Một giao thức truy cập ngẫu nhiên cho hệ thống Cell-Free Massive MIMO

Bài viết trình bày 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 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.

MỘT GIAO THỨC TRUY CẬP NGẪU NHIÊN CHO HỆ THỐNG CELL-FREE MASSIVE MIMO

Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc

gia Hà nội

Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc

gia Hà nội

Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc

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

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 mô

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

Từ khoá – truyền thông cho mMTC,massive MIMO,

giao thức SUCRe, phân giải va chạm theo Grand-based

I GIỚI THIỆU Truyền thông 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

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

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 không thành công 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 không 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 không trực giao [10,11,12] Nhìn chung truy cập 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 như khử nhiễu nối tiếp (SIC), hay cảm nhận nén (CS) khi cho rằng số UE active là tín hiệu thưa…

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 mô 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 không phân chia tế bào, còn giao thức ACBPC [3] thì hoàn toàn không thể vận dụng được

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

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

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:

 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

 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 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: ∑ (𝑔𝑖 𝑖/𝑆)≈ 1 Nếu UE nào có gi/S>1/2 có

nghĩa giá trị gi/S ở tất cả các UE còn 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, còn 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 không còn va chạm xảy ra nữa

 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

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 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

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

bỏ phí

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 1, pha 2 thực hiện như giao thức SUCRe

 Ở pha 3 khi mỗi UE nhận được giá trị gi/S nó không 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 không 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 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 không chỉ A-ACB luôn tốt hơn ACBPC, mà còn đem lại tính bình đẳng và hiệu quả hơn SUCRe khi quy mô quản lý lớn Tuy nhiên khi quy mô quản

lý không quá lớn thì SUCRe lại tỏ ra tốt hơn

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 không thể áp dụng giao thức 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 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?

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

Hình 2 Minh họa hệ thống Massive MIMO không phân

chia tế bào (L=4, K=3, M=16)

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

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= ∑𝐾 𝑔𝑘𝑙

𝑘=1 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 = ∑𝐿 𝑆𝑙

𝑙=1

 Pha 2: CPU sẽ truyền giá trị 1/S để các AP phát

xuống các UE

 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=1𝑔𝑘𝑙/𝑆

Chú ý là ∑𝐾𝑘=1 𝐴𝐶𝐵 𝑘 = ∑𝐾𝑘=1∑𝐿𝑙=1𝑔 𝑘𝑙 /𝑆 =∑𝐿𝑙=1𝑆𝑙

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

 Mỗi UE tự khởi tạo một số ngẫu nhiên phân bố đều: 0< <1

 Nếu 0<<ACBk thì UEk thực hiện phát lại 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 không 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

Khu vực mô phỏng 400m x 400m Tổng số anten: Tập

Độ lợi đường truyền β(d)[dB] = −30.5 − 36.7log10 ( d

Hình 3 Một cell với một AP 64 anten trong hệ thống

Cellular Massive MIMO

Hình 5 Cell-free gồm 16 AP

Hình 6 Cell-free gồm 64 AP

B Kết quả mô phỏng

Hình 7 Kết quả mô phỏng với AP=4, K thay đổi với các

giá trị tương ứng 2, 5, 10, 15, 20

Hình 8 Kết quả mô phỏng với AP=16, K thay đổi với các

giá trị tương ứng 2, 5, 10, 15, 20

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 SUCRe cũng cho thấy suy giảm hiệu quả nhanh, như trong 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

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

A-ACB 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

Cell-Free 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 không còn

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

unlimitednumbers of base station antennas,” IEEE Trans Wireless

Commun.,vol 9, no 11, pp 3590–3600, 2010

[2] E Bj ¨ornson, 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

[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] Özlem Tuğfe Demir, Emil Björnson and Luca Sanguinetti (2020),

Foundations and Trends® in Signal Processing: Vol 14, No 3-4