Đồ án tốt nghiệp: “KỸ THUẬT ĐỊNH DẠNG BÚP SÓNG TRONG MẠNG 5G”

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: “KỸ THUẬT ĐỊNH DẠNG BÚP SÓNG TRONG MẠNG 5G” Giảng viên hướng dẫn : TS NGUYỄN VIẾT MINH Sinh viên thực : BÙI NGỌC SƠN Lớp : D17CQVT-07 Khóa : 2017-2022 Hệ : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Hà Nội, tháng 12 năm 2021 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN …………………………………………………………………………………… ….………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………… ……….…………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ….………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………… ……….…………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ….………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ….………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ….………………………………………………………………………………… Điểm:… (Bằng chữ…………….) Ngày… tháng… năm 2021 Giảng viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN …………………………………………………………………………………… ….………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………… ……….…………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ….………………………………………………………………………………… … ……………………………………………………………………………… ……….…………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ….………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ….………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………… ….………………………………………………………………………………… Điểm:… (Bằng chữ…………….) Ngày… tháng… năm 2021 Giảng viên phản biện Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH iii DANH MỤC BẢNG v DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT vi LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G VÀ MASSIVE MIMO 1.1 Tổng quan mạng 5G 1.1.1 Sự phát triển mạng 5G 1.1.2 Tiềm mạng 5G 1.1.3 Các trường hợp sử dụng mạng 5G 1.1.4 Thông số kỹ thuật thiết kế mạng 5G 1.1.5 Một số cơng nghệ hỗ trợ cho mạng 5G 1.2 Kiến trúc mạng 5G 10 1.3 Tổng quan Massive MIMO 11 1.4 Massive MIMO mạng 5G 15 1.4.1 Tại Massive MIMO quan trọng với mạng 5G 15 1.4.2 Các lợi ích việc sử dụng kỹ thuật đa anten Massive MIMO 5G 16 1.4.3 Cách thức hoạt động Massive MIMO 17 1.4.4 Đa truy nhập phân chia theo búp sóng Massive MIMO 19 1.5 Kết luận chương 20 CHƯƠNG KỸ THUẬT ĐỊNH DẠNG BÚP SÓNG TRONG MẠNG 5G 21 2.1 Anten mảng 21 2.1.1 Cấu trúc hình học loại anten mảng 21 2.1.2 Mảng tuyến tính đồng 23 2.1.3 Lái hướng mảng 24 Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B i Đồ án tốt nghiệp đại học Mục lục 2.2 Mơ hình kênh MIMO sóng milimet 5G 25 2.3 Các kỹ thuật định dạng búp sóng mạng 5G 25 2.3.1 Định dạng búp sóng tương tự 27 2.3.2 Định dạng búp sóng hỗn hợp 28 2.4 Thủ tục định dạng búp sóng 31 2.4.1 Giao thức thuật toán đào tạo búp sóng 32 2.5 Kết luận chương 40 CHƯƠNG HIỆU NĂNG CỦA KỸ THUẬT ĐỊNH DẠNG BÚP SĨNG 41 3.1 Các thơng số hiệu hệ thống 41 3.1.1 Phân tập truyền dẫn 41 3.1.2 Độ lợi định dạng búp sóng 43 3.1.3 Ngăn chặn nhiễu 45 3.1.4 Hiệu suất lượng 47 3.1.5 Bảo mật hệ thống 49 3.1.6 Giảm trễ lan truyền 49 3.1.7 Hiệu suất phổ tổng thể 51 3.2 Đánh giá hiệu hệ thống định dạng búp sóng 52 3.2.1 Mơ hình hệ thống 53 3.2.2 Phương pháp 53 3.2.3 Kết 59 3.3 Kết luận chương 63 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B ii Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sự phát triển mạng 5G Hình 1.2 Các lớp trường sử dụng 5G Hình 1.3 Định dạng búp sóng Massive MIMO Hình 1.4 Massive MIMO đường lên đường xuống Hình 1.5 Cơng nghệ song cơng hồn tồn 10 Hình 1.6 Các kiến trúc tùy chọn triển khai xác định cho 5G 11 Hình 1.7 Mơ hình kênh MIMO với Nt anten phát N r anten thu 12 Hình 1.8 Minh họa hệ thống Massive MU-MIMO 14 Hình 1.9 Hệ thống Massive MIMO thử nghiệm với 100 phần tử anten 16 Hình 1.10 Giao thức truyền tải song công phân chia theo thời gian Massive MIMO 18 Hình 1.11 Đa truy nhập phân chia theo búp sóng 19 Hình 2.1 Các loại hình dạng anten mảng 22 Hình 2.2 Kích thước anten mảng giảm tương ứng với tần số cao 22 Hình 2.3 Hình học trường xa mảng có số lượng N phần tử đẳng hướng 24 Hình 2.4 Kiến trúc định dạng búp sóng kỹ thuật số Mỗi chuỗi RF kết nối với phần tử anten mảng 26 Hình 2.5 Hệ thống định dạng búp sóng tương tự đa anten máy phát máy thu 27 Hình 2.6 Hệ thống định dạng búp sóng hỗn hợp với xử lý tương tự kỹ thuật số tách biệt Số lượng chuỗi RF sử dụng thấp số lượng anten mảng 29 Hình 2.7 Xử lý tương tự để định dạng búp sóng hỗn hợp dựa dịch pha: (a) chuỗi RF kết nối đến tất anten; (b) chuỗi RF kết nối với tập hợp anten 30 Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B iii Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục Hình 2.8 Quá trình xử lý tương tự cho định dạng búp sóng hỗn hợp dựa chuyển mạch: (a) chuỗi RF kết nối đến tất anten; (b) chuỗi RF kết nối đến tập anten 31 Hình 2.9 (a) Các vùng quasi-omni; (b) Các sectors 33 Hình 2.10 (a) Các búp sóng độ phân giải thấp; (b) Các búp sóng độ phân giải cao 33 Hình 2.11 Cấu trúc khung đề xuất 35 Hình 2.12 Đào tạo tìm kiếm tồn diện 36 Hình 2.13 Phương pháp đào tạo búp sóng thích ứng song song 37 Hình 2.14 (a) Định dạng búp sóng thích ứng; (b) định dạng búp sóng thơng thường 38 Hình 2.15 (a) Hệ thống ma trận quản gia 4x4; (b) Mẫu búp sóng tạo ma trận quản gia 39 Hình 3.1 (a) 2x2 MIMO với kỹ thuật ghép kênh không gian; (b) 2x2 MIMO với kỹ thuật tiền mã hóa 42 Hình 3.2 Cấu trúc máy phát mơ hình hệ thống đề xuất 43 Hình 3.3 Tỉ số tín hiệu nhiễu cải thiện với số lượng phần tử anten 44 Hình 3.4 Máy phát mảng pha với N phần tử anten 47 Hình 3.5 Có thể kiểm sốt trải Doppler tối đa cách điều chỉnh độ rộng búp sóng máy thu 50 Hình 3.6 Đo lường hiệu suất phổ định dạng búp sóng hỗn hợp 52 Hình 3.7 Khu vực chọn Ghent, Bỉ vị trí có trạm gốc 53 Hình 3.8 Thuật tốn tối ưu hóa mạng 55 Hình 3.9 So sánh thông số khác sử dụng định dạng búp sóng: số lượng trạm gốc, tỷ lệ phần trăm người dùng phục vụ, mức tiêu thụ điện công suất mạng cung cấp 60 Hình 3.10 Thơng số hiệu suất lượng (EE) cho kiến trúc định dạng búp sóng khác 61 Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B iv Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các yêu cầu thông số kỹ thuật mạng 5G IMT 2020 Bảng 1.2 So sánh hệ thống MIMO truyền thống hệ thống Massive MIMO Bảng 2.1 So sánh phương pháp thích ứng 37 Bảng 3.1 Độ lợi đo môi trường khác 45 Bảng 3.2 Tiêu thụ lượng điều kiện khác 48 Bảng 3.3 Thông số ngân sách mạng 5G 56 Bảng 3.4 Thông số công suất tiêu thụ 4G 58 Bảng 3.5 Thông số công suất tiêu thụ 5G 58 Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B v Đồ án tốt nghiệp đại học Danh mục DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1G First Generation Thế hệ 2G Second Generation Thế hệ thứ hai 3G Third Generation Thế hệ thứ ba 4G Fourth Generation Thế hệ thứ tư 5G Fifth Generation Thế hệ thứ năm BS Base Station Trạm gốc BF Beamforming Định dạng búp sóng BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế pha nhị phân EE Energy Efficiency Hiệu lượng EIRP Effective Isotropic Radiated Power Công suất xạ đẳng hướng tương đương eMBB Enhanced Mobile Broadband Băng rộng di động tăng cường EPC Evolved Packet Core Mạng lõi chuyển mạch gói cải tiến IMT International Mobile Telecommunications Viễn thông di động quốc tế LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn NSA Non Stand Alone Không đứng độc lập MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B vi Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng tín hiệu nhiễu trường hợp định dạng búp sóng hỗn hợp định dạng búp sóng tối ưu Trong định dạng búp sóng tối ưu, vector trọng số chọn để đạt hiệu suất tối ưu cách chéo hóa ma trận kênh Một mạng có hệ thống MIMO 64x64 với chuỗi RF máy thu máy phát hỗ trợ lên đến luồng liệu Tần số sóng mang 30GHz sử dụng góc khởi hành từ máy phát 60 góc phương vị 20 góc cao Máy thu thu sóng từ hướng Hiệu suất phổ tính tốn khoảng tỉ số tín hiệu nhiễu -40:5:0 (dB) Với Ns số luồng liệu sử dụng Có thể thấy kết hình 3.6 định dạng búp sóng hỗn hợp với u cầu phần cứng đạt hiệu suất phổ gần so với định dạng búp sóng tối ưu Hình 3.6 Đo lường hiệu suất phổ định dạng búp sóng hỗn hợp 3.2 Đánh giá hiệu hệ thống định dạng búp sóng Trong mục trình bày nghiên cứu mô đánh giá hiệu lấy số liệu từ nhà mạng Bỉ Mô bao gồm mạng 4G mạng 5G với kỹ thuật định dạng búp sóng tương tự, định dạng búp sóng kỹ thuật số định dạng búp sóng hỗn hợp Số liệu hiệu thu từ mạng 5G với kỹ thuật định dạng búp sóng so sánh tham chiếu với hiệu suất mạng 4G Từ kết thu biết điểm yếu, điểm mạnh kỹ thuật định dạng búp sóng kết luận kỹ thuật định dạng búp sóng mang lại hiệu suất tối ưu Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 52 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng 3.2.1 Mơ hình hệ thống Một khu vực ngoại thực tế có diện tích 6,85 km2 Ghent, Bỉ, sử dụng để mô hình 3.7 Trong khu vực quan tâm này, nhiều trạm gốc triển khai, trang bị số lượng lớn anten trạm gốc phục vụ nhiều người dùng người dùng liên kết với trạm gốc Thiết kế mạng 5G dựa nguyên tắc lập kế hoạch bản, theo 95% người dùng phục vụ khu vực Vì việc đo kích thước mạng thực cho lưu lượng truy cập vào cao điểm, mạng xử lý 224 người dùng hoạt động đồng thời khu vực ngoại ô Giả định số người dùng thực gọi thoại tốc độ 64 kbps yêu cầu truyền liệu cần Mbps Bài nghiên cứu phân tích dựa ràng buộc thực tế liệu cung cấp nhà khai thác Bỉ: khu vực quan tâm, môi trường, trạm gốc phân phối tốc độ bit người dùng Điều dẫn đến so sánh công thực tế kỹ thuật định dạng búp sóng hai cơng nghệ (4G 5G) Hình 3.7 Khu vực chọn Ghent, Bỉ vị trí có trạm gốc Người dùng phân bổ đồng khu vực xem xét, có nghĩa vị trí khu vực có hội chọn làm vị trí người dùng 3.2.2 Phương pháp Phương pháp nghiên cứu tiến hành mô mức hệ thống dựa tình khác xác định 3.2.2.1 Các tình triển khai  Kịch I (tham chiếu): mạng 4G nhà khai thác Bỉ hoạt động băng tần 2,6 GHz, với băng thông 20 MHz không áp dụng MIMO  Kịch II: Mạng 5G băng tần 60 GHz Băng thông đặt 500 MHz: Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 53 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng  Kịch II.a: mạng 5G khơng có định dạng búp sóng  Kịch II.b: Mạng 5G triển khai định dạng búp sóng phía trạm gốc Số lượng anten đa dạng từ 8, 16, 32, 64 256  Kịch II.c: Mạng 5G triển khai định dạng búp sóng phía trạm gốc trạm di động Số lượng phần tử anten trạm gốc thay đổi từ 8, 16, 32, 64 265 Trong trạm di động, số lượng phần tử anten thiết lập 3.2.2.2 Thuật toán tối ưu hóa mạng Thuật tốn đề xuất thể hình 3.8 để tối ưu hóa vị trí trạm gốc khu vực ngoại ô cho đảm bảo hiệu lượng Đầu tiên, tệp lưu lượng chứa thông tin lưu lượng liên quan đến số lượng người dùng hoạt động đồng thời tạo (Hình 3.8, bước 2) Các tệp đầu vào bổ sung cần thiết: tệp với tập hợp vị trí có trạm gốc, hai tệp định dạng hệ thống thông tin địa lý khu vực điều tra Ghent (mô tả môi trường với vị trí độ cao tịa nhà), tệp có thơng số ngân sách liên kết cuối tệp với giá trị tiêu thụ điện thành phần trạm gốc khác (Hình 3.8, bước 3) Dựa thơng tin này, thuật toán đánh giá khoảng cách người dùng khu vực xem xét trạm gốc tính tốn để chọn trạm gốc phù hợp cho người dùng Sau đó, suy hao đường truyền mà người dùng gặp phải từ trạm gốc kích hoạt tính tốn so sánh với suy hao đường truyền tối đa cho phép Nếu suy hao đường truyền thu thấp suy hao đường truyền tối đa cho phép và tốc độ bit yêu cầu thấp dung lượng hiệu dụng trạm gốc, người dùng kết nối đến trạm gốc kích hoạt (Hình 3.8, bước 4) Nếu không, trạm gốc kích hoạt để kết nối đến người dùng với điều kiện tổn thất đường truyền mà người dùng trải nghiệm thấp số tất trạm gốc (Hình 3.8, bước bước 6) Nếu khơng có trạm gốc kích hoạt tất trạm gốc hoạt động tải, người dùng khơng thể phục vụ (Hình 3.8, bước 7) Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 54 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng Start Time stamp (Step 1) (i=1 17) Traffic file (Step 2) (j=1 40) (Step 8) (Step 3) User (k=1 K) (Step 4) Next User ? User can be served by existing BS? Next traffic file? (Step 5) Connect user to New BS? Next time stamp? (Step 6) (Step 7) Stop User cannot be served Tranfer served User to this new BS TRẠM GỐC Hình 3.8 Thuật tốn tối ưu hóa mạng 3.2.2.3 Mơ hình suy hao đường truyền Trong nghiên cứu này, xem xét mô hình suy hao đường dẫn khoảng cách tham chiếu CI nó cung cấp đơn giản đáng kể độ xác hợp lý nhiều mơi trường dải tần số Các tham số ngân sách liên kết cho 5G liệt kê bảng 3.3 giả định sử dụng để ước tính suy hao đường truyền mà người dùng gặp phải Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 55 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng Bảng 3.3 Thơng số ngân sách mạng 5G Thơng số Giá trị Tần số sóng mang 60GHz Băng thông kênh 500MHz Độ lợi phần tử anten phát 10dBi Suy hao lượng nguồn anten mảng phát 3dB Công suất phát cho anten trạm gốc 10dBm Số lượng phần tử anten mảng phía thu Độ lợi phần tử anten phía thu 6dBi SNR (7.39;15.4;17.5)dB Số mũ suy hao đường truyền 3.5 Suy hao thâm nhập sóng mm 40dB Suy hao khí sóng mm 3.2dB Suy hao triển khai 3dB Hệ số nhiễu máy thu Rx 7dB Các suy hao khác (vật cản, pha đinh) 20dB Lưu ý: Giá trị SNR tương ứng với [1/2 BPSK,1/2 QPSK, 1/2 16-QAM] Mơ hình suy hao đường truyền khoảng cách tham chiếu CI định nghĩa sau: d  PL(d )  PL(d o )  10n log10    X   d0  (3.12) Trong n số mũ suy hao đường truyền cho dải tần cụ thể môi trường định Nó khơng có thứ ngun giả định 3,5 tương ứng trường hợp tầm nhìn khơng tầm nhìn X  biến ngẫu nhiên Gaussian trung bình với độ lệch chuẩn σ (tính dB) có tính Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 56 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng đến dao động tín hiệu tạo bóng PL(d0 ) (tính dB) Suy hao đường truyền không gian tự khoảng cách tham chiếu d (tính m) xác định sau:  4 d0  PL(d0 )  10log10      (3.13) Với  bước sóng (m) Tại băng tần sóng milimet, giả định  = 10dB, d = 1m PL(d0 ) =68dB 3.2.2.4 Các mơ hình tiêu thụ điện Trong môi trường di động, trạm gốc dường thành phần tiêu thụ lượng nhiều thực tế tiêu thụ gần 80% tổng lượng cần thiết mạng, so với trạm di động mạng lõi Mục đích mơ hình tiêu thụ điện đề xuất xác định thơng số đầu vào thực tế để có ý tưởng xác mức tiêu thụ điện mạng 5G, dựa kiến trúc định dạng búp sóng xem xét Các thành phần trạm gốc giá trị tiêu thụ điện tương ứng chúng trình bày bảng 3.4 3.5 tương ứng cho công nghệ 4G 5G Đối với công suất tiêu thụ khuếch đại, hiệu suất η khuếch đại công suất sử dụng thay Nó định nghĩa tỷ lệ cơng suất đầu chuỗi RF với công suất điện đầu vào:  Ptx Pamp (3.14) Với Ptx công suất đầu chuỗi RF khuếch đại (tính W) Pamp công suất điện đầu vào khuếch đại (tính W) Tổng cơng suất tiêu thụ trạm gốc mơ hình hóa phương trình đây, tùy thuộc vào loại kiến trúc định dạng búp sóng: PDBF  Nant ( Ptrans  Pdsp  Pamp )  Prect  Pcool  Pbhl (3.15) PABF  N ant  Pamp   Ptrans  Prect  Pcool  Pbhl (3.16) PHBF  N ant  Pamp   M trans Ptrans  Pdsp  Prect  Pcool  Pbhl (3.17) Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 57 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng Với N ant số lượng phần tử anten trạm gốc, M trans số lượng thu phát RF sử dụng, Ptrans công suất tiêu thụ thu phát RF (tính W), Pdsp cơng suất tiêu thụ xử lý tín hiệu kỹ thuật số (tính W),  hiệu suất khuếch đại, Pamp công suất đầu vào khuếch đại (tính W), Prect cơng suất tiêu thụ chỉnh lưu (tính W), Pcool công suất tiêu thụ tản nhiệt (tính W), Pbhl cơng suất tiêu thụ liên kết backhaul ( tính W) Bảng 3.4 Thơng số công suất tiêu thụ 4G Thông số Mô tả Giá trị Ptrans Công suất tiêu thụ thu phát RF nhánh anten 100 W  Hiệu suất khuếch đại 12.8% Pbhl Công suất tiêu thụ liên kết backhaul 80W Pcool Công suất tiêu thụ tản nhiệt 225W Prect Công suất tiêu thụ chỉnh lưu 100W Pdsp Cơng suất xử lí tín hiệu nhánh anten 100W Bảng 3.5 Thông số công suất tiêu thụ 5G Thông số Mô tả Giá trị Ptrans Công suất tiêu thụ thu phát RF nhánh anten 1.5 W  Hiệu suất khuếch đại 50% Pbhl Công suất tiêu thụ liên kết backhaul 10W Pcool Công suất tiêu thụ tản nhiệt 200W Prect Công suất tiêu thụ chỉnh lưu 50W Pdsp Cơng suất xử lí tín hiệu nhánh anten 1W Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 58 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng 3.2.2.4 Chỉ số hiệu lượng Trong nghiên cứu này, sử dụng số hiệu lượng (EE) có tính đến nhiều thông số hiệu suất mạng băng thông, tốc độ bit, vùng phủ sóng, dung lượng, số lượng người dùng EE  ABU (km2 Mbps / W) Pel (3.18) Với A diện tích vùng phủ sóng trạm gốc (đơn vị km2 ), U số lượng người dùng phục vụ, B tốc độ bit cung cấp trạm gốc ( đơn vị Mbps) Pel công suất tiêu thụ trạm gốc ( đơn vị W) Giá trị EE cao mạng tiết kiệm lượng 3.2.3 Kết 3.2.3.1 So sánh hiệu suất mạng 5G khơng có định dạng búp sóng với 4G Trong phần này, đánh giá hiệu suất mạng thu với kịch tham chiếu 4G kịch 5G II.a mô tả mục 3.8.2.1, theo định dạng búp sóng hồn tồn khơng sử dụng (cả trạm gốc trạm di động) Hình 3.9 cho thấy kịch 5G yêu cầu nhiều trạm gốc mạng tham chiếu 4G (92 trạm gốc so với 33 trạm gốc) Điều giải thích phạm vi phủ sóng 5G nhỏ 39,6% so với phủ sóng 4G dựa giả định nghiên cứu Tuy nhiên, trạm gốc 5G tiêu thụ điện trạm gốc 4G Tiêu thụ điện giảm 50%, số lượng trạm gốc mạng 5G cao hơn, thể hình 3.9 Điều công nghệ phát triển nhà sản xuất để xây dựng thành phần đầu cuối RF chi phí thấp tiết kiệm điện Đối với toàn dung lượng mạng (dựa trạm gốc), kịch 5G xem xét cung cấp dung lượng cao mạng 4G: 1032,6 Mbps cho 5G kịch II.a, 4G cung cấp 449,5 Mbps, hình 3.9 Hình 3.10 cho thấy mạng tham chiếu 4G tiết kiệm lượng có giá trị EE nhỏ so với kịch 5G xem xét (14,6 [ km2 Mbps / W ] cho 4G 30,6 [ km2 Mbps / W ] cho kịch 5G II.a) Hiệu suất tốt mặt giá trị EE trì nhờ mức tiêu thụ điện mạng 5G thấp 50% so với mạng tham chiếu 4G, hình 3.10 Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 59 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng 3.2.3.2 Tác động hiệu suất việc sử dụng định dạng búp sóng Ở đây, kiểm tra hoạt động kịch 5G II.b II.c mơ tả mục 3.2.2.1, định dạng búp sóng sử dụng So sánh hiệu suất loại kiến trúc định dạng búp sóng khác Kết mơ trình bày hình 3.9 Vùng phủ sóng cải thiện có nghĩa số lượng trạm gốc yêu cầu giảm Khi sử dụng kiến trúc định dạng búp sóng, kết cho thấy sử dụng nhiều phần tử anten, vùng phủ sóng cung cấp mạng tốt Được thể số lượng trạm gốc yêu cầu giảm số lượng anten tăng kết hình 3.9 với kiến trúc định dạng búp sóng kỹ thuật số, định dạng búp sóng tương tự, định dạng búp sóng hỗn hợp Hình 3.9 cho thấy mạng 5G với định dạng búp sóng kỹ thuật số yêu cầu nhiều trạm gốc so với kịch tham chiếu 4G: + 75,4% cho kịch II.b 64x1, + 36,4% cho kịch II.b 256x1, + 36,1% cho kịch II.c 64x4 + 6,2% cho kịch II.c 256x4 Hình 3.9 So sánh thông số khác sử dụng định dạng búp sóng: số lượng trạm gốc, tỷ lệ phần trăm người dùng phục vụ, mức tiêu thụ điện công suất mạng cung cấp Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 60 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng Hình 3.10 Thơng số hiệu suất lượng (EE) cho kiến trúc định dạng búp sóng khác Nhiều anten cung cấp độ lợi bổ sung giúp vượt qua hạn chế lan truyền sóng milimet Điều dẫn đến suy hao đường truyền tối đa cho phép cao dẫn đến giá trị cao phạm vi ô phủ sóng Vì vậy, áp dụng định dạng búp sóng hai phía, số lượng trạm gốc mạng 5G tiệm cận gần với số lượng trạm gốc mạng 4G, đặc biệt số lượng phần tử anten ngày lớn Định dạng búp sóng cải thiện hiệu suất mạng 5G, khu vực bao phủ người dùng phục vụ nhờ vào độ lợi bổ sung cung cấp nhiều phần tử anten mà trạm gốc trang bị Trên thực tế số lượng người dùng phục vụ, hiệu suất mạng 5G tiệm cận với mạng 4G (99% người dùng phục vụ): 99,6% người dùng phục vụ kịch II.b (16x1) 100% kịch II.c (256x4) với định dạng búp sóng kỹ thuật số Về mức tiêu thụ điện thể hình 3.9, sử dụng nhiều anten phía trạm gốc, mạng 5G tiêu thụ điện 25% (định dạng búp sóng hỗn hợp kịch II.c 256x4) so với mạng tham chiếu 4G Điều thực hóa nhờ việc mở rộng quy mô công nghệ cho phép sản xuất linh kiện công suất thấp sử dụng chuỗi RF: thu phát, chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số, chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự, trộn,… Khi xem xét kiến trúc định dạng búp sóng tương tự định dạng búp sóng kỹ thuật số, thu kết hiệu suất định dạng búp sóng kỹ thuật số tốt so với định dạng búp sóng tương tự: 91,4% khu vực xem xét bao phủ Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 61 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng 100% người dùng phục vụ (kịch II.c 256x4), định định dạng búp sóng tương tự bao phủ 81,9% diện tích tương tự Các hiệu suất đạt chức định dạng búp sóng thực giai đoạn băng tần sở nơi xử lý tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao tính tốn thuật tốn phức tạp để xác định pha biên độ yêu cầu tín hiệu truyền Điều làm cho định dạng búp sóng kỹ thuật số linh hoạt dễ dàng lập trình lại thuật tốn Tuy nhiên, có đặc điểm hạn chế, mức tiêu thụ điện chi phí thực hiện, điều làm hạn chế khả mở rộng kiến trúc Trên thực tế, định dạng búp sóng kỹ thuật số tiêu thụ điện nhiều lần so với định dạng búp sóng tương tự để đạt hiệu suất nó, hình 3.9 Sự gia tăng mức tiêu thụ điện chủ yếu nhiều chuỗi RF dụng chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự yêu cầu, định dạng búp sóng tương tự sử dụng chuỗi RF để điều khiển anten mảng Tuy nhiên, định dạng búp sóng tương tự mang lại kết tiêu thụ điện hấp dẫn có số hạn chế: dịch pha sử dụng có đặc tính không lý tưởng dẫn đến nhiễu suy hao, ngăn cản kiến trúc cung cấp hiệu suất tương tự kiến trúc kỹ thuật số Khi đó, điều hiển nhiên cân nhắc cân việc đạt hiệu suất tốt đáp ứng yêu cầu tiêu thụ điện Với mục đích này, kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp đề xuất Với kiến trúc này, tiền mã hóa MIMO định dạng búp sóng thực tương ứng băng tần sở phía chuỗi RF, phép số lượng chuỗi RF hợp lý cần thiết cách sử dụng từ đến thu phát Trong nghiên cứu này, xem xét kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp với hai thu phát Hình 3.9 cho thấy kết gần tương tự, khơng có khác biệt lớn định dạng búp sóng hỗn hợp so với định dạng búp sóng kỹ thuật số số lượng trạm gốc, vùng phủ sóng người dùng phục vụ Yêu cầu tiêu thụ điện đáp ứng sử dụng kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp Định dạng búp sóng hỗn hợp tiêu thụ điện gần gấp lần so với định dạng búp sóng kỹ thuật số (kịch II.b 256x1 II.c 256x4) Hình 3.10 cho thấy kịch II.b II.c với định dạng búp sóng thể hiệu suất lượng cao so với mạng tham chiếu 4G: 14,6 [ km2 Mbps / W ] cho 4G, 22,5 [ km2 Mbps / W ] cho 5G kịch định dạng búp sóng kỹ thuật số II.b 256x1 25,1 [ km2 Mbps / W ] cho 5G kịch định dạng búp sóng kỹ thuật số II.c 256x4 Tuy nhiên, kiến trúc định dạng búp sóng tương tự định dạng búp Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 62 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng sóng hỗn hợp tiết kiệm lượng so với định dạng búp sóng kỹ thuật số: 56,6 [ km2 Mbps/W] cho định dạng búp sóng tương tự II.c 256x4, 52,6 [ km2 Mbps / W ] cho định dạng búp sóng hỗn hợp 256x4 II.c 25,1 [ km2 Mbps / W ] cho định dạng búp sóng kỹ thuật số II.c 256x4 Đối với phạm vi bao phủ người dùng, định dạng búp sóng kỹ thuật số hoạt động tốt số lượng trạm gốc, u cầu trạm gốc 17% so với định dạng búp sóng tương tự định dạng búp sóng hỗn hợp tương ứng cho kịch II.c 256x4 Mặc dù kiến trúc định dạng búp sóng tương tự kiến trúc tiết kiệm lượng nhất, dựa số EE xem xét, khơng phải ứng cử viên tốt không bao phủ khu vực tốt định dạng búp sóng kỹ thuật số (81,9% diện tích bao phủ cho định dạng búp sóng tương tự 256x4 91% diện tích bao phủ cho định dạng búp sóng kỹ thuật số 256x4) Hiệu suất vùng phủ sóng dẫn đến tình trạng ngừng hoạt động trình di chuyển người dùng khu vực xem xét Vì vậy, cần phải cân nhắc đánh đổi hai kiến trúc Thay vào đó, kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp khuyến nghị đạt hiệu suất chấp nhận mức tiêu thụ điện thấp mà khơng cần có q nhiều chuỗi RF 3.3 Kết luận chương Trong chương thông số hiệu hệ thống đánh giá hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng trình bày Các thơng số hệ thống kỹ thuật định dạng búp sóng nêu cải thiện đáng kể hiệu cho mạng Các thông số liệt kê lại sau:        Phân tập truyền dẫn Độ lợi định dạng búp sóng Ngăn chặn nhiễu Hiệu suất lượng Bảo mật hệ thống Giảm trễ lan truyền Hiệu suất phổ tổng thể Qua thấy kỹ thuật định dạng búp sóng áp dụng cho 5G 5G triển khai phổ biến Chất lượng dịch vụ trải nghiệm người dùng tăng lên cao so với 4G Qua kết mơ thấy hiệu mạng 4G mạng 5G khơng có định dạng búp sóng có định dạng búp sóng mô Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 63 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng đánh giá Các kết thu tổng thể dựa số EE, 5G với kiến trúc định dạng búp sóng mang lại hiệu suất vượt trội so với 4G Đối với kết số liệu thu kiến trúc định dạng búp sóng kỹ thuật số, định dạng búp sóng tương tự định dạng búp sóng hỗn hợp, ta thấy kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp phù hợp triển khai thực tế Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 64 Đồ án tốt nghiệp đại học Kết luận KẾT LUẬN Trên đây, em hoàn thành nội dung đồ án tốt nghiệp, chưa thực hoàn hảo song đạt kết theo đề cương đề ra, tóm tắt lại sau: Chương giới thiệu trình bày tổng quan mạng 5G công nghệ Massive MIMO Về mạng 5G, nội dung chương đưa ứng dụng mạng 5G sống, tiêu chuẩn thiết kế kiên trúc mạng 5G Từ ta thấy lợi ích 5G lớn sống hiệu suất cải thiện lớn so với mạng 4G Về Massive MIMO, nội dung chương đưa khái niệm tổng quan, cách thức hoạt động tầm quan trọng Massive MIMO mạng 5G Đặc biệt kỹ thuật định dạng búp sóng Massive MIMO Chương trình bày kỹ thuật định dạng búp sóng 5G Các cơng nghệ, thuật tốn sử dụng kỹ thuật định dạng búp sóng trình bày như: Anten mảng, mơ hình kênh MIMO sóng milimet, thủ tục định dạng búp sóng, giao thức thuật tốn đào tạo búp sóng Kỹ thuật định dạng búp sóng chia thành loại: Định dạng búp sóng tương tự, định dạng búp sóng kỹ thuật số, định dạng búp sóng hỗn hợp Chương trình bày đánh giá hiệu kỹ thuật định dạng búp sóng Các khía cạnh thơng số hiệu suất liệt kê lại sau: phân tập truyền dẫn, độ lợi định dạng búp sóng, ngăn chặn nhiễu, hiệu suất lượng, bảo mật hệ thống, giảm trễ lan truyền, hiệu suất phổ tổng thể Thông qua kết mô đánh giá dựa nhiều số dựa theo số EE kết luận định dạng búp sóng hỗn hợp phù hợp triển khai thực tế Nội dung đồ án tập trung tìm hiểu số khía cạnh kỹ thuật định dạng búp sóng Bản thân em cần phải cố gắng mong nhận nhiều đóng góp thầy cơ, bạn để nội dung đồ án tốt nghiệp hoàn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn! Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 65 Đồ án tốt nghiệp đại học Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] - Samir Ahmed - “Beamforming Management And Beam Training In 5G System” - Master of Science Thesis Faculty of Information Technology and Communication Science - Tampere University - November 2019 [2] - Hatem H Abbas - “Beamforming Techniques For Millimeter Wave Relay Networks” - Doctoral thesis - University Manchester – 2017 [3] - Hien Quoc Ngo – “Massive MIMO: Fundamentals and System Designs” - Dissertations, No 1642 - Linköping University – 2015 [4] - Paul Harris and Mark Beach - “ From MIMO to Massive MIMO” Article in Microwave Journal - September 2017 [5] - Robin Chataut and Robert Akl – “Massive MIMO Systems for 5G and Beyond Networks” - Article in Sensors Journal – 2020 [6] - Koushik Barman – “An overview of massive mimo system in 5G” Article in ReseachGate Journal – 2016 [7] - Nguyễn Hồng Hiệp – “Kỹ thuật tạo búp sóng số cho anten mảng” – Khóa luận tốt nghiệp - Đại học quốc gia Hà Nội – 2011 [8] - TS Nguyễn Phạm Anh Dũng – “Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến” – Bài giảng môn học Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng – 2013 Bùi Ngọc Sơn – D17CQVT07-B 66 ... định dạng búp sóng tương tự định dạng búp sóng hỗn hợp Dựa kiến trúc phần cứng thực hiện, định dạng búp sóng phân loại chủ yếu thành loại: định dạng búp sóng tương tự, định dạng búp sóng kỹ thuật. .. nên thực tế kỹ thuật định dạng búp sóng kỹ thuật số khơng sử dụng Vì nên đồ án đề cấp đến hai kỹ thuật định dạng búp sóng tương tự định dạng búp sóng hỗn hợp 2.3.1 Định dạng búp sóng tương tự... Đồ án tốt nghiệp đại học Chương Kỹ thuật định dạng búp sóng mạng 5G  Định dạng búp sóng thích ứng: Định dạng búp sóng thích ứng sử dụng thơng tin khác để cập nhật trọng số định dạng búp sóng