Giải pháp tối ưu hiệu suất năng lượng cho truyền dẫn bước sóng milimet ứng dụng cho công nghệ di động 5G

2GIẢI PHÁP TỐIƢUHIỆU SUẤTNĂNGLƢỢNG CHO TRUYỀN DẪN 
BƢỚC SÓNG MILIMET ỨNG DỤNG CHO CÔNG NGHỆ DIĐỘNG 5G
Nguyễn ThạcDũng1, NguyễnVănAnh1,ĐinhCôngHùng1
1TrườngĐại học Thông tin liên lạc
Tómtắt: Cầntốiưuhóahiệusuấtnănglượng(EE)chocáchệthốngkhôngdâysóngmilimet(sóngmm),
vìvấnđềtiêuthụđiệnnăngngàycàngtrởnênquantrọngởcácdảitầnsốcao.Trongcáchệthốngsóngmm
tiềnmãhóalai,cácphầntửđượctốiưuhóatheohướngEEbaogồmcácbộtiềnmãhóatươngtựvàsốkỹ
thuậtsốtạimáyphát,cácbộđiềuhợptươngtựvàkỹthuậtsốtạimáythu,cũngnhưsốlượngcácchuỗitầnsố
radio(RF)mởtươngứng.Tráivớitínhtoáncácmatrậntiềnmãhóa/kếthợptốiưumộtcáchtriệtđểtấtcảcác
sốcóthểcócủachuỗiRFnhưtrongcáccôngtrìnhhiệncó,bàibáonàyđềxuấtmộtphươngphápthaythếgồm
haigiaiđoạncótổnghiệusuấttỉlệgầnnhưtốiưuvàđộphứctạptínhtoánthấphơnnhiều.Cáckếtquảmô
phỏngđượccungcấpthêmđểxácminhtínhhợplệcủaphươngphápđềxuất.
Từkhóa: Sóngmm;tiềnmãhóalai,hiệunăng,ítphứctạp.
1. Mở đầu
Dải sóngmilimet (mmWave) tƣơng ứng với
dảitầntừ30GHzđến300GHzhiệnnayđangđƣợc
sửdụngtrongcáchệthốngliênlạcđiểm– điểm,hệ
thốngđƣờngtrục,hệthốngliênlạctrongnhàtốcđộ
cao (Wigig, WirelessHD). mmWave giúp giảmkích
thƣớcanten,chophépsửdụngcácmảngantenlớnở
cảphíaphátvàphíathusẽbùđắpđƣợcsựsuyhao
trongkhônggiantựdo[4].Dođó,hệthốngmassive
MIMOsửdụngdảisóngmilimetđangđƣợcnghiêm
cứurộngrãiđểápdụngvàohệthốngdiđộngthếhệ
thứ 5 (5G). [1-3]. Ngƣợc lại so với các hệ thống
massiveMIMOởdải tầnthấpsửdụngtiềnmãhóa
toàn bộ trongmiền số (fully digital precoding), hệ
thốngmmWavemassiveMIMOthƣờngsửdụngtiền
mãhóalaitƣơngtựvàsố(hybridanaloganddigital
precoding)đểcóđƣợcsựcânbằngtốthơngiữahiệu
suấthệthốngvàgiáthànhthựchiện[5-7].
Tốiƣuhiệusuấtnăng lƣợng (EE)hiệnnay
đƣợcchia thành2hƣớng.Hƣớngthứnhấtxácđịnh
EElà tỷsốgiữatốcđộbit(sumrate)vàtổngcông
suất tiêu thụ [8-11]. Do tính chất không lồi (non-
convexity),thuậttoándốclặp(iterativegradient)[8]
và thuật toán khôi phục tín hiệu thƣa thớt (sparse
signal recovery) [9]đƣợcđềxuấtđể tốiƣubộ tiền
mã hóa và bộ kết hợp với điều kiện sốRFmở đã
đƣợctốiƣuhóa.Hƣớngthứhailàsửdụngkiếntrúc
sub-arrayđểgiảmcôngsuấttiêuthụ[10,11].Trong
nghiên cứu [10], các tác giả đã đề xuất một thuật
toántiềnmãhóa laidựavàobộ triệtnhiễunối tiếp
(successive interference cancelation - SIC), có thể
đạtđƣợchiệusuấtcậntốiƣuvớiđộphứctạpthấp.
Cácthamsốliênquanđƣợctốiƣuhoábaogồmcác
matrậntiềnmãhóa/kếthợpcũngnhƣsốlƣợngcác
chuỗiRF.
Tuynhiên,cả2hƣớngtốiƣuđềusửdụnggiải
pháptínhtoántốiƣucácmatrậnchomọigiátrịcó
thể có của số chuỗiRF.Do đó, độ phức tạp trong
tính toán làkhoảngN lầncủa số lầnphép tínhcho
một lƣợt tính toánma trận, trongđóN là số chuỗi
RFtốiđa.Mộtphƣơngphápthaythếchoviệctốiƣu
hóađềcậpởtrênđƣợcđềxuấtnhƣsau: trƣớc tiên
thựchiệntốiƣusốchuỗiRFmở.Sauđó,cácbộtiền
mãhóavàbộđiềuhợpcận tốiƣucó thểđƣợctính
toánvớisốlƣợngcácchuỗiRFtrựctiếp.
2. Mô hình hệ thống
Xét hệ thống mmWave MIMO đơn ngƣời
dùngđƣợcmiêutảnhƣởhình1.Trongđóquátrình
tiềnmã hóa/kết hợp đƣợc thực hiện trong cảmiền
tƣơngtựvàmiềnsố.TạimáyphátvớiNt antenthực
hiệntruyềnNs luồngdữliệuđộclậptớiNr anten thu. 
Để truyềndẫnđa luồngdữ liệu,máyphát sửdụng
chuỗiRF,thỏamãnđiềukiện . 
Matrậntiềnmãhóasố
t
RF sN N
BB
F .Matrậntiền
mãhóatƣơngtự
t
t RFN N
RF
F . Vecto symbol phát 
1sN s sao cho 
1
s
H
N
s
E
N
  = ss I . Để đảm bảo
3giớihạncôngsuấtmáyphát,Cácthamsốđƣợcchọn
sao cho 
2
,RF BB SF NF F min , ,
t r
S RF RFN N N
,
1
,RF i j
tN
=F
,
1
,RF i j
rN
=W
Hình 1: Mô hình hệ thống SU-mmWave MIMO
Xét kênh narrowband block-fading,vớithông
tin trạng tháikênh (CSI) hoànhảo tạimáyphát và
máythu.Tínhiệutạiăng-tenthuđƣợccóthểđƣợc
biểudiễndƣớidạng:
RF BB= +y HF F s n (1)
trong đó là công suất thu đƣợc trung
bình, và n làvéctơtạpâmvớii.i.dCN (0, 2).
Tín hiệu thu đƣợc sau bộkết hợp đƣợc biểu
diễnnhƣsau:
H H H H
BB RF RF BB BB RF= +y W W HF F s W W n (2)
Mô hình kênh mmWave thƣa thớt Saleh-
Valenzuela(SV)đƣợcmôtảnhƣsau:
1
L
l l H l lt r
l r r r t r r
l
N N
L =
= H a a
(3)
Không mất tính tổng quát, giả sử rằng 
1 2 L  
Mô hình kênh SV trong (3) có thể đƣợc thể
hiệndƣớidạngrútgọn,
r t=H A aA (4)
Trong đó
l
ra là cột thứ l của ma trận
, 
l
ta làcộtthứlcủamatrận
và a là ma trận chéo kích thƣớc L x L với
,
t r
l l l
N N
L
=a
.
 Tốcđộdữliệutổngđƣợctínhtheocông
thức:
1
2log s
H
N n e e
S
R
N
-= +I R H H
(5)
trong đómatrậnkênhtƣơngđƣơngHe là
(6)
vàmatrậnhiệpphƣơngsainhiễuRn là
(7)
 Môhìnhcôngsuấttiêuthụ
Tổngcôngsuấttiêuthụthƣờngđƣợcmôhình
là :
tot tr RF CP P P P= + + (8)
Trong đó Ptr là công suất phát, PRF là công 
suấtcủatấtcảcácchuỗiRF,vớimỗichuỗiRFbao
gồmbộchuyểnđổi,bộtrộn,bộlọc,bộdịchpha,bộ
khuếchđại...PC làcôngsuấtcủacácthànhphầncố
địnhnhƣbộphậnlàmlạnh.
 CácphƣơngpháptốiƣuEEhiệntại
Cáchđơngiảnđể tốiƣuhóaEE là
tốiđahóatỉlệtổngcóthểđạtđƣợcvàtổngtiêuthụ
điệnnăng.Dùngphƣơngpháptrong[8]làmphƣơng
phápđạidiện,bàitoánmụctiêulà
arg max ( )opt
pot
R
PF
F = F =
(9)
trongđóF = {WBB, WRF, FRF, FBB, k}, và k 
làsốlƣợngcácchuỗiRFmởtạimáyphát.Cácràng
4buộccủabài toánđƣợcbỏquaởđâyvìnhữnghạn
chếcủakhônggian.
3. Phƣơngphápđề xuất
Tìmkiếm F gầnnhƣ tốiƣu trongcáchthay
thếcómứcđộphứctạpgiảm.Thayvìtínhtoáncác
kết quả tối ƣu đối với tất cả cácphần tử bằng F , 
trƣớc tiên chúng tôi cố gắng để có đƣợc số lƣợng
chuỗiRFmởtốiƣu,tứclà,k.Khiđó,cácbộtiềnmã
hóavàđiềuhợpđƣợctínhchokcụthểchỉtrongmột
lƣợt.
3.1. PROBLEM FORMULATION: Xây 
dựng mô hình tốiưuEE
Với giả thiết và thông tin trạng
thái kênh hoàn hào (perfect CSI) tại phía phát và
phíathu.Môhìnhhóabàitoántốiƣu EEnhƣsau:
, 1,
arg max
t
RF
opt k
k
k k N
k
C
k
P  
= =
(10)
trongđó,Ck làdunglƣợngkênhtƣơngđƣơng
vớik chuỗiRFmở(openedRF),
2 2
log det Hk k k k
s
C
N
 
= + 
 
I H H
2
2 2
1
log 1
k
i
i sN=
 
 + 
 
 

(11)
cũng có thể xem là cận trên xấpxỉ của tổng
tốcđộcóthểđạtđƣợc(achievablesumrate)Rk.
Côngsuấttiêuthụtăngchủyếudocácchuỗi
RF,dođó,môhìnhcôngsuất tiêuthụđơngiản
đƣợcsửdụngthaythế(9)nhƣsau:
(12)
trongđó ,0RFP làmứctiêuthụđiệnnăngcủa
mộtchuỗiRF.
3.2. SOLUTION: Tìm kiếm lặp lại
Theocông thứcEEđềxuất trên, có thể thấy
rằngviệctínhtoánF cóthểđƣợctáchriêngthành
haigiaiđoạnriêngbiệt.Tronggiaiđoạnđầutiên,số
lƣợngchuỗiRFmởtốiƣu,kopt đƣợctínhbằngcách
giải phƣơng trình (11). Sau đó trong giai đoạn thứ
hai,đốivớigiátrịkopt thuđƣợc,cácmatrậntiềnmã
hóa/kếthợpcóthểtiếptụctínhđƣợcvớimộtvòng
sốlầntínhtoán.
Đối với giá trị kopt xác định, các ma trận
{WBB, WRF, FRF, FBB} có thể đƣợc tính toán bằng
cách sử dụng thuật toán dốc (gradient algorithm)
nhƣtrong[8]hoặcthuậttoántìmkiếmphùhợptrực
giao (orthogonal matching pursuit - OMP)nhƣtrong
[5]. 
Quá trình xử lý quan trọng hiện nay là việc
tính toán kopt.Từcácbiểuthứctrong(10)- (12), có 
thểthấyrằnghàmmụctiêulàmộtbàitoánlậptrình
số nguyên không tuyến tính. Do đó, chúng tôi sử
dụng các bƣớc tìm kiếm đƣợc tóm tắt trong thuật
toán1đểtìmralờigiảithựctế.
Thuật toán : tính k
Yêu cầu: H For
1. Đặt giá trị đầu 0 0=
2. Xácđịnh , 1,i i k từ ma trận kênh thƣa
thớt H;
3. Tính , ,k k kC P , cho tới khi 0k 
Trongđó 1k k k-= - ;
Kết thúc vòng
Đầu ra: kopt = k
4. Mô phỏng
Kịch bản mô phỏng: Sử dụng phần mềm
matlab mô phỏng các mảng anten tuyến tính đều
(uniform linear arrays - ULA)cókhoảngcáchbằng
nửabƣớcsóngđƣợcsửdụngởcảmáyphátvàmáy
thu. Các góc phƣơng vị và góc nâng , đƣợc
giả thiết là phân bố đều trong  0,2 .Công suất
tiêuthụcủamỗi chuỗiRF( ,0RFP ) đƣợcthiết lậplà
48mW[8]và250mW[10].Số lƣợng tốiđachuỗi
RF đƣợc cấu hình . Số lƣợng ăng-ten 
phát, thu Nt = Nr =100.Và số lƣợng tia của kênh
thƣathớtlàL = 20. 
5Hình 2. Hiệu suấtnănglƣợngđề xuất với số lƣợng chuỗi RF mở k khác nhau 
Hình2chothấyhiệusuấtnănglƣợng(energy
efficiency - EE) k đềxuấtthayđổisovớikchuỗi
RFmở.Ns =1đƣợcsửdụngtrongtrƣờnghợpnày.
Kếtquảmôphỏngvớicácgiátrịkhácnhaucủatỉsố
tínhiệucựcđại trênnhiễu (SNR)vàPRF, 0.Có thể
quansátthấyrằngluônluôncómộtđiểmtốiƣuduy
nhấtchokchuỗiRFmở.ỨngvớiSNRvàcôngsuất
tiêuthụcủachuỗiRFkhácnhausẽcócácđiểmtối
ƣutƣơngứng{12,8,10,4} nhƣthểhiệntronghình2. 
LấyP0 =48mWlàmvídụ.Kếtquảthựchiện
củatỉlệtổngcóthểđạtđƣợcđạidiệnchosốlƣợng
luồngdữliệukhácnhau, tức là,Ns =1,2,4,8tƣơng
ứng.Trongmôphỏngnày,tỉlệtổngđƣợctínhtheo.
Số lƣợngchuỗiRFmởtốiƣu theo sốliệuEE .Và
cácmatrậntiềnmãhóa/điềuhợptƣơngứngtạimáy
phát và thu đƣợc tínhqua thuật toánOMP sau khi
nhậnđƣợckopt. CôngsuấttiêuthụnhánhRFphát/thu
PRF=35mWchiếm72,9%tiếtkiệmđƣợc27,1%năng
lƣợng.Chƣơng trình này có thể áp dụng trong các
trƣờnghợpkháckhitathayđổikchuốiRFmở.
Hình 3. Số chuỗi RF mở trung bình
Hình3chothấysựphụthuộccủasốchuỗi
RFmở trungbìnhvớisố lƣợng luồngdữ liệukhác
nhau, Ns = {1,2,4,8}, P0 =48mW,SNRthayđổitừ0
đến20dB.Số lƣợng tốiƣukopt íthơnnhiềusovới
giá trị tối đa là 20, đặc biệt là ở vùng SNR thấp.
Điềunàycónghĩalàkhôngcầnthiếtphảimởtấtcả
các chuỗiRF trong hầu hết các trƣờng hợp.Trong
khiđó,việcgiảmsốlƣợngcácchuỗiRFmởsẽgóp
phầnlàmgiảmmứctiêuthụđiệnnăngdoRFtạora.
5. Kết luận
BàibáođãđềxuấtphƣơngpháptốiƣuEEđộ
phứctạpthấpchohệthốngsóngmm.Phƣơngpháp
đềxuất dựa trên thuộc tínhgầnđúng củahệ thống
sóngmm có các mảng ăng ten lớn, cũng nhƣ đặc
tínhthƣathớtcủakênhgiảmdần.Từđótínhtoánsố
lƣợng chuỗiRFmở tốiƣu.Thôngqua cáckết quả
mô phỏng, chỉ ra rằng ứng với SNR và công suất
tiêuthụcủachuỗiRFkhácnhausẽcócácđiểmtối
ƣuEEtƣơngứng.
6TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. S. Rangan, T. Rappaport, and E. Erkip, “Millimeter-wave Cellular Wire- less Networks Potentials 
andChallenges(Invited),”.3,Mar. 2014, pp. 366-385.
2. P. Wang, Y. Li,L.Song,andB.“Multi-gigabit Millimeter Wave Wireless Communications for 5G 
fromFixedAccesstoCellularNetworks,”1,Jan. 2015, 
3. T. Rappaport, R. Heath, R. Daniels, and J. Murdock, Millimeter Wave Wireless Communications, 
Prentice Hall, Sep. 2014.
4. X. Wu, C-X. Wang, J. Sun, J. Huang, R. Feng, Y. Yang, andX.Ge, “60 GHz Millimeter-wave 
Channel Measurements and Modeling forIndoorOffice Environents,” 4, April 2017,
5. Ayach, S. Rajagopal, S. Abu-Surra, Z. Pi, and R. W. Heath Jr., “Spatially Sparse Precoding in
Millimeter Wave MIMO Systems,” 3, Mar. 2014,
6. E. Ayach, R. W. Heath Jr., S.A. Surra, S. Rajagopal, andZ. Pi,  “The Capacity Optimality of 
Beam Steering in Large Millimeter Wave MIMOSystms,”June 2012, 
7. A. Alkhateeb, and R. W. Heath Jr., “FrequencySelectiveHybridPrecoding for Limited Feedback
Millimeter Wave Systems,” . 5, May 2016, pp. 1801-1818.
8. R. Zi, X. Ge, J. Thompson, C-X. Wang, H. Wang, and H. Tao, “EnergyEfficiencyOptimizationof
5GRadioFrequencyChainSystems,”,April2016.
9. C.Ma,J.Shi,N.Huang,andM.Chen,“Energy-EfficientHybridPre- coding for Millimeter Wave 
SystemsinMIMOInterferenceChannels,”, May 2016, pp. 1-5.
10. X. Gao, L. Dai, S. Huan, Jr, “Energy-efficientHybridAnalog April 2016.
11. S. He, C. Qi, Y. Wu,, “Energy-efficient Transceiver Design for Hybrid Sub-array Architecture 
MIMOSystems,”Jan.2017,pp. 9895-9905.
OPTIMIZED ENERGY EFFICIENCY SOLUTION FOR MICROPHONE MILIMET 
APPLICATION FOR 5G MOBILE TECHNOLOGY
Nguyen Thac Dung1, Nguyen Van Anh1,ĐinhCong Hung1
1Telecommunication University
Abstract:It is necessary to optimize the energy-efficient (EE) performance for millimeter-wave 
(mmWave) wireless systems, since the power consumption problem becomes increasingly crucial at high 
frequency bands. In hybrid precoding mmWave systems, the EE-oriented optimized elements include the 
analog and digital precoders at the transmitter, the analog and digital combiners at the receiver, as well as 
the corresponding number of opened radio frequency (RF) chains. In contrary to calculate the optimal 
precoding/combining matrices exhaustively for all possible numbers of RF chains as in the existing works,
this paper proposes a two-stage alternative method with nearly optimal sum rate performance and much 
lower computation complexity.Simulation results are further provided to verify the validation of the
proposed method.
Keywords: mmWave; Hybrid precoding; Energy efficiency; Low complexity.