So sánh phương pháp ước lượng kênh thưa mmWave MIMO cho công nghệ 5G

Ngày nay, trong bối cảnh phổ tần số vô tuyến là một tài nguyên hữu hạn và ngày càng khan hiếm, truyền thông băng sóng milimét (mmWave) là một sự lựa chọn thích hợp. Ở tần số cao, suy hao đường truyền có thể được bù đắp bằng cách sử dụng các ăng-ten định hướng cao được tạo ra từ một mảng lớn các ăng-ten. Tuy nhiên, việc ước lượng kênh trở nên thách thức với số lượng lớn ăng-ten và nhiễu.

Trong nghiên cứu được trình bày tại Hội nghị Quốc gia lần thứ 27 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT 2024), nhóm tác giả Vũ Thị Lan Nhi, Nguyễn Thu Trang, Hoàng Thị Phương Anh, Phùng Đình Thành, Dương Ngọc Sơn và Đinh Thị Thái Mai đã đưa vào tính thưa của kênh mmWave để nghiên cứu và so sánh các phương pháp ước lượng kênh thưa gồm Orthogonal Matching Pursuit (OMP), Stagewise Orthogonal Matching Pursuit (StOMP), Simultaneous OMP (SOMP) và tối ưu chuẩn L1.

Mô hình hệ thống và phương pháp nghiên cứu

Hệ thống millimeter-Wave (mmWave) multiple-input multiple-output (MIMO) có độ chính xác định vị cao, cho phép truyền dữ liệu tốc độ cao, đồng thời các thấp nên được sử dụng trong truyền thông không dây và hỗ trợ cho số lượng lớn người dùng trong hệ thống mmWave.

Kênh truyền trong miền góc

Nhóm nghiên cứu sử dụng mô hình kênh tham số được đưa ra bởi nghiên cứu trước đó, trong đó L là số đường dẫn (bao gồm 1 đường dẫn trực tiếp (LOS-Line of Sight) và L - 1 là đường dẫn gián tiếp (NLOS - Non Line of Sight)). Nghiên cứu xem xét trường hợp đơn sóng mang, ma trận kênh liên quan đến tất cả các đường dẫn.

Các thuật toán được đánh giá bao gồm:

1. Orthogonal Matching Pursuit (OMP): Thuật toán có độ phức tạp tính toán thấp nhất và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực lấy mẫu nén.

2. Stagewise Orthogonal Matching Pursuit (StOMP): Một biến thể của thuật toán OMP, cho phép chọn nhiều cột trong mỗi vòng lặp, khác với OMP chỉ chọn một cột duy nhất.

3. Simultaneous OMP (SOMP): Thuật toán này hoạt động dựa trên ngưỡng cứng, cho phép chọn nhiều hơn một cột trong mỗi lần lặp.

4. Tối ưu chuẩn L1: Phương pháp này sử dụng Proximal Gradient Descent để giải quyết bài toán tối ưu, tìm lời giải tối ưu cho hàm mất mát, giảm xuống một ngưỡng nhất định.

Kết quả đánh giá hiệu năng

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện mô phỏng với các thông số:

• Số lượng ăng-ten phía máy thu: Nt = 16
• Số lượng ăng-ten phía máy thu: Số góc ao trong tập xác định (-π/3, π/3)
• Số lượng đường dẫn trung tâm fc = 28 GHz, băng thông B = 100 MHz
• Vị trí của BS, UE và điểm phản xạ lần lượt là: [0, 0], [4, 1] và [2, 2]

Các kết quả nghiên cứu chỉ ra:

1. Đánh giá tỉ lệ xác định tập hỗ trợ khi thay đổi mức SNR: Phương pháp OMP cho thấy hiệu quả khá tốt ở mức SNR cao. Tuy nhiên, khi SNR thấp, hiệu suất của OMP giảm đi đáng kể. StOMP có thể chọn được nhiều cột sau mỗi vòng lặp, nên có hiệu suất tương đương với OMP và SOMP ở mức SNR thấp.

2. Đánh giá khả năng tái tạo lại kênh ban đầu khi SNR thay đổi: Khi SNR tăng, MSE của tất cả các thuật toán đều giảm. Ở mức SNR thấp, OMP có MSE cao nhất trong bốn phương pháp. Phương pháp SOMP có hiệu suất kém nhất trong số các phương pháp được xét khi SNR thấp.

3. Đánh giá độ phức tạp thông qua thời gian chạy chương trình: Tối ưu chuẩn L1 là thuật toán phức tạp nhất và có thời gian chạy dài nhất trong số các thuật toán được so sánh. OMP và SOMP đều có thời gian chạy tương đối ngắn và tương đương nhau.

Việc lựa chọn thuật toán phù thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống. Nếu ưu tiên tốc độ, các thuật toán tham lam như StOMP, OMP, SOMP là lựa chọn tốt. Nếu cần độ chính xác cao, SOMP, tối ưu chuẩn L1, OMP là lựa chọn đáng cân nhắc.

Ý nghĩa và hướng phát triển

Trong tương lai, dựa trên những hiểu biết từ phân tích so sánh giữa OMP, StOMP và các thuật toán tham lam khác, nhóm nghiên cứu sẽ phát triển một giải pháp ước lượng kênh đa sóng mang sáng tạo hơn, có khả năng xử lý tốt hơn tính thưa và đặc điểm nhiễu của kênh MIMO mmWave.

Công trình này không chỉ cung cấp cái nhìn tổng quan về các phương pháp ước lượng kênh thưa hiện có mà còn đề xuất những hướng cải tiến quan trọng cho việc phát triển hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới, hỗ trợ cho việc triển khai mạng 5G và hướng tới 6G trong tương lai.

Xem toàn văn.