Nghiên cứu phát triển hệ thống định vị hướng búp sóng hỗn hợp cho hệ thống thông tin di động 5g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG BÚP SÓNG HỖN HỢP CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G Người thực hiện: PHẠM THÀNH CÔNG Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông Giảng viên hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG Viện Điện tử - Viễn thông Hà Nội, 2021 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông LỜI CAM ĐOAN Tên là: Phạm Thành Công Sinh ngày: 01/01/1996 Học viên lớp cao học Kỹ thuật Viễn thông 2019A - Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Xin cam đoan nội dung đề tài “Nghiên cứu phát triển hệ thống định hướng búp sóng hỗn hợp cho hệ thống thơng tin di động 5G” tơi tự tìm hiểu, nghiên cứu thực hướng dẫn giảng viên PGS.TS Nguyễn Hữu Trung Mọi trích dẫn tài liệu tham khảo mà tơi sử dụng có ghi rõ nguồn gốc Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm lời cam đoan Hà Nội, tháng 04 năm 2021 Học viên thực Phạm Thành Công Phạm Thành Công – CA190154 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận văn thạc sĩ này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới giảng viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Hữu Trung – Người định hướng trực tiếp dẫn dắt cho em suốt trình thực đề tài nghiên cứu khoa học Đồng thời, Thầy người trau dồi thêm cho em kiến thức chun mơn bổ ích định hướng phát triển nghiệp Xin chân thành cảm ơn thầy cô Viện Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện giúp đỡ để em hoàn thiện đề tài Đồng thời, em xin cảm ơn Ban Giám hiệu nhà trường tạo điều kiện thuận lợi học tập nghiên cứu để em hoàn thành luận văn thời hạn Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn! Phạm Thành Công – CA190154 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH LỜI MỞ ĐẦU 10 TỔNG QUAN VỀ LUẬN VĂN 12 Đặt vấn đề 12 Tính cấp thiết đề tài 12 Mục tiêu đề tài 12 Nội dung đề tài vấn đề cần giải 12 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 13 1.1 Sự phát triển hệ thống thông tin di động 13 1.1.1 Hệ thống thông tin di động hệ thứ (1G) 14 1.1.2 Hệ thống thông tin di động hệ thứ hai (2G) 14 1.1.3 Hệ thống thông tin di động 2,5G 15 1.1.4 Hệ thống thông tin di động hệ thứ ba (3G) 16 1.1.5 Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G) 17 1.1.6 Hệ thống thông tin di động hệ thứ tư (4G) 19 1.2 Tổng kết chương 20 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 21 2.1 Giới thiệu hệ thống thông tin di động 5G 21 2.1.1 Các yêu cầu hệ thống thông tin di động 5G 21 2.1.2 Kiến trúc mạng di động 5G 22 a Mạng truy nhập vô tuyến đám mây C-RAN 23 b Mạng di chuyển 24 Phạm Thành Công – CA190154 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông c Truyền thông D2D 25 2.2 Mạng lõi Nano 28 2.2.1 Công nghệ Nano 29 2.2.2 Điện toán đám mây 35 2.2.3 Mạng All IP 37 2.3 Các lớp mạng 38 2.3.1 Lớp Kiến trúc không dây mở (OWA – Open Wireless Architecture) 39 2.3.2 Lớp mạng (Network Layer) 39 2.3.3 Lớp Giao thức vận chuyển mở (OTP – Open Transport Protocol) 40 2.3.4 Lớp ứng dụng (Application layer) 41 2.4 Kỹ thuật truyền dẫn 41 2.4.1 Dạng sóng 41 2.4.2 Điều chế 44 2.4.3 Ghép kênh 45 2.4.4 Đa truy nhập 47 2.4.5 Anten 52 2.5 Cơ Massive - MIMO 56 2.5.1 Định nghĩa Massive - MIMO 56 2.5.2 Hệ thống Massive - MIMO 58 2.5.3 Những thách thức kĩ thuật Massive MIMO 59 2.6 Tổng kết chương 60 CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG BÚP SÓNG HỖN HỢP 61 3.1 Giới thiệu chương 61 3.2 Mơ hình tín hiệu 61 3.3 Mơ hình kênh 63 3.4 Tối ưu định hướng búp sóng cho hệ thống định hướng đa búp sóng đề xuất………………………………………………………………………………… 65 3.5 Các kết mô 68 Phạm Thành Công – CA190154 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông 3.6 Tổng kết chương 70 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Phạm Thành Công – CA190154 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt Trạm sở BS Base Station CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh D2D Thiết bị tới thiết bị FDD Device to Device Enhanced Data Rates for GSM Evolution Frequency Division Duplex Ghép kênh phân chia theo tần số G Generation Thế hệ GPRS Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp Hệ thống thơng tin di động tồn cầu MIMO General Packet Radio Service Global System for Mobile communication Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty Information Society Multi Input – Multi Output MMSE Minimum Mean-Square Error ML Maximum Likelihood MRC Maximum-Ratio Combining Orthogonal Frequency Division Multiple Access Universal Mobile Telecommunications System EDGE GSM METIS OFDMA UMTS TDMA TDD WCDMA ZF Đa đầu vào, đa đầu Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu Đa truy nhập phân chia theo Time Division Multiple Access thời gian Ghép kênh phân chia theo thời Time Division Duplex gian Wideband Code Division Đa truy nhập phân chia theo mã Multiple Access băng rộng Zero – Forcing Phạm Thành Công – CA190154 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động 13 Hình 2.1 Khối khả hệ thống 5G tương lai 21 Hình 2.2 Sự thay đổi từ RAN sang C-RAN 24 Hình 2.3 Mạng di chuyển MN 25 Hình 2.4 Mạng dày đặc UDN 26 Hình 2.5 Các trường hợp can thiệp lẫn truyền thơng D2D 28 Hình 2.6 Mạng lõi Nano hệ thống 5G 29 Hình 2.7 Điện thoại Nano “trong suốt” 30 Hình 2.8 Cảm biến Nano 31 Hình 2.9 Quantum bit 33 Hình 2.10 Nanodot 34 Hình 2.11 Mật mã lượng tử 34 Hình 2.12 Điện toán đám mây 36 Hình 2.13 Các lớp mạng hệ thống 5G 39 Hình 2.14 Lớp mạng (Network Layer) 40 Hình 2.15 Lịch sử trình kết nối (Nguồn: Cisco) 42 Hình 2.16 So sánh cơng nghệ milimeter-wave cơng nghệ 43 Hình 2.17 So sánh phương thức điều chế 47 Hình 2.18 Đa truy nhập phân chia theo búp sóng BDMA 48 Hình 2.19 Nguyên lý hoạt động BDMA 49 Hình 2.20 Cấu trúc khung TDD-BDMA 50 Hình 2.21 Cấu trúc khung FDD-BDMA 50 Hình 2.22 Đa truy nhập không trực giao NOMA 51 Hình 2.23 So sánh OFDMA NOMA 52 Hình 2.24 Mơ hình kênh MIMO với Anten phát Anten thu 53 Hình 2.25 Anten Massive MIMO 54 Phạm Thành Công – CA190154 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng Hình 2.26 Mơ hình Cell sử dụng Anten Massive MIMO 55 Hình 2.27 Miền khả thi (M,K) hệ thống TDD FDD, với khoảng kết hợp 200 symbol 57 Hình 2.28 Giao thức truyền thông MIMO quy mô lớn sử dụng TDD 58 Hình 3.1 Kịch định hướng đa búp sóng dựa nhiều anten mảng 63 Hình 3.2 Đề xuất sơ đồ khối chức hệ thống định hướng đa búp sóng 65 Hình 3.3 NRMSE theo SNR (a,b), số lượng anten (c,d) hệ thống massive MIMO đề xuất 69 Hình 3.4 Sơ đồ hệ số mảng với Mảng hình trụ 200 phần tử; búp sóng kép (a,b) búp sóng đơn (c) hệ thống massive MIMO đề xuất 70 Phạm Thành Công – CA190154 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa học kỹ thuật góp phần then chốt vào phát triển xã hội Các kỹ thuật công nghệ không ngừng nghiên cứu phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu người Đối với lĩnh vực thông tin di động phát triển diễn nhanh chóng mạnh mẽ mang lại cho người lợi ích vơ to lớn Sau 30 năm hình thành phát triển, khởi đầu hệ thống thông tin di động 1G, 2G chủ yếu cung cấp dịch vụ thoại, tin nhắn đến hệ 3G, 4G dịch vụ đa phương tiện tích hợp Nhu cầu dịch vụ đa phương tiện với lưu lượng liệu lớn, yêu cầu tốc độ cao tạo thách thức lớn đỏi hỏi hệ thống thông tin di động cần không ngừng cải tiến phát triển Để đáp ứng nhu cầu đó, hệ thơng tin di động thứ năm – 5G nghiên cứu, phát triển Cùng với giải pháp kỹ thuật, đặc biệt là kỹ thuật tập trung giải vấn đề dung lượng đường truyền không ngừng cải tiến Một kỹ thuật cốt lõi sử dụng hệ thống thơng tin di động 5G kỹ thuật nhiều đầu vào, nhiều đầu quy mô lớn – Massive MIMO Trong kỹ thuật Massive – MIMO, dù có nhiều ưu điểm tốc độ cao, độ trễ thấp,… có khó khăn định khiến cho hệ thống thông tin di động 5G chưa đạt tối ưu Vậy nên, để cải thiện điều cần nghiên cứu cần kĩ thuật để khắc phục Do đó, em định chọn đề tài “Nghiên cứu phát triển hệ thống định hướng búp sóng hỗn hợp cho hệ thống thơng tin di động 5G” cho luận văn tốt nghiệp để tìm hiểu đưa so sánh, đề xuất cơng nghệ giúp ích cho phát triển hệ thống thông tin di động 5G tương lai Nội dung luận văn gồm phần: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động Chương 2: Cơ kỹ thuật MIMO quy mô lớn Chương 3: Đánh giá hiệu hệ thống đường lên MIMO quy mô lớn Phạm Thành Công – CA190154 Page 10 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng • Massive MIMO mở rộng: Trong Massive MIMO, trạm BS học kênh thông qua training đường lên, chế độ hoạt động TDD Thời gian yêu cầu để ước lượng kênh độc lập với số anten BS Do đó, số lượng anten BS tăng lên theo ý muốn mà khơng làm tăng chi phí ước lượng kênh Thêm vào đó, q trình xử lí tín hiệu user đơn giản, không phụ thuộc vào tồn user khác, q trình ghép kênh tách kênh thực user Việc thêm loại bỏ user từ dịch vụ khơng ảnh hưởng đến hoạt động user khác • Tất vấn đề phức tạp nằm BS 2.5.2 Hệ thống Massive - MIMO Trong hệ thống MIMO quy mô lớn, kỹ thuật ghép kênh TDD phù hợp FDD Trong khoảng thời gian kết hợp (coherence interval) có ba q trình diễn là: ước lượng kênh (bao gồm trình training đường lên đường xuống), trình truyền liệu đường lên trình truyền liệu đường xuống Một giao thức MIMO quy mô lớn sử dụng TDD minh họa hình 2.28 Hình 2.28 Giao thức truyền thông MIMO quy mô lớn sử dụng TDD a Ước lượng kênh Trạm BS cần CSI để tách tín hiệu phát từ user đường lên, để mã trước tín hiệu đường xuống Thơng tin trạng thái kênh (CSI) có thơng qua q trình training đường lên Mỗi user gán chuỗi pilot trực giao, gửi chuỗi pilot tới trạm BS Trạm BS biết chuỗi pilot truyền từ tất user, sau ước lượng kênh dựa tín hiệu pilot thu Thêm vào đó, user cần thơng tin riêng CSI để tách cách mạch lạc tín hiệu phát từ trạm BS Thơng tin có thơng qua q trình training đường xuống vài thuật toán ước lượng kênh mù Từ việc trạm BS sử dụng kĩ thuật mã trước tuyến tính để tạo búp Phạm Thành Cơng – CA190154 Page 58 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng sóng cho tín hiệu tới người dùng, user cần độ lợi kênh hiệu (là số vô hướng) để tách tín hiệu mong muốn Do đó, trạm BS sử dụng khe thời gian ngắn để tạo búp sóng pilot đường xuống để thu thông tin trạng thái kênh CSI user b Truyền liệu đường lên Một phần khoảng thời gian kết hợp sử dụng cho việc truyền liệu đường lên Tại đường lên, tất user truyền liệu tới trạm BS nguồn tần số - thời gian Sau trạm BS sử dụng ước lượng kênh với kĩ thuật kết hợp tuyến tính để tách tín hiệu truyền từ tất user c Truyền liệu đường xuống Tại đường xuống, trạm BS phát tín hiệu tới tất user nguồn tần số - thời gian Đặc biệt hơn, trạm BS sử dụng ước lượng kênh việc kết hợp với ký hiệu dành cho K user để tạo M tín hiệu mã trước, tín hiệu sau truyền tới M anten 2.5.3 Những thách thức kĩ thuật Massive MIMO Mặc dù kĩ thuật Massive MIMO có nhiều ưu điểm vượt trội, có vấn đề cần khắc phục Trong phải kể đến thách thức đây: a Sự ô nhiễm Pilot Trong mục trước, xem xét thiết lập đơn cell Tuy nhiên, mạng cell thực tế bao gồm nhiều cell khác Do giới hạn phổ tần, nhiều cell phải chia sẻ nguồn tần số - thời gian Do đó, thiết lập đa cell cần xem xét Trong hệ thống đa cell, gán chuỗi pilot trực giao cho tất user tất cell, giới hạn khoảng thời gian kết hợp kênh Các chuỗi pilot trực giao phải tái sử dụng qua cell Do đó, ước lượng kênh có cell xét bị ô nhiễm pilot phát từ user cell khác Ảnh hưởng này, gọi “sự ô nhiễm pilot”, làm giảm hiệu hệ thống Nó khơng số lượng anten trạm BS tăng lên không giới hạn Các nhà nghiên cứu, phát triển nỗ lực tìm cách giảm thiểu tác động nhiễm pilot b Sự truyền sóng bất lợi Massive MIMO hoạt động mơi trường truyền sóng thuận lợi Tuy nhiên thực tế, có mơi trường truyền sóng kênh Phạm Thành Cơng – CA190154 Page 59 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng khơng thuận lợi Ví dụ, mơi trường truyền sóng mà số lượng vật tán xạ nhỏ so với số lượng người dùng kênh từ người dùng khác tới trạm BS chia sẻ chung số vật tán xạ, kênh trở nên không thuận lợi Một giải pháp để khắc phục vấn đề phân bổ anten trạm BS phạm vi rộng c Yêu cầu tiêu chuẩn thiết kế Sẽ hiệu Massive MIMO triển khai hệ thống LTE Tuy nhiên, chuẩn LTE cho phép tối đa cổng anten trạm BS Hơn nữa, LTE sử dụng thông tin kênh “giả định” Ví dụ tùy chọn đường xuống LTE mà trạm BS phát tín hiệu tham chiếu thơng qua vài tia tín hiệu cố định Sau user báo cáo trở lại trạm BS tia tín hiệu mạnh Trạm BS sử dụng tia tín hiệu cho việc truyền dẫn đường xuống Ngược lại, kĩ thuật Massive MIMO sử dụng thơng tin kênh ước lượng Do đó, để áp dụng MIMO quy mô lớn vào thực tế cần có chuẩn Ở khía cạnh khác, với Massive MIMO, thu phát 40W thay lượng lớn anten công suất thấp giá rẻ Các thiết kế phần cứng liên quan cần phải xem xét Điều yêu cầu nỗ lực lớn từ hai phía nghiên cứu sản xuất 2.6 Tổng kết chương Trong lĩnh vực truyền thông thông tin, yêu cầu lưu lượng không dây độ tin cậy truyền thông mật độ người dùng không ngừng tăng lên Truyền thông không dây tương lai địi hỏi cơng nghệ mà nhiều người dùng phục vụ đồng thời với lưu lượng cao Kĩ thuật Massive MIMO đáp ứng yêu cầu MIMO quy mô lớn dạng hệ thống MU-MIMO số anten BS số người dùng lớn Trong MIMO quy mô lớn, hàng trăm hàng nghìn anten BS phục vụ đồng thời hàng chục hàng trăm người dùng nguồn tần số Phạm Thành Công – CA190154 Page 60 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐỊNH HƯỚNG BÚP SÓNG HỖN HỢP 3.1 Giới thiệu chương Như trình bày chương 2, kĩ thuật Massive MIMO đáp ứng nhu cầu phục vụ cho nhiều người dùng đồng thời với lưu lượng cao Do đó, việc sử dụng hệ thống định hướng đa búp sóng hỗn hợp cho hệ thống thông tin di động 5G cấp bách cần thiết 3.2 Mơ hình tín hiệu Định hướng đa búp sóng kỹ thuật sử dụng mảng anten để tạo số mẫu xạ điều chỉnh đồng thời, trỏ vùng tới phủ sóng mong muốn, giảm thiểu tác động tạp âm nhiễu khơng mong muốn, từ cải thiện chất lượng tín hiệu Về bản, định hướng búp sóng sử dụng lọc khơng gian tối ưu Các mảng anten sử dụng kỹ thuật định hướng búp sóng loại bỏ nhiễu có hướng khác tới tín hiệu mong muốn Mảng đa phân cực loại bỏ tín hiệu khơng mong muốn, tín hiệu có hướng đến Để tăng băng thông, tần số mmWave hệ thống 5G yêu cầu phương pháp định hướng búp sóng phù hợp Trạm gốc (BTS) hệ thống không dây 4G, LTE, DVB-T chứa thu phát RF kết nối với anten Các trạm gốc có khu vực triển khai Một mảng thu phát RF phần tử anten cho phép điều khiển dải tần số biên độ điện tử để định hình điều khiển chùm tia xạ Đối với cấu hình theo khu vực, BTS thường sử dụng anten phân cực kép tiêu chuẩn cho MIMO Anten bao gồm mảng cột phân cực kép Ví dụ, anten MIMO 4x4 cho khu vực có cột đầu nối RF để tạo thành chùm tia riêng biệt Bộ tạo búp sóng sử dụng loạt phần tử anten phân pha riêng lẻ theo cách để tạo thành chùm tia (hoặc không) theo hướng mong muốn Các anten định hướng búp sóng có tính tương quan cao, phần tử cột có khoảng cách gần Trạm sở có khả tạo số lượng chùm tia Xét hệ thống định hướng đa búp sóng với mảng anten cách hình trụ Khoảng cách phần tử d Hệ thống có M phần tử vịng số vịng cho định hướng đa búp sóng N Số phần tử Ký hiệu s(t) tín hiệu truyền chùm tia tùy ý, góc trỏ liên kết với s(t) θ, vector mảng truyền từ phần tử Nt thời điểm t biểu thị là: (3.1) Phạm Thành Công – CA190154 Page 61 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông Với steering vector lái: (3.2) Với ω tần số sóng mang c tốc độ ánh sáng Steering vector phụ thuộc vào hướng độ lệch tần số Để đơn giản, chúng tơi biểu thị a Mơ hình định hướng búp sóng đơn giản biểu thị : Mơ hình định hướng đa búp sóng thể sau: , theo chùm P Có hai hệ thống định hướng búp sóng chung, bao gồm định hướng búp sóng băng hẹp định hướng búp sóng băng rộng Trong mơ hình định hướng búp sóng băng hẹp, tín hiệu đầu máy tạo sóng thời điểm t y(t) thu cách kết hợp tuyến tính tín hiệu phần tử Nt như: (3.3) Đối với mơ hình băng thơng rộng, tín hiệu đầu biểu thị bằng: (3.4) Với K-1 số giai đoạn trễ kênh phần tử thứ i mảng: (3.5) Trong x vector tín hiệu Vector w có độ dài Nt đại diện cho trọng số như: (3.6) Đáp ứng tạo chùm tia đơn giản thể sau: (3.7) Mơ hình tạo chùm tia định nghĩa độ lớn bình phương Lưu ý trọng số vector w tác động đến tạo chùm tia thời gian không gian Công suất đầu phương sai tín hiệu ước tính xác định : (3.8) Phạm Thành Công – CA190154 Page 62 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông Với E{.} biểu thị bình qn Nếu tín hiệu đứng n, ma trận hiệp phương sai độc lập thống kê theo thời gian Mặc dù thống kê tín hiệu khơng thường xun cố định, theo thiết kế đánh giá hiệu suất định hướng búp sóng tối ưu dựa giả thuyết tín hiệu có ý nghĩa đứng yên Ma trận hiệp phương sai tín hiệu băng hẹp s(t) tần số w0 là: (3.9) 3.3 Mơ hình kênh Hình 3.1 Kịch định hướng đa búp sóng dựa nhiều anten mảng Đối với chùm tia, mơ hình kênh massive MIMO sau: Trong định dạng ma trận: (3.10) Với tập hợp tín hiệu nhận từ NR anten trạm di động Bởi hệ thống ghép kênh khơng gian MIMO tận dụng lợi phân tập truyền không gian theo thời gian gây fading đa đường kết hợp với tín hiệu trực giao Việc phát tín hiệu máy thu phát Do đó, quy trình phát chuỗi, việc thiết lập tín hiệu kênh sau: Giả sử liệu chia thành khối bao gồm ký hiệu K Trong khối, để tránh nhiễu khối, ta chèn vector P chứa N phần tử N số lượng mẫu liệu hữu ích với K=N+P Kênh kênh fading Finite Impulse (FIR) có L đa đường liên kết từ anten truyền đến Phạm Thành Công – CA190154 Page 63 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông anten thu Chọn P để thỏa man P >L-1 Tín hiệu nhận anten thứ j miền thời gian riêng biệt có dạng: (3.11) Với mẫu tín hiệu nhận anten thứ jth thời điểm rời rạc k, vector đầu thời điểm k với vector k=0,1,…,K-1 phần tử ; vector nhận th phần tử thứ l kênh phản hồi với l = 0, 1,… L – 1; vector tín hiệu truyền thời điểm k ; Nhiễu ảnh hưởng đến mẫu tín hiệu nhận là: (3.12) Vector tín hiệu truyền ; Vector nhiễu AWGN Ma trận kênh truyền H tham số hóa sau: (3.13) Với đường dẫn yếu tố chuẩn hóa, mức tăng phức tạp góc phương vị độ cao điểm đến đường dẫn thứ l-th cụm p-th phần tử anten cho máy phát máy thu tương ứng độ lợi và tương ứng steering vector mảng anten máy phát máy thu Chúng giả định phần tử anten phần tử đẳng hướng khơng có can nhiễu phần tử liên phần tử Các hàm khuếch đại có đơn bị nhau, ví dụ: Tuy nhiên, phần tử đẳng hướng thay loại anten khác anten patch, có tính đến hàm khuếch đại tương ứng Phạm Thành Công – CA190154 Page 64 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông IFFT P/S CP DAC FFT S/P CP ADC Sub array Ant #1 LNA Sub array Ant #2 BEAM #1 Beam #1 IFFT P/S CP DAC FFT S/P CP ADC Beam #2 LNA BEAM #2 IFFT P/S CP DAC FFT S/P CP ADC Sub array Ant #Nt Beam #P LNA BEAM #P Hình 3.2 Đề xuất sơ đồ khối chức hệ thống định hướng đa búp sóng 3.4 Tối ưu định hướng búp sóng cho hệ thống định hướng đa búp sóng đề xuất Sơ đồ khối chức hệ thống định hướng đa búp sóng đề xuất trình bày hình 3.2 Các hàm tạo búp sóng chia tín hiệu RF thành chùm P để cung cấp cho phần tử hoạt động dàn anten định pha Nó thực trọng số pha biên độ phân giải cao, cần thiết để tổng hợp mơ hình định hướng búp sóng nhiễu tiềm khơng thích ứng Các khối xử lý tín hiệu điều chế OFDM bao gồm ITTF, P/S (song song sang nối tiếp), CP (chèn tiền tố tuần hoàn) DAC để tạo thành tín hiệu đầu Bộ trộn chuyển đổi tín hiệu băng sở lên tần số sóng mang Khối cuối mặt trước, chứa công suất lớn truyền hiệu cao PA, switch truyền/nhận khuếch đại tạp âm thấp (LNA) Định hướng búp sóng kỹ thuật quan trọng xử lý mảng để tối ưu hóa tín hiệu mong muốn giảm thiểu nhiễu Các kỹ thuật tạo chùm tia tối ưu thống kê bao gồm tối đa hóa SNR, lỗi bình phương tối thiểu MMSE, phương sai tối thiểu tuyến tính LCMV, đáp ứng biến dạng phương sai tối thiểu MVDR áp dụng rộng rãi Thiết kế tạo búp sóng theo phương pháp tối ưu thống kê địi hỏi thuộc tính thống kê nguồn đặc tính thống kê kênh Các tiêu chí tối ưu mơ tả sau: Tối đa hóa SNR Trọng số vector giải pháp tối đa hóa vấn đề SNR (3.14) Phạm Thành Công – CA190154 Page 65 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông Giải pháp chung yêu cầu ma trận hiệp phương tín hiệu nhiễu Tùy thuộc vào ứng dụng, tính tốn khác Ví dụ, Rn ước tính khơng có tín hiệu, Rs ước tính từ tín hiệu DOA biết Từ đó, nhân vector trọng số với tỷ lệ không thay đổi SNR Bởi steering vector a(θ,ω) cố định cho tín hiệu cố định, chọn trọng số vector để thỏa mãn với c số Vấn đề tối đa hóa SNR trở thành giảm thiểu nhiễu: , s.t (3.15) Sử dụng phương pháp nhân số Lagrange, giải phương trình: (3.16) Lỗi bình phương trung bình tối thiểu MMSE Phương pháp MMSE tối thiểu hóa tín hiệu lỗi tín hiệu truyền tín hiệu tham chiếu d(t) Trong mơ hình này, s(t) = ad(t) a biên độ tín hiệu tham chiếu d(t) d(t) biết máy thu Tín hiệu đầu tạo búp sóng để theo dõi tín hiệu tham chiếu Phương pháp MMSE tìm kiếm trọng số để giảm thiểu cơng suất tín hiệu lỗi trung bình: (3.17) Cơng suất tín hiệu lỗi trung bình là: = (3.18) Với Đạo hàm đặt thành 0: (3.19) Chúng ta có nghiệm: (3.20) Nghiệm gọi lọc Wiener tối ưu Phương pháp địi hỏi tín hiệu tham chiếu để cài đặt tạo sóng Phạm Thành Cơng – CA190154 Page 66 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông Phương sai tối thiểu ràng buộc tuyến tính LCMV Phương pháp LCMV để tối thiểu hóa cơng suất suất đầu phương thức tạo búp sóng Phương pháp giữ cho đáp ứng theo hướng đến tín hiệu đến cố định để bảo tồn tín hiệu mong muốn đồng thời giảm thiểu tác động thành phần không mong muốn bao gồm tạp âm nhiễu đến từ hướng khác hướng mong muốn Chúng ta có đáp ứng đầu nguồn tín hiệu theo hướng đến tần số xác định Ràng buộc tuyến tính cho trọng số thỏa mãn, c số để đảm bảo tất tín hiệu có tần số đến từ hướng đến truyền với đáp ứng c Giảm thiểu tín hiệu đầu nhiễu trang bị để giảm thiểu công suất đầu (công suất đầu tối thiểu): , s.t (3.21) Sử dụng phương pháp nhân Lagrange, tìm Trong đó: Giải phương trình: (3.22) Trong thực tế, thành phần nhiễu khơng tương thích đảm bảo khơng thể đảo ngược Nếu c=1, Beamformer gọi đáp ứng biến dạng phương sai tối thiểu, MVDR, Beamformer Giải pháp tạo tia sóng MVDR trang bị tối đa hóa giải pháp SNR cách thay áp dụng bổ đề ma trận nghịch đảo, ta có: , có: (3.23) Phạm Thành Cơng – CA190154 Page 67 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông 3.5 Các kết mô Phần trình bày kết mơ để so sánh hệ thống định hướng đa búp sóng đề xuất Hiệu suất hệ thống thực phương pháp mô Monte-Carlo bao gồm bước nối tiếp: Thiết lập cấu hình hệ thống, tạo liệu người dùng; Tiền mã hóa MIMO; tạo ký hiệu OFDM; chèn CP; tạo dạng tia; nhận tín hiệu; cân MIMO; cân MUD; giải điều chế OFDM, so sánh với liệu nguồn, tính BER Ước lượng cuối tính trung bình tất giá trị Q đo sau mô Tỷ lệ lỗi bit BER sử dụng để xác định hiệu suất hệ thống Trong mơ phỏng, cấu hình mảng mảng hình trụ với số lượng anten Massive MIMO 400 để biểu thị hiệu suất theo SNR, khoảng cách hai phần tử anten liên tiếp λ⁄2 Tín hiệu mơ có tần số fc = 2,5GHz, N = 10000 • Các tham số mơ phỏng: Đơn vị Simulation schemes GHz 10-22 at SNR [-50dB÷50dB] symbol 1024 AWGN n(t) V SNR dB [-50dB÷50dB] INR dB SIR dB Các tham số Carrier frequency fc OFDM symbol Số lượng nhiễu Mảng hình học Cylindical array Số lượng mẫu N Sample Số lượng anten M Độ phân giải mẫu trọng số beamforming Monte-Carlo Q 10000 100÷300 bit 32 (complex double) 200 d Bán kính mảng Các kết mơ trình bày hình theo phạm vi SNR cung cấp NRMSE hệ thống đề xuất cho thuật toán MVDR, LCMV FrostBeamformer cho thấy hiệu suất tốt số thuật tốn định hướng búp sóng Phạm Thành Công – CA190154 Page 68 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông 10 0.65 MVDR MVDR LCMV LCMV 0.6 FrostBeamformer FrostBeamformer Normalized root mean square error (NRMSE) Normalized root mean square error (NRMSE) -50 0.55 0.5 0.45 0.4 0.35 -40 -30 -20 -10 10 20 30 40 -20 50 -19 -18 -17 -16 SNR [dB] -15 -14 -13 (a) -11 -10 (b) 0.42 0.42 MVDR MVDR LCMV 0.41 LCMV 0.41 FrostBeamformer 0.4 0.39 0.38 0.37 0.36 FrostBeamformer 0.4 Normalized root mean square error (NRMSE) Normalized root mean square error (NRMSE) -12 SNR [dB] 0.39 0.38 0.37 0.36 0.35 0.35 100 110 120 140 130 150 170 160 180 190 200 200 210 220 240 230 250 270 260 280 290 300 Number of Antennas Number of Antennas (c) (d) Hình 3.3 NRMSE theo SNR (a,b), số lượng anten (c,d) hệ thống massive MIMO đề xuất -2 -4 -5 -8 Normalized Array Gain [dB] Normalized Array Gain [dB] -6 -10 -15 -20 -10 -12 -14 -16 -18 -20 -25 -22 -90 -70 -50 -30 -10 10 30 Angle [degree] (a) Phạm Thành Công – CA190154 50 70 90 -90 -70 -50 -30 -10 10 30 50 70 90 Angle [degree] (b) Page 69 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông 90 120 0.9 60 0.8 0.8 0.6 0.7 30 150 0.2 180 210 330 Normalized Array Gain [dB] 0.4 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 240 300 270 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Angle [degree] (c) (d) Hình 3.4 Sơ đồ hệ số mảng với Mảng hình trụ 200 phần tử; búp sóng kép (a,b) búp sóng đơn (c) hệ thống massive MIMO đề xuất Hình 3.4 biểu thị hệ số mảng trường hợp búp sóng đơn đa búp sóng, số lượng phần tử 200, SNR=0dB, giao thoa với INR=0dB, tần số sóng mang 20GHz Hình 3.4 (a), (b) trình bày thuật tốn MVDR với búp sóng kép búp sóng đơn, Hình 3.4 biểu đồ phân cực (c) (d) trình bày chùm búp sóng kép với Frostbeamformer 3.6 Tổng kết chương Thông qua hệ thống định hướng búp sóng hỗn hợp, thấy hệ thống đề xuất cho thuật toán MVDR, LCMV FrostBeamformer cho hiệu suất tốt số thuật tốn định hướng búp sóng Điều giúp cải thiện vùng phủ, khả đáp ứng tốt nhu cầu người dùng tương lai tính tối ưu hóa lắp đặt hệ thống anten cho hệ thống thông tin di động 5G Phạm Thành Công – CA190154 Page 70 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng KẾT LUẬN Luận văn trình bày cách khái quát kỹ thuật MIMO quy mô lớn, ưu, nhược điểm chúng việc áp dụng hệ thống định hướng búp sóng hỗn hợp để thấy tính ưu việt hệ thống Hiện nay, hệ thống thông tin di động 5G triển khai thử nghiệm số quốc gia tiếp tục nghiên cứu sâu nhằm triển khai rộng giới Tại Việt Nam triển khai thử nghiệm hệ thống mạng di động 5G, bên cạnh cịn có nhiều bất cập Hy vọng tương lai sớm trải nghiệm ưu việt mà kỹ thuật định hướng búp sóng hỗn hợp Massive MIMO với mạng thơng tin di động 5G mang lại Hướng phát triển đề tài: Đây đề tài sâu rộng ứng dụng, nghiên cứu rộng rãi Trong tương lai có điều kiện em sâu vào tìm hiểu nghiên cứu sâu vấn đề cốt lõi hệ thống MIMO quy mô lớn độ lợi kênh, vấn đề tối ưu công suất, mảng anten quy mô lớn… nghiên cứu tìm giải pháp khắc phục thách thức hệ thống Massive MIMO Phạm Thành Công – CA190154 Page 71 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông TÀI LIỆU THAM KHẢO 1] Thomas L Marzetta, Erik G Larsson, Hong Yang, Hien Quoc Ngo (2016), Fundamentals of Massive MIMO, Cambridge University Press, Cambridge [2] H Q Ngo (2015), Massive MIMO: Fundamental and System Design, Dissertation, Linköping University, Sweden [3] Muaayed AL-Rawi (2017), Massive MIMO System: An Overview, International Journal of Open Information Technologies, ISSN: 2307-8162 vol (no 2) [4] Jonathan Rodriguez (2015), Fundamentals oF 5G mobile networks, Wiley [5] Ma Zheng, Zhang ZhengQuan, Ding ZhiGuo, Fan PingZhi, Li HengChao (2015), Key techniques for 5G wireless communications: network architecture, physical layer, and MAC layer perspectives, Science China Information Sciences, Vol 58 [6] J G Andrews et al (2014), What will 5G be?, IEEE J Sel Areas Commun., vol 32 (no 6), pp 1065–1082 Phạm Thành Công – CA190154 Page 72 ... 1.1.3 Hệ thống thông tin di động 2 ,5G Hệ thống thông tin di động 2 ,5G hệ thống thông tin di động nâng cấp từ hệ thống thông tin di động 2G Sự nâng cấp coi chuẩn bị để tiến tới hệ thống thông tin di. .. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 13 1.1 Sự phát triển hệ thống thông tin di động 13 1.1.1 Hệ thống thông tin di động hệ thứ (1G) 14 1.1.2 Hệ thống thông tin di động hệ thứ hai... sóng hỗn hợp dựa công nghệ Massive MIMO tảng để phát triển công nghệ 5G Tính cấp thiết đề tài Nghiên cứu phát triển hệ thống định hướng búp sóng hỗn hợp cho hệ thống thông tin di động 5G cần thiết,