Hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống FD-MIMO trong mạng 5G

HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG FD-MIMO TRONG MẠNG 5G
Tạp chí KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG58 Số 3 - 4 (CS.01) 2016
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG, QUYỂN 1, SỐ 3, NĂM 2016 1
HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG CỦA
HỆ THỐNG FD-MIMO TRONG MẠNG 5G
Nguyễn Thị Thanh Hương∗, Trương Trung Kiên∗†
∗ Phòng thí nghiệm Hệ thống Vô tuyến và Ứng dụng
† Bộ môn Xử lý Tín hiệu và Truyền thông, Khoa Kỹ thuật Điện tử I
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông.
Tóm tắt—Việc sử dụng hợp lý rất nhiều ăngten ở
trạm gốc để phục vụ đồng thời nhiều thuê bao tạo
ra một sự đột phá về tốc độ dữ liệu trong mạng
thông tin di động. Hệ thống này có tên gọi FD-
MIMO (Full-Dimension Multiple-Input Multiple-
Output) và đã được lựa chọn là một ứng cử cho
mạng thông tin di động thế hệ 5 (5G). Tuy nhiên,
đa số các bài báo có liên quan tập trung vào hoặc
tăng tổng dung lượng truyền tin với một công suất
tiêu thụ cố định hoặc khả năng giảm công suất tiêu
thụ nhưng vẫn đảm bảo tổng dung lượng truyền
tin cho trước. Một số ít bài báo nghiên cứu hiệu
quả sử dụng năng lượng của hệ thống này nhưng
chủ yếu cho mô hình đơn cell, do đó bỏ qua một số
tính chất quan trọng của hệ thống như nhiễu tín
hiệu hoa tiêu. Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất
một phương pháp mới để phân tích hiệu quả sử
dụng năng lượng của hệ thống FD-MIMO và với
nhiều cell hoạt động trên cùng băng tần. Các kết
quả tính toán số cho phép chúng tôi đưa ra những
nhận xét thú vị về cách làm tăng hiệu quả sử dụng
năng lượng của hệ thống này.
Từ khóa—Mạng 5G, hiệu quả sử dụng năng
lượng, hệ thống MIMO cỡ rất lớn, hệ thống MIMO
với rất nhiều ăngten ở trạm gốc, thông tin "xanh".
I. GIỚI THIỆU
Mạng thông tin di động thế hệ 5 (5G) vẫn đang
trong giai đoạn hình thành, một trong những mục
tiêu thiết kế quan trọng nhất vẫn là tiếp tục tăng
tốc độ dữ liệu. Thông tin đa đầu vào đa đầu ra
Tác giả liên hệ: Trương Trung Kiên, email:
kientt@ptit.edu.vn. Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ
Phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED)
trong đề tài mã số 102.02-2013.09. Một phần kết quả của
bài báo này đã được trình bày tại Hội thảo ECIT’2015.
Đến tòa soạn: 11/12/2016, chỉnh sửa: 30/12/2016, chấp
nhận đăng: 30/01/2017.
(MIMO - Multiple-Input Multiple-Output) là một
trong những kỹ thuật thông tin quan trọng hướng
tới mục tiêu trên thông qua việc sử dụng nhiều
ăng-ten ở trạm phát và/hoặc máy thu. Tuy nhiên,
thực tế là các hệ thống di động tế bào thế hệ
thứ 4 (4G) trở về trước vẫn chưa đạt được mức
tốc độ cao mà công nghệ MIMO hứa hẹn do mới
xem xét sử dụng số lượng ăng-ten chưa lớn [1].
Ví dụ trong hệ thống 3GPP LTE/LTE-Advanced
(hay 4G), mỗi trạm gốc có tối đa 8 ăngten trong
khi thiết bị người dùng có tối đa 4 ăngten. Tăng
số ăng-ten ở trạm gốc để phục vụ đồng thời nhiều
thuê bao hơn trên cùng một tài nguyên vô tuyến
là một hướng nghiên cứu hứa hẹn để phát huy hết
khả năng của kỹ thuật MIMO trong các hệ thống
di động tế bào [2]. Trong khuôn khổ bộ tiêu chuẩn
3GPP LTE-Advanced Pro (từ Phiên bản 13 trở đi
hay mạng 5G), kỹ thuật FD-MIMO đã được lựa
chọn là một trong các công nghệ ứng cử để tăng
tốc độ dữ liệu. Cụ thể, bằng việc sử dụng hàng
chục hay thậm chí hàng trăm ăngten ở từng trạm
gốc và sử dụng phương pháp truyền dẫn MIMO đa
người dùng (MU-MIMO - Multiple-User MIMO)
để phục vụ đồng thời hàng chục người dùng [2],
kỹ thuật FD-MIMO có tiềm năng tăng tốc độ dữ
liệu tổng cộng của mạng 5G lên nhiều lần.
Đa phần các bài báo trước đây khi nghiên cứu
các hệ thống thông tin MIMO với rất nhiều ăngten
ở trạm gốc thường tập trung vào hoặc khả năng cải
thiện tổng dung lượng truyền tin với một công suất
tiêu thụ cố định [2]–[4] hoặc khả năng giảm công
suất tiêu thụ những vẫn đảm bảo tổng dung lượng
truyền tin cho trước [5]. Trong thực tế, một cách
tiếp cận để dung hoà hai mục tiêu thiết kế có phần
mâu thuẫn nhau này là tối đa hoá tỷ số hiệu quả sử
dụng năng lượng của hệ thống. Theo định nghĩa,
hiệu quả sử dụng năng lượng của một hệ thống
HIỆU QUẢ SỬ DỤNG NăNG LƯỢNG 
CủA HỆ THỐNG FD-MIMO TRONG MẠNG 5G
Nguyễn Thị Thanh Hương*, Trương Trung Kiên*+ 
* Phòng thí nghiệm Hệ thống Vô tuyến và Ứng dụng 
+ Bộ môn Xử lý Tín hiệu và Truyền thông, Khoa Kỹ thuật Điện tử I 
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
I. GIớI THIỆU
Nguyễn Thị Thanh Hương, Trương Trung Kiên
Tạp chí KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG
Số 3 - 4 (CS.01) 2016 59
2 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG, QUYỂN 1, SỐ 3, NĂM 2016
thông tin là tỷ số giữa tổng dung lượng thông
tin được truyền đi trên tổng công suất tiêu thụ
tương ứng. Trong khả năng hiểu biết của chúng
tôi, đến nay có khá ít bài báo đã nghiên cứu hiệu
quả sử dụng năng lượng của hệ thống thông tin
MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc [6]–[9].
Bài báo [6] so sánh hiệu quả sử dụng hiệu quả
năng lượng giữa hệ thống MIMO với nhiều ăngten
ở trạm gốc và hệ thống sử dụng cell cỡ nhỏ. Tuy
nhiên, bài báo này mới chỉ tính đến công suất tiêu
thụ liên quan đến bức xạ tín hiệu. Bài báo [7] đề
xuất một mô hình công suất tiêu thụ mới không
chỉ bao gồm công suất phát trên bộ khếch đại công
suất mà còn là công suất tiêu thụ mạch bởi các
thành phần của trạm gốc và bởi các thiết bị tương
tự. Từ mô hình mới đưa ra được công thức tính
hiệu quả năng lượng, sau đó xác định được số ăng-
ten cần thiết để mang lại hiệu quả năng lượng cho
hệ thống MIMO cỡ rất lớn. Tuy nhiên, mô hình
công suất tiêu thụ sử dụng trong bài báo [7] khá
đơn giản và chưa phản ánh được các đặc trưng
riêng của truyền dẫn MIMO đa người dùng. Các
bài báo [8], [9] đề xuất một mô hình công suất
tiêu thụ thực tế hơn và có khả năng phản ánh cơ
chế xử lý tín hiệu và truyền dẫn MIMO đa người
dùng để nghiên cứu hiệu quả sử dụng năng lượng
của hệ thống MIMO đơn cell với nhiều ăngten ở
trạm gốc. Việc xem xét chỉ một cell duy nhất bỏ
qua một số tính chất quan trọng của hệ thống này
như nhiễu tín hiệu hoa tiêu và nhiễu liên cell khi
truyền dữ liệu.
Trong bài báo này, chúng tôi xem xét hệ thống
thông tin MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc
và với nhiều cell hoạt động trên cùng một băng
tần. Chúng tôi giả thiết hệ thống này hoạt động ở
chế độ song công phân chia theo thời gian (TDD -
Time Division Duplexing) trong đó trạm gốc ước
lượng các hệ số kênh truyền dựa trên tín hiệu hoa
tiêu ở đường lên. Chúng tôi giả thiết trạm gốc
sử dụng mã trước truyền tỷ số cực đại (MRT -
Maximal Ratio Transmission) để truyền dữ liệu
ở đường xuống. Đóng góp chính của chúng tôi
trong bài báo này là đề xuất một phương pháp
mới để phân tích hiệu quả sử dụng năng lượng
của hệ thống trên bằng cách sử dụng các tiếp cận
tìm giá trị tất định tương đương và môt mô hình
công suất tiêu thụ được sửa đổi từ mô hình đề
xuất trong các bài báo [8], [9]. Kết quả phân tích
cho ra một giá trị xấp xỉ của hiệu quả sử dụng
năng lượng của hệ thống dưới dạng một hàm số
của một số tham số hệ thống như hệ số pha đinh
phạm vi lớn, số ăngten ở trạm gốc, số thuê bao
trong mỗi cell, công suất tiêu thụ của mỗi phần
tử trong mạng. Kết quả mô phỏng số cho phép
chúng tôi có một số nhận xét quan trọng về ảnh
hưởng của các tham số hệ thống lên hiệu quả
sử dụng năng lượng của hệ thống. Ví dụ, khi cố
định số thuê bao trong một cell, tồn tại một giá
trị số ăngten trên trạm gốc tối ưu. Đáng chú ý là
giá trị tối ưu này nằm trong giới hạn cho phép
của các công nghệ chế tạo ăngten hiện nay. Bên
cạnh đó, khi cố định số ăngten trên trạm gốc, tăng
số thuê bao trong một cell có thể góp phần làm
tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Chú ý rằng,
một phần kết quả của bài báo này đã được trình
bày trong [10]. Tuy nhiên, [10] chỉ tập trung vào
truyền dẫn ở đường xuống trong khi bài báo này
nghiên cứu truyền dẫn ở cả đường lên và đường
xuống. Ngoài ra, so với [10], bài báo này cung
cấp thêm các kết quả mô phỏng mới và từ đó có
những quan sát và nhận xét mới về hiệu quả sử
dụng năng lượng của hệ thống thông tin MIMO
sử dụng nhiều ăng-ten ở trạm gốc.
Các mục còn lại của bài báo được tổ chức như
sau. Mục II mô tả mô hình hệ thống và quá trình
dò và ước lượng kênh của hệ thống. Mục III phân
tích lượng dữ liệu tổng cộng có thể truyền được
và tổng công suất tiêu thụ tương ứng trong một
khung truyền dẫn để từ đó phân tích hiệu quả sử
dụng năng lượng của hệ thống. Mục IV cung cấp
kết quả mô phỏng và tính toán số để kiểm chứng
kết quả phân tích. Cuối cùng, mục V đưa ra một
số kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo.
Quy ước ký hiệu toán học: Các ký tự thường
viết nghiêng (ví dụ, a) ký hiệu các giá trị vô
hướng, các ký tự được tô đậm thường (ví dụ, h)
ký hiệu các vector trong khi các ký tự được tô
đậm và in hoa (ví dụ, H) ký hiệu các ma trận.
IN và 0N ký hiệu ma trận đơn vị và ma trận toàn
giá trị không với kích thước N ×N . Đối với ma
trận A thì AT là ma trận nghịch đảo, A∗ là ma
trận chuyển vị liên hợp phức, và tr(A) là vết của
ma trận. E[·] ký hiệu phép toán kỳ vọng thống kê.
II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Xét một mạng thông tin di động tế bào dựa
trên TDD FD-MIMO với C cell, hay ô tế bào.
Mỗi cell có một trạm gốc với Nt ăngten để phục
vụ đồng thời cho U người dùng được phân bố
một cách ngẫu nhiêu trong cùng cell, trong đó
2 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG, QUYỂN 1, SỐ 3, NĂM 2016
thông tin là tỷ số giữa tổng dung lượng thông
tin được truyền đi trên tổng công suất tiêu thụ
tương ứng. Trong khả năng hiểu biết của chúng
tôi, đến nay có khá ít bài báo đã nghiên cứu hiệu
quả sử dụng năng lượng của hệ thống thông tin
MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc [6]–[9].
Bài báo [6] so sánh hiệu quả sử dụng hiệu quả
năng lượng giữa hệ thống MIMO với nhiều ăngten
ở trạm gốc và hệ thống sử dụng cell cỡ nhỏ. Tuy
nhiên, bài báo này mới chỉ tính đến công suất tiêu
thụ liên quan đến bức xạ tín hiệu. Bài báo [7] đề
xuất một mô hình công suất tiêu thụ mới không
chỉ bao gồm công suất phát trên bộ khếch đại công
suất mà còn là công suất tiêu thụ mạch bởi các
thành phần của trạm gốc và bởi các thiết bị tương
tự. Từ mô hình mới đưa ra được công thức tính
hiệu quả năng lượng, sau đó xác định được số ăng-
ten cần thiết để mang lại hiệu quả năng lượng cho
hệ thống MIMO cỡ rất lớn. Tuy nhiên, mô hình
công suất tiêu thụ sử dụng trong bài báo [7] khá
đơn giản và chưa phản ánh được các đặc trưng
riêng của truyền dẫn MIMO đa người dùng. Các
bài báo [8], [9] đề xuất một mô hình công suất
tiêu thụ thực tế hơn và có khả năng phản ánh cơ
chế xử lý tín hiệu và truyền dẫn MIMO đa người
dùng để nghiên cứu hiệu quả sử dụng năng lượng
của hệ thống MIMO đơn cell với nhiều ăngten ở
trạm gốc. Việc xem xét chỉ một cell duy nhất bỏ
qua một số tính chất quan trọng của hệ thống này
như nhiễu tín hiệu hoa tiêu và nhiễu liên cell khi
truyền dữ liệu.
Trong bài báo này, chúng tôi xem xét hệ thống
thông tin MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc
và với nhiều cell hoạt động trên cùng một băng
tần. Chúng tôi giả thiết hệ thống này hoạt động ở
chế độ song công phân chia theo thời gian (TDD -
Time Division Duplexing) trong đó trạm gốc ước
lượng các hệ số kênh truyền dựa trên tín hiệu hoa
tiêu ở đường lên. Chúng tôi giả thiết trạm gốc
sử dụng mã trước truyền tỷ số cực đại (MRT -
Maximal Ratio Transmission) để truyền dữ liệu
ở đường xuống. Đóng góp chính của chúng tôi
trong bài báo này là đề xuất một phương pháp
mới để phân tích hiệu quả sử dụng năng lượng
của hệ thống trên bằng cách sử dụng các tiếp cận
tìm giá trị tất định tương đương và môt mô hình
công suất tiêu thụ được sửa đổi từ mô hình đề
xuất trong các bài báo [8], [9]. Kết quả phân tích
cho ra một giá trị xấp xỉ của hiệu quả sử dụng
năng lượng của hệ thống dưới dạng một hàm số
của một số tham số hệ thống như hệ số pha đinh
phạm vi lớn, số ăngten ở trạm gốc, số thuê bao
trong mỗi cell, công suất tiêu thụ của mỗi phần
tử trong mạng. Kết quả mô phỏng số cho phép
chúng tôi có một số nhận xét quan trọng về ảnh
hưởng của các tham số hệ thống lên hiệu quả
sử dụng năng lượng của hệ thống. Ví dụ, khi cố
định số thuê bao trong một cell, tồn tại một giá
trị số ăngten trên trạm gốc tối ưu. Đáng chú ý là
giá trị tối ưu này nằm trong giới hạn cho phép
của các công nghệ chế tạo ăngten hiện nay. Bên
cạnh đó, khi cố định số ăngten trên trạm gốc, tăng
số thuê bao trong một cell có thể góp phần làm
tăng hiệu quả sử dụng năng lượng. Chú ý rằng,
một phần kết quả của bài báo này đã được trình
bày trong [10]. Tuy nhiên, [10] chỉ tập trung vào
truyền dẫn ở đường xuống trong khi bài báo này
nghiên cứu truyền dẫn ở cả đường lên và đường
xuống. Ngoài ra, so với [10], bài báo này cung
cấp thêm các kết quả mô phỏng mới và từ đó có
những quan sát và nhận xét mới về hiệu quả sử
dụng năng lượng của hệ thống thông tin MIMO
sử dụng nhiều ăng-ten ở trạm gốc.
Các mục còn lại của bài báo được tổ chức như
sau. Mục II mô tả mô hình hệ thống và quá trình
dò và ước lượng kênh của hệ thống. Mục III phân
tích lượng dữ liệu tổng cộng có thể truyền được
và tổng công suất tiêu thụ tương ứng trong một
khung truyền dẫn để từ đó phân tích hiệu quả sử
dụng năng lượng của hệ thống. Mục IV cung cấp
kết quả mô phỏng và tính toán số để kiểm chứng
kết quả phân tích. Cuối cùng, mục V đưa ra một
số kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo.
Quy ước ký hiệu toán học: Các ký tự thường
viết nghiêng (ví dụ, a) ký hiệu các giá trị vô
hướng, các ký tự được tô đậm thường (ví dụ, h)
ký hiệu các vector trong khi các ký tự được tô
đậm và in hoa (ví dụ, H) ký hiệu các ma trận.
IN và 0N ký hiệu ma trận đơn vị và ma trận toàn
giá trị không với kích thước N ×N . Đối với ma
trận A thì AT là ma trận nghịch đảo, A∗ là ma
trận chuyển vị liên hợp phức, và tr(A) là vết của
ma trận. E[·] ký hiệu phép toán kỳ vọng thống kê.
II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Xét một mạng thông tin di động tế bào dựa
trên TDD FD-MIMO với C cell, hay ô tế bào.
Mỗi cell có một trạm gốc với Nt ăngten để phục
vụ đồng thời cho U người dùng được phân bố
một cách ngẫu nhiêu trong cùng cell, trong đó
2 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG, QUYỂN 1, SỐ 3, NĂM 2016
thông tin là tỷ số giữa tổng dung lượng thông
tin được truyền đi trên tổng công suất tiêu thụ
tương ứng. Trong khả năng hiểu biết của chúng
tôi, đến nay có khá ít bài báo đã nghiên cứu hiệu
quả sử dụng năng lượng của hệ thống thông tin
MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc [6]–[9].
Bài báo [6] so sánh hiệu quả sử dụng hiệu quả
năng lượng giữa hệ thống MIMO với nhiều ăngten
ở trạm gốc và hệ thống sử dụng cell cỡ nhỏ. Tuy
nhiên, bài báo này mới chỉ tính đến công suất tiêu
thụ liên quan đến bức xạ tín hiệu. Bài báo [7] đề
xuất một mô hình công suất tiêu thụ mới không
chỉ bao gồm công suất phát trên bộ khếch đại công
suất mà còn là công suất tiêu thụ mạch bởi các
thành phần của trạm gốc và bởi các thiết bị tương
tự. Từ mô hình mới đưa ra được công thức tính
hiệu quả năng lượng, sau đó xác định được số ăng-
ten cần thiết để mang lại hiệu quả năng lượng cho
hệ thống MIMO cỡ rất lớn. Tuy nhiên, mô hình
công suất tiêu thụ sử dụng trong bài báo [7] khá
đơn giản và chưa phản ánh được các đặc trưng
riêng của truyền dẫ ... ở trạm gốc,” in
Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia 2015 về Điện tử, Truyền
thông và Công nghệ Thông tin (ECIT), 2015.
[11] B. Hassibi and B. M. Hochwald, “How much training
is needed in multiple-antenna wireless links?” IEEE
Trans. Info. Theory, vol. 49, no. 4, pp. 951–963, Apr.
2003.
[12] G. Caire, N. Jindal, M. Kobayashi, and N. Ravindran,
“Multiuser MIMO achievable rates with downlink train-
ing and channel state feedback,” IEEE Trans. Info.
Theory, vol. 56, no. 6, pp. 2845–2866, Jun. 2010.
[13] K. T. Truong, A. Lozano, and R. Heath, Jr., “Opti-
mal training in continuous flat-fading massive MIMO
systems,” in Proc. of IEEE European Wireless Conf.,
Barcelona, Spain, May 2014, pp. 1–6.
[14] S. Cui, A. Goldsmith, and A. Babai, “Energy efficiency
of MIMO and cooperative MIMO techniques in sensor
networks,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 22, no. 6,
pp. 1089–1098, 2004.
Tiêu đề tiếng Anh: ENERGY EFFICIENCY
OF FD-MIMO SYSTEMS IN 5G NETWORKS.
Tóm tắt tiếng Anh: Using properly a large
number of antennas at the base station to serve
simultaneously a smaller number of users may
make a breakthrough in data rates in cellular
networks. This technology is often known as FD-
MIMO (Full-Dimension Multiple-Input Multiple-
Output) and has been chosen as one of the key
candidate technologies for the fifth generation
(5G) cellular networks. Much prior work on FD-
MIMO, however, focused either on improving
sum-rate for a given power consumption or on
reducing power consumption under a constraint
of minimum date rates. Some prior work consid-
ered energy efficiency of FD-MIMO systems but
only for single-cell scenarios and hence ignored
important properties like pilot contamination. In
this paper, we propose a new method to analyze
energy efficiency of a multi-cell FD-MIMO sys-
tem. Numerical results give us interesting insights
into how to maximize the energy efficiency of this
system.
Nguyễn Thị Thanh Hương nhận
bằng Thạc sỹ ngành Công nghệ
Truyền thông tại Đại Học Waseda,
Nhật Bản năm 2008 và bằng Kỹ sư
ngành Điện tử Viễn thông tại Đại học
Giao thông Vận tải Hà Nội năm 1998.
Hiện tại, ThS Hương đang là nghiên
cứu sinh và là thành viên của PTN
Hệ thống Vô tuyến và Ứng dụng thuộc
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Hướng nghiên
cứu hiện tại là hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống
FD-MIMO trong mạng 5G. ThS. Hương đã được trao giải
thưởng Bài báo xuất sắc của Hội thảo Quốc gia 2015 về Điện
tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (ECIT).
Trương Trung Kiên nhận bằng Tiến
sỹ và bằng Thạc sỹ ngành Điện tử
Viễn thông tại Đại học Tổng hợp bang
Texas cơ sở ở thành phố Austin, Texas,
Hoa Kỳ lần lượt vào năm 2012 và
2008, nhận bằng Kỹ sư ngành Điện
tử Viễn thông tại Đại học Bách khoa
Hà Nội năm 2002. Hướng nghiên cứu
hiện tại bao gồm một số công nghệ
cho mạng 5G như hệ thống FD-MIMO, hệ thống thông tin
ở dải bước sóng mm (mmWave) và hệ thống Internet kết
nối vạn vật (Internet of Things). TS. Kiên đã được trao một
số giải thưởng NCKH như Bài báo xuất sắc nhất năm 2013
của tạp chí EURASIP Journal on Wireless Communications
and Networking (JWCN), Bài báo xuất sắc nhất năm 2014
của tạp chí KICS Journal of Communications and Networks,
và Bài báo xuất sắc của Hội thảo Quốc gia 2015 về Điện
tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (ECIT). TS. Kiên
đang phụ trách PTN Hệ thống Vô tuyến và Ứng dụng thuộc
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông và là Thành viên
Cao cấp (Senior Member) của IEEE.
8 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG, QUYỂN 1, SỐ 3, NĂM 2016
[2] T. L. Marzetta, “Noncooperative cellular wireless with
unlimited numbers of base station antennas,” IEEE
Trans. Wireless Commun., vol. 9, no. 11, pp. 3590–
3600, Nov. 2010.
[3] J. Hoydis, S. ten Brink, and M. Debbah, “Massive
MIMO in the UL/DL of cellular networks: How many
antennas do we need?” IEEE J. Sel. Areas Commun.,
vol. 31, no. 2, pp. 160–171, February 2013.
[4] K. T. Truong and R. W. Heath, Jr., “Effects of channel
aging in massive MIMO systems,” J. Commun. Net-
works, vol. 14, no. 4, pp. 338–351, Aug. 2013.
[5] H. Q. Ngo, E. G. Larsson, and T. L. Marzetta, “Energy
and spectral efficiency of very large multiuser MIMO
systems,” IEEE Trans. Commun., vol. 61, no. 4, pp.
1436–1449, Apr. 2013.
[6] W. Liu, S. Han, C. Yang, and C. Sun, “Massive I
or small cell network: Who is more energy efficient?”
in Proc. of IEEE Wireless Commun. Networking Conf.,
Apr. 2013, pp. 24–29.
[7] D. Ha, K. Lee, and J. Kang, “Energy efficiency analysis
with circuit power consumption in massive MIMO
systems,” in Proc. of IEEE Int. Symp. Personal Indoor
Mobile Radio Commun., Sep. 2013, pp. 938–942.
[8] E. Bjornson, J. Hoydis, M. Kountouris, and M. Debbah,
“Massive MIMO systems with non-ideal hardware: En-
ergy efficiency, esti ation, and capacity limits,” IEEE
Tran. Info. Theory, vol. 60, no. 11, pp. 7112–7139, Nov.
2014.
[9] E. Bjornson, L. Sanguinetti, J. Hoydis, and M. Debbah,
“Optimal design of energy-efficient multi-user MIMO
systems: Is massive MIMO the answer?” IEEE Trans.
Wireless Commun., vol. 14, no. 6, pp. 3059–3075, Jun.
2015.
[10] L. Đ. Bằng, N. T. T. Hương và T. T. Kiên, “Hiệu quả
sử dụng năng lượng của đường xuống trong hệ thống
thông tin MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc,” in
Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia 2015 về Điện tử, Truyền
thông và Công nghệ Thông tin (ECIT), 2015.
[11] B. Hassibi and B. M. Hochwald, “How much training
is needed in multiple-antenna wireless links?” IEEE
Trans. Info. Theory, vol. 49, no. 4, pp. 951–963, Apr.
2003.
[12] G. Caire, N. Jindal, M. Kobayashi, and N. Ravindran,
“Multiuser MIMO achievable rates with downlink train-
ing and channel state feedback,” IEEE Trans. Info.
Theory, vol. 56, no. 6, pp. 2845–2866, Jun. 2010.
[13] K. T. Truong, A. Lozano, and R. Heath, Jr., “Opti-
mal training in continuous flat-fading massive MIMO
systems,” in Proc. of IEEE European Wireless Conf.,
Barcelona, Spain, May 2014, pp. 1–6.
[14] S. Cui, A. Goldsmith, and A. Babai, “Energy efficiency
of MIMO and cooperative MIMO techniques in sensor
networks,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 22, no. 6,
pp. 1089–1098, 2004.
Tiêu đề tiếng Anh: ENERGY EFFICIENCY
OF FD-MIMO SYSTEMS IN 5G NETWORKS.
Tóm tắt tiếng nh: Using properly a large
number of antennas at the base station to serve
simultaneously a smaller number of users may
make a breakthrough in data rates in cellular
networks. This technology is often known as FD-
MIMO (Full-Dimension Multiple-Input Multiple-
Output) and has been chosen as one of the key
candidate technologies for the fifth generation
(5G) cellular networks. Much prior work on FD-
MIMO, however, focused either on improving
sum-rate for a given power consumption or on
reducing power consumption under a constraint
of minimum date rates. Some prior work consid-
ered energy efficiency of FD-MIMO systems but
only for single-cell scenarios and hence ignored
important properties like pilot contamination. In
this paper, we propose a new method to analyze
energy efficiency of a multi-cell FD-MIMO sys-
tem. Numerical results give us interesting insights
into how to maximize the energy efficiency of this
system.
Nguyễn Thị Thanh Hương nhận
bằng Thạc sỹ ngành Công nghệ
Truyền thông tại Đại Học Waseda,
hật Bản năm 2008 và bằng Kỹ sư
ngành Điện tử Viễn thông tại Đại học
Giao thông Vận tải Hà Nội năm 1998.
Hiện tại, ThS Hương đang là nghiên
cứu sinh và là thành viên của PTN
Hệ thống Vô tuyến và Ứng dụng thuộc
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Hướng nghiên
cứu hiện tại là hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống
FD-MIMO trong mạng 5G. ThS. Hương đã được trao giải
thưởng Bài báo xuất sắc của Hội thảo Quốc gia 2015 về Điện
tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (ECIT).
Trương Trung Kiên nhận bằng Tiến
sỹ và bằng Thạc sỹ ngành Điện tử
Viễn thông tại Đại học Tổng hợp bang
exas cơ sở ở thành phố Austin, Texas,
Hoa Kỳ lần lượt vào năm 2012 và
2008, nhận bằng Kỹ sư ngành Điện
tử Viễn thông tại Đại học Bách khoa
à Nội năm 2002. Hướng nghiên cứu
hiện tại bao gồm một số công nghệ
cho mạng 5G như hệ thống FD-MIMO, hệ thống thông tin
ở dải bước sóng mm (mmWave) và hệ thống Internet kết
nối vạn vật (Internet of Things). TS. Kiên đã được trao một
số giải thưởng NCKH như Bài báo xuất sắc nhất năm 2013
của tạp chí EURASIP Journal on Wireless Communications
and Networking (JWCN), Bài báo xuất sắc nhất năm 2014
của tạp chí KICS Journal of Communications and Networks,
và Bài báo xuất sắc của Hội thảo Quốc gia 2015 về Điện
tử, Truyền thông và ông nghệ Thông tin (ECIT). TS. Kiên
đang phụ trách PTN Hệ thống Vô tuyến và Ứng dụng thuộc
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông và là Thành viên
Cao cấp (Senior Member) của IEEE.
8 TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG, QUYỂN 1, SỐ 3, NĂM 2016
[2] T. L. Marzetta, “Noncooperative cellular wireless with
unlimited numbers of base station antennas,” IEEE
Trans. Wireless Commun., vol. 9, no. 11, pp. 3590–
3600, Nov. 2010.
[3] J. oydis, S. ten Brink, and M. Debbah, “Massive
MIMO in the UL/DL of cellular networks: How many
antennas do we need?” IEEE J. Sel. Areas Commun.,
vol. 31, no. 2, pp. 160–171, February 2013.
[4] K. T. Truong and R. W. Heath, Jr., “Effects of channel
aging in massive MIMO systems,” J. Commun. Net-
works, vol. 14, no. 4, pp. 338–351, Aug. 2013.
[5] H. Q. Ngo, E. G. Larsson, and T. L. Marzetta, “Energy
and spectral efficiency of very large multiuser MIMO
systems,” IEEE Trans. Com un., vol. 61, no. 4, pp.
1436–1449, Apr. 2013.
[6] W. Liu, S. Han, C. Yang, and C. Sun, “Massive MIMO
or small cell network: Who is more energy efficient?”
in Proc. of IEEE Wireless Commun. Networking Conf.,
Apr. 2013, pp. 24–29.
[7] D. Ha, K. Lee, and J. Kang, “Energy efficiency analysis
with circuit power consumption in massive MIMO
systems,” in Proc. of IEEE Int. Symp. Personal Indoor
Mobile Radio Commun., Sep. 2013, pp. 938–942.
[8] E. Bjornson, J. Hoydis, . Kountouris, and M. Debbah,
“Massive MIMO systems with non-ideal hardware: En-
ergy efficiency, estimation, and capacity limits,” IEEE
Tran. Info. Theory, vol. 60, no. 11, pp. 7112–7139, Nov.
2014.
[9] E. Bjornson, L. Sanguinetti, J. Hoydis, and M. Debbah,
“Optimal design of energy-efficient multi-user MIMO
systems: Is massive MIMO the answer?” IEEE Trans.
Wireless Commun., vol. 14, no. 6, pp. 3059–3075, Jun.
2015.
[10] L. Đ. Bằng, N. T. T. Hương và T. T. Kiên, “Hiệu quả
sử dụng năng lượng của đường xuống trong hệ thống
thông tin MIMO với rất nhiều ăngten ở trạm gốc,” in
Kỷ yếu Hội thảo Quốc gia 2015 về Điện tử, Truyền
thông và Công nghệ Thông tin (ECIT), 2015.
[11] B. Hassibi and B. M. Hochwald, “How much training
is needed in multiple-antenna wireless links?” IEEE
Trans. Info. Theory, vol. 49, no. 4, pp. 951–963, Apr.
2003.
[12] G. Caire, N. Jindal, . Kobayashi, and N. Ravindran,
“Multiuser MIMO achievable rates with downlink train-
ing and channel state feedback,” IEEE Trans. Info.
Theory, vol. 56, no. 6, pp. 2845–2866, Jun. 2010.
[13] K. T. Truong, A. Lozano, and R. Heath, Jr., “Opti-
mal training in continuous flat-fading massive MIMO
systems,” in Proc. of IEEE European Wireless Conf.,
Barcelona, Spain, May 2014, pp. 1–6.
[14] S. Cui, A. Goldsmith, and A. Babai, “Energy efficiency
of MIMO and cooperative MIMO techniques in sensor
networks,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 22, no. 6,
pp. 1089–1098, 2004.
Tiêu đề tiếng Anh: ENERGY EFFICIENCY
OF FD-MIMO SYSTEMS IN 5G NETWORKS.
Tóm tắt tiếng Anh: Using properly a large
number of antennas at the base station to serve
simultaneously a smaller number of users may
make a breakthrough in data rates in cellular
networks. This technology is often known as FD-
MIMO (Full-Dimension Multiple-Input Multiple-
Output) and has been chosen as one of the key
candidate technologies for the fifth generation
(5G) cellular networks. Much prior work on FD-
MIMO, however, focused either on improving
sum-rate for a given power consumption or on
reducing power consumption under a constraint
of minimum date rates. Some prior work consid-
ered energy efficiency of FD-MIMO systems but
only for single-cell scenarios and hence ignored
important properties like pilot contamination. In
this paper, we propose a new method to analyze
energy efficiency of a multi-cell FD-MIMO sys-
tem. Numerical results give us interesting insights
into how to maximize the energy efficiency of this
system.
Nguyễn Thị Thanh Hương nhận
bằng Thạc sỹ ngành Công nghệ
Truyền thông tại Đại Học Waseda,
Nhật Bản năm 2008 và bằng Kỹ sư
ngành Điện tử Viễn thông tại Đại học
Giao thông Vận tải Hà Nội năm 1998.
Hiện tại, ThS Hương đang là nghiên
cứu sinh và là thành viên của PTN
Hệ thống Vô tuyến và Ứng dụng thuộc
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông. Hướng nghiên
cứu hiện tại là hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống
FD-MIMO trong mạng 5G. ThS. Hương đã được trao giải
thưởng Bài báo xuất sắc của Hội thảo Quốc gia 2015 về Điện
tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (ECIT).
Trương Trung Kiên nhận bằng Tiến
sỹ và bằng Thạc sỹ ngành Điện tử
Viễn thông tại Đại học Tổng hợp bang
Texas cơ sở ở thành phố Austin, Texas,
Hoa Kỳ lần lượt vào năm 2012 và
2008, nhận bằng Kỹ sư ngành Điện
tử Viễn thông tại Đại học Bách khoa
Hà Nội năm 2002. Hướng nghiên cứu
hiện tại bao gồm một số công nghệ
cho mạng 5G như hệ thống FD-MIMO, hệ thống thông tin
ở dải bước sóng mm (mmWave) và hệ thống Internet kết
nối vạn vật (Internet of Things). TS. Kiên đã được trao một
số giải thưởng NCKH như Bài báo xuất sắc nhất năm 2013
của tạp chí EURASIP Journal on Wireless Communications
and Networking (JWCN), Bài báo xuất sắc nhất năm 2014
của tạp chí KICS Journal of Communications and Networks,
và Bài báo xuất sắc của Hội thảo Quốc gia 2015 về Điện
tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (ECIT). TS. Kiên
đang phụ trách PTN Hệ thống Vô tuyến và Ứng dụng thuộc
Học viện Công nghệ Bưu chính viễn thông và là Thành viên
Cao cấp (Senior Member) của IEEE.
eNeRGY eFFICIeNCY OF Fd-mImO 
sYsTems IN 5G NeTWORKs
Using properly a large number of antennas at the base 
station to serve simultaneously a smaller number of 
users maymake a breakthro gh in data rates in cellular 
networks. This technology is often known as FD-MIMO 
(Full-Dimension Multiple-Input Multiple- Output) and 
has been chosen as one of the key candidate technologies 
for the fifth generation (5G) cellular networks. Much 
prior work on FD-MIMO, however, focu ed ither on 
improving sum-rate f r a given power consumption 
or on reducing power consumption under a constraint 
of minimum date rates. So e prior work consid-ered 
nergy efficiency of FD-MIMO systems but only for 
single-cell scenario and hence ignored important 
pr perties like pilot contamination. In this paper, we 
propose a new method to analyze energy efficiency of 
a multi-cell FD-MIMO sys-tem. Numerical results give 
us interesting insights into how to maximize the energy 
efficiency of this system.