt giao thức SUCRe và A-ACB trong hệ thống Cellular
các phương pháp giải quyết đa truy cập nói trên được chia Massive MIMO, III. Đề xuất áp dụng A-ACB cho hệ thống
thành 2 hướng nghiên cứu. Cell-Free. IV. Mô phỏng so sánh, V. Kết luận
Hướng thứ nhất là phương pháp dựa trên cấp phát II. GIAO THỨC SUCRe VÀ A-ACB TRONG HỆ
(Grant-Based) [2,4,5,6,]. Mỗi thiết bị (UE) khi muốn kết nối THỐNG CELLULAR MASSIVE MIMO
(activated) sẽ chọn ngẫu nhiên một dãy mở đầu (preamble)
trong tập các dãy trực giao có sẵn gửi về trạm cơ sở (BS) Phần này trình bày tóm tắt lại các giao thức SUCRe và
thông báo muốn kết nối. Trong trường hợp may mắn các A-ACB đã được đề xuất khá hiệu quả trong hệ thống
thiết bị chọn các dãy preamble khác nhau và do tính chất Cellular Massive MIMO [2,3].
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 Trong hệ thống này trạm cơ sở ở trung tâm tế bào được
cầu cùng một lúc. Tuy nhiên trong trường hợp kém may trang bị M anten với M>>K là số UE trung bình, mỗi UE
mắn: có từ 2 thiết bị trở lên chọn dãy preamble giống nhau, trang bị 1 anten, được kích hoạt ở mỗi lần truy cập. Điều
ISBN 978-604-80-5958-3 119
- 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 có thể tạo búp tách biệt đường xuống đến các UE, cứng hóa
thống Massive MIMO là: khả năng ghép kênh không gian, 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 Điều đó có nghĩa tất cả UE đều yên lặng. Preamble đó sẽ bị
hình 1: bỏ phí.
Pha 1: Các UE có nhu cầu trao đổi dữ liệu sẽ chọn Giao thức A-ACB được nhóm tác giả đề xuất trong một
ngẫu nhiên một dãy mở đầu (preamble) trong một bài viết khác có cơ chế phân giải va chạm mềm dẻo hơn,
danh sách dãy trực giao có sẵn gửi về BS. 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 Pha 1, pha 2 thực hiện như giao thức SUCRe.
một preamble xác định, sau khi tương quan BS nhận Ở pha 3 khi mỗi UE nhận được giá trị gi/S nó không
được giá trị S. S sẽ bằng tổng độ lợi kênh từ BS đến thực hiện so sánh với ½ mà coi đó như giá trị ACB
k UE đã chọn preamble này. Nếu k=1, tức là chỉ có (Access Class Barring) [4]. Tức là giá trị ACB này
1 UE chọn preamble, thì S bằng độ lợi của kênh được so sánh với một giá trị ngẫu nhiên phân bố đều
truyền đến 1 UE này. Sau đó BS sẽ mã trước tạo búp tự khởi tạo là (0 1/2 có ACBPC [3]. ACBPC là giao thức mà khi khởi hoạt, UE sẽ
nghĩa giá trị gi/S ở tất cả các UE còn lại sẽ nhỏ hơn phát với công suất nghịch đảo với độ lợi kênh truyền của
½. Giao thức SUCRe phân giải va chạm như sau: nó. Khi đó, BS sẽ không tách được tổng độ lợi các kênh từ
chỉ UE có gi/S >1/2 là được phát lại preamble kèm các UE chọn chung preamble mà xác định được số UE chọn
theo số hiệu (Identification) của nó, còn các UE có chung preamble là k. Giá trị k này được thông báo xuống
giá trị gi/S 1/2 nên UE này cũng chắc chắn được trong hệ thống Cell-free không thể áp dụng giao thức
cấp phát trong pha 4. ACBPC được vì lúc này mỗi UE có thể kết nối với nhiều
AP (Access Point) nên không xác định được một giá trị công
Giao thức SUCRe có ưu điểm là xử lý đơn giản và có suất phát nghịch đảo với độ lợi kênh truyền. Chỉ còn 2 giao
hiệu quả thực tế khá cao. Tuy nhiên giao thức này có nhược thức SUCRe và A-ACB. Giao thức nào có thể áp dụng tốt?
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 Mô hình hệ thống của hệ Cell-Free như sau:
kích hoạt một lúc lớn (ứng với quy mô 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 978-604-80-5958-3 120
- 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<
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Hình 5. Cell-free gồm 16 AP
Hình 8. Kết quả mô 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 mô phỏng
Hình 9. Kết quả mô phỏng với AP=64, K thay đổi với
các giá trị tương ứng 2, 5, 10, 15, 20
C. Nhận xét
Kết quả mô 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 không 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.
Ngoài ra, khi số UE kích hoạt/preamble tăng giao thức
Hình 7. Kết quả mô phỏng với AP=4, K thay đổi với các SUCRe cũng cho thấy suy giảm hiệu quả nhanh, như trong
giá trị tương ứng 2, 5, 10, 15, 20 kết quả mô 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 không sử dụng được.
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)
V. KẾT LUẬN [3] Jos´e Carlos Marinello, Taufik Abr˜ao, Richard Demo Souza,
Elisabeth de Carvalho, Petar Popovski, Achieving Fair Random
Bài báo đề xuất cách áp dụng các giao thức SUCRe và Access Performance in Massive MIMO Crowded Machine-Type
A-ACB đã được thực hiện cho hệ thống Cellular Massive Networks, IEEE Wireless Communications Letters 2019.
MIMO sang thực hiện cho hệ thống Cell-Free Massive [4] Suyang Duan, Vahid Shah-Mansouri, Zehua Wang, and Vicent
Wong, D-ACB: Adaptive Congestion Control Algorithm for Bursty
MIMO. Mô phỏng kiểm chứng cho thấy giao thức kiểu A- M2M Traffic in LTE Networks, IEEE Transactions on Vehicular
ACB vẫn giữ hiệu quả ổn định trong khi giao thức SUCRe Technology 2016.
tỏ ra kém hiệu quả. Lý giải về điều này là do hệ thống Cell- [5] H. Han, Y. Li, and X. Guo, “A Graph-Based Random Access Protocol
Free Massive MIMO đã tạo ra sự đồng đều trong độ lợi kênh for Crowded Massive MIMO Systems,” IEEE Transactions on
tổng cộng đến các UE, trong khi ở hệ thống Cellular Wireless Communications, vol. 16, no. 11, pp. 7348- 7361, Nov
Massive MIMO, độ lợi kênh không đồng đều từ tâm tế bào 2017.
sang rìa tế bào. Chính vì thế giao thức SUCRe, một giao [6] J. C. Marinello and T. Abrao, “Collision Resolution Protocol via Soft
Decision Retransmission Criterion,” IEEE Transactions on Vehicular
thức nhằm lựa chọn UE có độ lợi kênh nổi trội đã không còn Technology,vol. 68, no. 4, pp. 4094-4097, April 2019.
hiệu quả trong hệ thống không phân chia tế bào. Từ đây có
[7] J.H.Sørensen, E.de Carvalho, Č.Stefanović, P.Popovski, Coded pilot
thể kết luận giao thức A-ACB vẫn là ứng viên tiềm năng random access for massive MIMO systems, IEEE Trans. Wireless
cho hệ thống Cell-Free Massive MIMO. Commun. 17 (12) (2018) 8035–8046.
[8] E. Becirovic, E. Björnson, E.G. Larsson, Detection of pilot hopping
LỜI CẢM ƠN sequences for grant-free random access in massive MIMO systems,
Nghiên cứu này được tài trợ một phần bởi Trường Đại học Công in: Proc. of IEEE ICASSP, 2019.
nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội theo đề tài mã số CN21.05. [9] Z.Chen, F.Sohrabi, W.Yu, Sparse activity detection for massive
connectivity, IEEE Trans. Signal Process. 66 (7) (2018) 1890–1904.
TÀI LIỆU THAM KHẢO [10] K. Senel, E.G. Larsson, Grant-free massive MTC-enabled massive
MIMO: A compressive sensing approach, IEEE Trans. Commun. 66
[1] T. L. Marzetta, “Noncooperative cellular wireless with (12) (2018).
unlimitednumbers of base station antennas,” IEEE Trans. Wireless
Commun.,vol. 9, no. 11, pp. 3590–3600, 2010. [11] Y. Polyanskiy, A perspective on massive random-access, in: IEEE
Int. Symp. Inform. Theory Proc., No. 2, 2017, pp. 2523–2527.
[2] E. Bj ¨ornson, E. de Carvalho, J. H. Sørensen, E. G. Larsson, and P.
[12] Özlem Tuğfe Demir, Emil Björnson and Luca Sanguinetti (2020),
Popovski, “A Random Access Protocol for Pilot Allocation in
Crowded Massive MIMO Systems,” IEEE Trans on Wirel. Comm., Foundations of User-centric Cell-free Massive MIMO”,
Foundations and Trends® in Signal Processing: Vol. 14, No. 3-4.
vol. 16, no. 4, pp. 2220–2234, April 2017.
ISBN 978-604-80-5958-3 123
nguon tai.lieu . vn
