Kỹ thuật tạo búp sóng và ứng dụng trong mạng di động 5g TT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Nguyễn Hoàng Hạnh KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG VÀ ỨNG DỤNG TRONG MẠNG DI ĐỘNG 5G Chuyên nghành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội - 2022 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Tiến Ban Phản biện 1: PGS TS Đỗ Quốc Trinh Phản biện 2: PGS TS Đặng Thế Ngọc Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng năm… Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Với tiến lĩnh vực thông tin di động, hệ thống thông tin di động hệ thứ năm (5G) trở thành xa lộ siêu cấp, nơi hệ thống thông tin di động hệ thứ ba (3G) hệ thứ tư (4G) trông Việc triển khai vô tuyến (NR) 5G mở hội vơ tận cho khía cạnh sống Bắt đầu từ thành phố thông minh ngành công nghiệp thông minh thực tế tăng cường xe tự lái, 5G ảnh hưởng đến tương lai mức độ lớn Tuy nhiên, 5G NR chưa triển khai đầy đủ nghiên cứu để cải thiện thêm Các tính tầm quan trọng hệ thống 5G NR đặt tiêu chuẩn viễn thông di động quốc tế-2020 (IMT2020), khuyến nghị hiệp hội viễn thông quốc tế - lĩnh vực thông tin vô tuyến (ITU-R) vào năm 2015 Xem xét trường hợp sử dụng khác nhau, điều bật 5G giải nhiều vấn đề kết nối cung cấp khả nâng cao hệ thống tốt Trong vài năm qua, nhà nghiên cứu triển khai thiết bị hệ thống 5G cố gắng tỉ mỉ để cải thiện điểm chuẩn hiệu suất tổng thể so với hệ thống phát triển lâu dài (LTE) có Với yêu cầu quy định dự án đối tác hệ thứ (3GPP) phát hành-15, 5G dự kiến hoạt động chủ yếu với LTE cấu trúc không độc lập (NSA) vào năm 2020 Sóng Milimet (mmWave) sử dụng 5G NR dễ bị suy hao đường truyền môi trường đa lan truyền chất Cùng với đường dẫn, mức tiêu thụ điện thấp thiết bị, tốc độ liệu cao hơn, vùng phủ sóng tốt hơn, tăng hiệu quang phổ giảm nhiễu số khía cạnh thiết kế xem xét 5G Nhiều kỹ thuật thuật toán khác phát minh nghiên cứu để đạt yêu cầu hệ thống Một số tạo búp sóng Mặc dù định dạng búp sóng khơng phải khái niệm mới, việc ứng dụng với MIMO khổng lồ 5G khiến trở thành phần thiếu hệ thống 5G NR Luận văn nhằm mục đích thiết lập mối liên kết định dạng chùm 5G cách rộng rãi Ý tưởng tạo búp sóng tập trung thông tin lượng theo hướng mong muốn loại bỏ nhiễu từ hướng không mong muốn Tổng quan vấn đề nghiên cứu Trong nghiên cứu công nghệ sử dụng cho hệ thống thông tin di động tương lai, hệ thống đa ăng ten cỡ lớn kết hợp với kỹ thuật tạo búp sóng coi công nghệ đầy hứa hẹn cho hệ hệ thống thông tin di động 5G đem lại hiệu sử dụng phổ vượt trội so với công nghệ đa ăng ten cũ Hơn nữa, sử dụng mảng ăng ten cỡ lớn, cách kết hợp tín hiệu ăng ten với nhau, ta tạo búp sóng hẹp tập trung lượng sóng điện từ hướng phía người dùng, điều giúp nâng cao chất lượng thu tín hiệu lên nhiều lần, giúp cải thiện vùng phủ hệ thống, đặc biệt dải tần số cao, vốn nhiều băng thơng trống sử dụng suy hao theo khoảng cách lớn 3 Không giống hệ mạng di động cũ, thiết bị đầu cuối (User Equipment – UE) 5G kết nối đến cell, mà kết nối đến búp sóng cụ thể cell Vấn đề đặt cần tạo, hướng búp sóng thu-phát phía UE trì búp sóng trình UE di chuyển sử dụng dịch vụ Trong luận văn này, trước tiên tơi trình bày chi tiết lý thuyết tạo búp sóng sử dụng mảng ăng ten theo phương pháp đơn giản sử dụng lệch pha tín hiệu ăng ten khác Đây phương pháp sử dụng định nghĩa trọng số tiền mã hóa theo chuẩn 5G 3GPP Độ rộng búp sóng, độ lợi búp sóng tính tốn chi tiết theo tham số cấu hình mảng ăng ten tần số sóng mang Tiếp theo thủ tục quản lý búp sóng cho việc khởi tạo, trì búp sóng thu-phát bên phát bên thu mạng 5G chuẩn hóa 3GPP Là thủ tục bắt buộc phải thực muốn triển khai kỹ thuật tạo búp sóng thực tế Cuối mô chi tiết hiệu kỹ thuật tạo búp sóng trình bày lên chất lượng hệ thống 5G Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu kỹ thuật tạo búp sóng cho ăng ten mảng cỡ lớn (MASSIVE MIMO) mạng 5G theo chuẩn New Radio 3GPP Khảo sát đánh giá ảnh hưởng kỹ thuật lên chất lượng tín hiệu thu, hiệu sử dụng phổ vùng phủ mạng 5G thông qua mô 4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tập trung vào kỹ thuật tạo búp sóng cổ điển cho mảng ăng ten cách thay đổi pha tín hiệu ăng ten với Nghiên cứu mạng truy nhập vô tuyến hệ 5G theo chuẩn New Radio 3GPP đánh giá hiệu kỹ thuật tạo búp sóng mạng 5G qua mô Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu phương pháp thực nghiệm, nghiên cứu tài liệu chuẩn cho mạng truy nhập vô tuyến New Radio 3GPP, tài liệu cách tạo búp sóng cách đổi pha tín hiệu ăng ten với nhau, thủ tục khởi tạo trì búp sóng thu-phát, tiến hành đánh giá hiệu hệ thống thông qua mô Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, phụ lục tài liệu tham khảo, nội dung luận văn gồm chương: Chương I: Khái quát mạng 5G Chương II: Kỹ thuật tạo búp sóng mạng 5G Chương III: Mơ đánh giá hiệu kỹ thuật tạo búp sóng CHƯƠNG KHÁI QUÁT MẠNG 5G 1.1 Sự phát triển mạng di động 5G Xuất vào khoảng năm 1979, hệ (1G) thông tin di động dựa truyền dẫn tương tự, cơng nghệ hệ thống điện thoại di động tiên tiến (AMPS) Sau đó, số phát triển khác xuất vào đầu năm 1990, chẳng hạn di động kỹ thuật số trung bình (PDC), AMPS kỹ thuật số (D-AMPS), hệ thống thông tin di động tồn cầu (GSM) cho truyền thơng di động kỹ thuật số hệ thứ hai (2G) Khả truy cập internet không dây nhanh vào đầu năm 2000, hệ thứ ba (3G) truyền thông di động cơng nghệ truy cập gói tốc độ cao (HSPA) Công nghệ phát triển thứ tư (4G) dựa LTE hội tụ giới thành ngành công nghiệp viễn thơng tồn cầu với nhiều cải tiến kết nối, bảo mật quản lý liệu Khi nhu cầu ngày cao tốc độ nhanh hơn, độ trễ cực thấp số lượng lớn kết nối thiết bị, công nghệ hệ yêu cầu để đáp ứng tất nhu cầu Cuối cùng, xuất hệ thống thông tin di động hệ thứ năm (5G) công bố phát hành 3GPP-15 1.2 Các yêu cầu thách thức công nghệ 5G 1.2.1 Các trường hợp sử dụng 5G 5G có loại trường hợp sử dụng đặc biệt: giao tiếp kiểu máy lớn (mMTC), băng thông rộng di động nâng cao (eMBB) giao tiếp siêu đáng tin cậy độ trễ thấp (URLLC) 1.2.2 Các tính mạng 5G lộ trình triển khai So với cơng nghệ 4G LTE có, 5G đạt điểm chuẩn hiệu suất tốt tùy thuộc vào tính Một số số chúng đạt số chúng nghiên cứu ITU-R định số thông số kỹ thuật cho 5G đặt tên IMT-2020 Các tính phân biệt 5G với phần cịn lại nêu bảng 1.1 tầm quan trọng chúng hệ thống 5G tới mơ tả hình 1.3 Bảng 1.1: Các tính 5G Các tính q trình Những lợi ích thực Sử dụng băng tần Cơng suất tăng phụ 6GHz lên đến 100 lần 6GHz Phạm vi phủ MIMO lớn tạo sóng tốt chùm dung lượng cao Ít nhiễu Thiết kế tinh gọn tiêu thụ điện thấp Các tính sau Những triển khai ích đầy đủ lợi Tốc độ liệu 20 GB/s cao Độ trễ Tính động 1ms linh 500 km/h Cấu trúc khung linh Hiệu cao Mật độ kết nối 106/km2 hoạt độ trễ thấp Cho phép phổ Ghép kênh theo Tốc độ liệu tần dịch vụ giao diện OFDM người dùng 100 Mbit/s đa dạng Sử dụng phổ cao Tăng hiệu Độ khả dụng 99.999999% Tốc độ trải nghiệm người dùng (Mbit/s) Tốc độ liệu cao (Gbit/s) 100 20 Mật độ dung lượng (Mbit/s/m2) 10 hiệu sử dụng phổ tần 10 3x 1x 0.1 350 1x 400 10x 500 100x Tính linh động (km/h) Hiệu sử dụng lượng 105 10 10 Mật độ kết nối (Thiết bị/km2) Độ trễ (ms) Hình 1.3: Tầm quan trọng IMT 2020 ITU-R khuyến nghị 1.2.3 Phổ tần cho 5G tTốc độ liệu Phạm vi Cell Dải phổ Tần số Vùng phủ Băng tần thấp 1km Băng tần tầm trung (sóng cm) 3- GHz  3.3- 3.8 GHz  3.3-4.2 GHZz  4.4-5.0 GHz Băng tần cao (sóng mm) >24 GHz