Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO TT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Nguyễn Huy Gơ KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SĨNG TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO Chuyên nghành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Hà Nội-2021 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Tiến Ban Phản biện 1: TS Hoàng Mạnh Kha Phản biện 2: TS Phạm Xuân Nghĩa Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: 30 ngày 15 tháng 01 năm 2022 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Cuộc cách mạng công nghiệp lần diễn ra, yêu cầu mạng di động hệ (5G, 6G)…phải đáp ứng nhu cầu như: Tốc độ cao hàng Gbps, độ trễ gần không, thông lượng cực lớn…Yêu cầu cho việc thông tin liên lạc ngày tăng cao đặc biệt dung lượng, hiệu suất tốc độ truyền nhận liệu trạm phát sóng người dùng di động mạng khơng dây có dây ngày cấp thiết Vì yêu cầu cải tiến kỹ thuật hệ thống mạng khơng dây có dây địi hỏi ngày nâng cao cải thiện Một cải tiến kỹ thuật bật hệ thống mạng viễn thông không dây năm gần kỹ thuật sử dụng MASSIVE MIMO (Multiple-input multipleoutput) trạm phát sóng cell (tế bào) Kỹ thuật mở hướng nhằm nâng cao tốc độ truyền nhận liệu cải thiện chất lượng đường truyền từ trạm phát tín hiệu (base station - BS) đến người dùng di động (mobile users - MUs) Nội dung Luận văn mang đến cho người đọc nhìn tổng quan kỹ thuật MASSIVE MIMO mạng viễn thông không dây, kỹ thuật tương lai cho hệ thống viễn thông không dây 5G (fifth Generation) cách thức hoạt động kỹ thuật mạng viễn thông không dây? Tổng quan vấn đề nghiên cứu Trong nghiên cứu công nghệ sử dụng cho hệ thống thông tin di động, hệ thống đa Ăng ten cỡ lớn (MASSIVE MIMO) kết hợp với kỹ thuật định hướng đa búp sóng coi công nghệ đầy hứa hẹn cho hệ thông tin di động 5G, đem lại hiệu sử dụng phổ vượt trội so với công nghệ đa Ăng ten cũ Hơn nữa, cách kết hợp tín hiệu Ăng ten với nhau, hệ thống tạo chùm tia 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 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu kỹ thuật định hướng đa búp sóng hệ thống 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 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Tập trung vào kỹ thuật tạo búp sóng cổ điển cho mảng Ăng ten Nghiên cứu hệ thống MASSIVE MIMO mạng di động Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu thực nghiệm hình thức thu thập thơng tin mạng thơng tin di động 5G, phân tích kỹ thuật tạo búp sóng ứng dụng vào hệ thống MASSIVE MIMO, 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: Tổng quan hệ thống di động Chương II: Kỹ thuật định hướng đa búp sóng Chương III: Định hướng đa búp sóng hệ thống MASSIVE MIMO CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Chương trình bày khái quát trình phát triển hệ thống thông tin di động, tiêu chuẩn, đặc điểm hệ thống ứng dụng giới Đồng thời trình bày tổng quan kiến trúc mạng, kỹ thuật truyền dẫn mạng lõi nano hệ thống thông tin di động 5G 1.1 Sự phát triển hệ thống thông tin di động Thế hệ (1G) khởi đầu từ năm cuối thập kỷ 70 đầu thập kỷ 80, thệ thống thông tin di động tương tự cung cấp dịch vụ thoại Thế hệ thứ (2G) công nghệ di động kỹ thuật số, cung cấp dịch vụ thoại liệu xuất vào thập kỷ 90 Thế hệ thứ 3(3G) bắt đầu xuất từ năm 2001 với đặc trưng việc cung cấp dịch vụ thoại, liệu đa phương tiện với tốc độ cao Thế hệ 4G bắt đấu xuất vào năm 2009 triển khai thương mại hóa từ năm 2012 trở đi, cung cấp dịch vụ truyền liệu với tốc độ cao hệ 3G hàng chục lần Thế hệ 5G bắt đấu xuất từ năm 2018 cơng bố phát hành 3GPP-15 Hình 1.1 cho ta thấy thay đổi công nghệ từ 1G dến 5G Hình 1.1: Lịch sử phát triển mạng di động 1.1.1 Hệ thống thông tin di động hệ thứ (1G) Hệ mạng di động hay 1G giới thiệu mắt Tokyo Nhật vào năm 1979 Hệ thống thông tin di động 1G ứng dụng công nghệ truyền dẫn tương tự để truyền tín hiệu thoại Sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) điều chế tần số (FM) 1.2.2 Hệ thống thông tin di động hệ thứ hai (2G) Hệ thống thông tin di động 2G đăch trưng công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số, sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA đa truy nhập phân chia theo mã CDMA 1.1.3 Hệ thống thông tin di động 2,5G Hệ thống thông tin di động 2,5 G nâng cấp từ hệ thống thông tin di động 2G Sự nâng cấp coi chuẩn bị để tiến tới hệ thống thông tin di động hệ thứ (3G) 1.1.4 Hệ thống thông tin di động hệ thứ ba (3G) Liên minh viễn thông quốc tế ITU đưa đề án tiêu chuẩn hóa thơng tin di động hệ thứ ba (3G) với tên gọi IMT2000(InternationalMobile Telecommunications for the Year 2000) Trong có hai hệ thống WCDMA CDMA-2000 đưa vào hoạt động vào năm đầu thập kỷ 2000 Các hệ thống sử dụng công nghệ Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access) Điều cho phép thực tiêu chuẩn toàn cầu cho giao diện vô tuyến hệ thống thông tin di động 3G 1.1.5 Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G) Công nghệ tiền 4G bước chuẩn bị để nâng cấp từ công nghệ 3G lên 4G, số nơi, người ta gọi mạng 3,9G Một số cơng nghệ tiền 4G kể đến là: LTE (Long Term Evolution), WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access), UMB (Ultra Mobile Broadband) 3GPP LTE: hệ thống cần hướng tới hệ thống mạng 3G dựa công nghệ di động GSM/UMTS, công nghệ tiềm cho truyền thông di động hệ thứ tư (4G) 3GPP LTE có khả cấp phát phổ tần linh động hỗ trợ dịch vụ đa phương tiện với tốc độ 100 Mb/s di chuyển với tốc độ 3km/h, đạt 30 Mb/s di chuyển với tốc độ cao khoảng 120km/h, tốc độ nhanh gấp lần so với tốc độ truyền liệu cơng nghệ HDSPA Do cơng nghệ cho phép sử dụng dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao di chuyển 3GPP LTE sử dụng công nghệ Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) kỹ thuật MIMO (Multiinput Multi-output) 1.1.6 Hệ thống thông tin di động hệ thứ tư (4G) Vào tháng năm 2008, tổ chức ITU-R đưa yêu cầu tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động hệ thứ tư (4G) với tên gọi IMT – Advanced Theo IMT –Advanced, hệ thống thông tin di động 4G phải đáp ứng yêu cầu sau: - Xây dựng dựa hệ thống mạng IP chuyển mạch gói - Đáp ứng tốc độ liệu đỉnh lên đến 100 Mb/s di chuyển với tốc độ nhanh, Gb/s di chuyển với tốc độ chậm (hoặc đứng yên) - Có thể linh hoạt việc sử dụng chia tài nguyên mạng để hỗ trợ số lượng lớn người sử dụng đồng thời Cell - Độ rộng băng thơng thay đổi cách linh hoạt, phạm vi thay đổi lên đến 40 MHz - Có hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh lên đến 15 b/s/Hz đường xuống 6,75 b/s/Hz đường lên (tức đường xuống đạt tốc độ 1Gb/s chiếm dụng khoảng 67 MHz băng thông) - Hiệu suất sử dụng phổ tần hệ thống, trường hợp nhà, 3b/s/Hz/cell cho đường xuống 2,25 b/s/Hz/cell cho đường lên - Dễ dàng thực chuyển giao mạng phức tạp - Khả cung cấp dịch vụ chất lượng cao cho hệ đa phương tiện Hiện nay, có hai hệ thống đáp ứng yêu cầu ITU công nhận hệ thống thông tin di động 4G, là: LTE-Advanced (được phát triển 3GPP) WirelessMAN-Advanced (được phát triển IEEE) 1.2 Hệ thống thông tin di động hệ thứ năm (5G) ITU đưa lớp dịch vụ 5G gồm: giao tiếp kiểu máy lớn (mMTC), băng thông rộng di động nâng cao (eMBB) giao tiếp siêu đáng tin cậy độ trễ thấp (URLLC) 1.2.1 Kiến trúc mạng 5G 5G có hai chế độ kiến trúc mạng: chế độ độc lập (SA) chế độ không độc lập (NSA) Trong cấu trúc SA, 5G NR kết nối trực tiếp với lõi 5G riêng có giao diện không dây 5G Ở chế độ NSA, 5G hoạt động lõi gói phát triển 4G / LTE (EPC) Triển khai option SA giúp đơn giản hóa kiến trúc mạng nâng cao hiệu mạng 5G Option SA cho phép triển khai dịch vụ 5G có yêu cầu cao với yêu cầu độ trễ thấp (URLLC) Triển khai mơ hình NR NonStand Alone (NSA) hồn thành chuẩn hóa vào năm 2017, giới thiệu qua option 3, 3a, 3x tùy theo phần tử mạng 1.2.2 Dải tần milimeter-wave (mmWave) Ngành công nghiệp di động phân chia sóng vơ tuyến cho hệ thống di động thành hai loại chính: tần số GHz tần số GHz Các tần số băng tần GHz tần số sử dụng để triển khai hệ thống di động 2G, 3G, 4G cho mạng 5G, thường chúng nằm khoảng từ 600 MHz đến tần số băng tần trung (khoảng từ 2,5 GHz-4 GHz) Các tần số không cần cấp phép băng tần GHz - GHz sử dụng cho mạng di động để hỗ trợ cho băng tần cấp phép nhằm mang lại hiệu suất cao cho người dùng di động 10 1.3 Kết luận chương Chương trình bày nội dung tổng quan phát triển mạng thông tin di động, kiến trúc mạng 5G, kỹ thuật truyền dẫn mạng lõi nano mạng di động 5G qua cung cấp cách nhìn tổng thể hệ trình hình thành phát triển hệ mạng thông tin di động, q trình tiến hóa mạng di động việc cung cấp, đáp ứng nhu cầu dịch vụ người dùng Làm rõ đặc điểm kỹ thuật áp dụng vào mạng di động Đối với mạng 5G trình bày đầy đủ đầy đủ loại hình kiến trúc mạng đề xuất 3GPP để cung cấp lựa chọn linh hoạt để triển khai mạng 5G Đồng thời chương trình cách kỹ thuật truyền dẫn mạng lõi ứng dụng công nghệ nano mạng 5G 11 CHƯƠNG II KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG 2.1 Phân loại định hướng đa búp sóng Kỹ thuật đa búp sóng sử dụng ăng ten thông minh để truyền nhận tín hiệu Ăng ten thơng minh ăng ten mảng với thuật tốn xử lý tín hiệu nhận biết định danh tín hiệu khơng gian, chẳng hạn hướng đến (DOA) tín hiệu sử dụng chúng để đánh giá vectơ định dạng Các vectơ xác định theo dõi tín hiệu mong muốn gửi từ trạm di động Các kỹ thuật ăng ten thông minh sử dụng đặc biệt xử lý tín hiệu âm thanh, thiên văn vơ tuyến kính thiên văn vơ tuyến, radar theo dõi quét, hệ thống truyền thông không dây, W-CDMA, UMTS, LTE LTE Advanced Một số phương pháp, kỹ thuật phân loại nhiều tín hiệu (MUSIC), ước tính tham số tín hiệu thơng qua kỹ thuật bất biến xoay vòng (ESPRIT) phương pháp ma trận bút chì dẫn xuất nó, xây dựng phần kỹ thuật đa búp sóng để dự đốn DOA tín hiệu đến thực thông qua hệ thống ăng ten thông minh Các phương pháp sử dụng phổ tần không gian dải ăng ten tính tốn DOA dựa đỉnh phổ Ăng ten thơng minh phân loại thành ba loại: đa dạng, ghép kênh khơng gian búp sóng, phân loại trình bày hình 2.1 12 Tạo chùm tia Định dạng chùm băng hẹp chuyển đổi chùm tia Tạo chùm thích ứng thuật tốn tạo dạng chùm thích ứng Ma trận Butler Định dạng chùm băng rộng tạo chùm tia tương tự thuật tốn thích ứng mù Định dạng chùm tia kỹ thuật số Tạo chùm kết hợp LMS CMA RLS SMI CGA LS-CMA LCMV MVDR LMS: bình phương nhỏ RLS: đệ quy-nhỏ nhất-bình phương SMI: nghịch đảo ma trận mẫu CGA: thuật toán gradient liên hợp CMA: thuật tốn mơ đun khơng đổi LS-CMA: thuật tốn mơđun số bình phương nhỏ LCMV: phương sai tối thiểu hạn chế tuyến tính MVDR: phản hồi khơng biến dạng phương sai tối thiểu Hình 2.1: Phân loại định hướng đa búp sóng 13 2.2 Định hướng đa búp sóng băng hẹp băng rộng Nhu cầu dịch vụ băng rộng thời gian gần địi hỏi phải tăng cường băng thơng tốc độ truyền liệu hệ thống truyền thơng khơng dây Phổ có bị hạn chế trọng tâm nghiên cứu đưa kỹ thuật phù hợp để tăng cường sử dụng phổ để đáp ứng ứng dụng băng rộng Hệ thống ăng ten thông minh kỹ thuật khả lọc không gian nó nhận tín hiệu đến từ hướng cụ thể cung cấp độ suy giảm cho tín hiệu theo hướng khác Bộ lọc khơng gian xử lý liệu theo không gian kết hợp với lọc tạm thời để xử lý liệu thu thập theo thời gian Điều làm tăng công suất hệ thống, hiệu sử dụng điện giảm chi phí chung Hệ số mảng định hướng chùm tia thiết kế cho có khả lái định hướng để tăng cường tín hiệu theo hướng mong muốn từ chối tín hiệu theo hướng đầu vào Ngày nay, định dạng chùm siêu rộng sử dụng rộng rãi ứng dụng điều hướng, radar, thiên văn vơ tuyến, hình ảnh không gian RF, hệ thống thông tin liên lạc không dây băng thông rộng, v.v Ăng ten định hướng ngày sử dụng rộng rãi ứng dụng liên lạc điểm - điểm Các ăng ten định hướng tập trung lượng RF trình giao tiếp giảm tiêu thụ lượng trình truyền Đồng thời làm giảm vấn đề nhiễu sóng vơ tuyến, làm cho phù hợp với ứng dụng Mạng cảm biến không dây (WSN) [6]-[7] Ăng ten định hướng phân loại ăng ten phân phái có chùm tia khu vực cố định 14 ăng ten thích ứng liên tục hướng chùm tia đến hướng mong muốn Một điều khiển chùm lái rỗng với SLL thấp thực WSN phân bố đồng biểu thức dạng chùm trung bình suy cho hệ thống lái rỗng làm giảm mức thùy bên 2.2.1 Đánh giá định dạng chùm ULA Trong định dạng chùm dựa tổng độ trễ, tín hiệu phần tử bị trễ tổng hợp lại với để tạo chùm theo hướng cụ thể Khoảng cách phần tử thực dạng đường trễ khai thác cho phần tử ăng ten hướng chùm tia định Sử dụng lọc kỹ thuật số FIR, độ trễ thời gian thực định dạng chùm tia FIR 2.2.2 Thiết kế lọc Spatial Các kỹ thuật định dạng chùm khác để tổng hợp mẫu mảng Antenna Legendre, Chebyshev, Chebyshev sửa đổi, chuỗi hình cầu rời rạc (DPSS), phương pháp Taylor, v.v Các tính mảng ăng ten mẫu xạ, nửa độ rộng chùm tia (HPBW) hiệu chùm tia 2.2.3 Mô kết Mô thực máy tạo chùm băng hẹp băng rộng sử dụng phương pháp hiệu suất đề xuất so với máy tạo chùm có Tần số tín hiệu đến cho băng hẹp 1,5GHz băng thơng tín hiệu băng rộng 1GHz ≤ f ≤ 3GHz, SLL mong muốn -30dB phạm vi lái −450 đến 450 Mảng tuyến tính thống đề xuất thiết kế mô với phần tử 15 Ăng ten M nằm khoảng từ 17 đến 31 với khoảng cách liền kề d = 0,5 min định dạng chùm băng hẹp băng rộng Hiệu suất chức cửa sổ định dạng chùm đề xuất so sánh với cửa sổ DPSS, Taylor Kaiser cho phần tử Ăng ten khác SLL mong muốn Các phép so sánh định dạng chùm tia hiển thị bảng 2.1 để có chiều rộng chùm tia tối ưu mức thuỳ bên đỉnh định 2.3 Định hướng mảng búp sóng chuyển mạch búp sóng thích ứng 2.3.1 Chuyển búp sóng Ăng ten chuyển búp sóng gồm nhiều búp sóng kề mà đầu chúng thay đổi để chiếu tới nhiều máy thu định Do đó, hệ thống chia nhỏ nhóm búp sóng liên tục Ăng ten mảng bám pha động coi loại ăng ten chuyển búp sóng, sử dụng thêm thơng tin hướng tới từ người dùng mong muốn để quay hướng cực đại búp sóng phía người nên có tiêu tốt ăng ten chuyển búp sóng thơng thường Cịn ăng ten thích nghi, cấu trúc búp sóng biến đổi thích nghi với mơi trường tín hiệu cao tần, định hướng búp sóng tới người sử dụng mong muốn, đồng thời làm suy giảm tăng ích ăng ten hướng gây nhiễu Tuy có tiêu tốt hơn, ăng ten mảng thích nghi thường phải sử dụng xử lý số phức tạp nên có chi phí tốn hệ thống chuyển búp sóng Hệ thống chuyển búp sóng đơn giản bao gồm mạch tạo búp sóng, chuyển mạch cao tần có điều khiển logic để chọn 16 búp sóng mong muốn Mỗi máy thu phải có chế lựa chọn búp sóng để chọn búp sóng mong muốn dựa vào vector trọng số định Cơ chế để lựa chọn búp sóng hiệu phức tạp tuỳ thuộc vào phương pháp truy nhập theo CDMA, TDMA hay FDMA 2.3.2 Thuật toán tạo chùm tia thích ứng Thuật tốn định dạng chùm thích ứng sử dụng rộng rãi mảng ăng-ten, thông tin liên lạc, hệ thống radar kỹ thuật y sinh Có số loại thuật tốn tạo dạng chùm thích ứng, chẳng hạn thuật tốn bình phương trung bình nhỏ nhất, thuật tốn đảo ngược ma trận mẫu, thuật tốn mơ đun khơng đổi, thuật tốn bình phương nhỏ đệ quy, phương pháp gradient liên hợp, v.v 2.4 Định hướng đa búp sóng tương tự, số lai số-tương tự Một cách phân loại khác kỹ thuật định hướng đa búp sóng thể hình 2.1, chúng phân thành hai loại: định hướng đa búp sóng tương tự định hướng đa búp sóng kỹ thuật số Định hướng đa búp sóng tương tự đề xuất 50 năm trước Các ăng ten định hướng đa búp sóng tương tự cấu tạo ma trận lai dịch pha cố định Khái niệm đằng sau định hướng đa búp sóng tương tự điều khiển pha tín hiệu truyền cách sử dụng dịch pha chi phí thấp Một chuyển mạch tần số vơ tuyến chọn lọc (RF) sử dụng để tạo điều kiện cho chức định hướng búp sóng (góc định hướng) Một số ăng ten định hướng đa búp sóng tương tự đại 17 đề xuất cung cấp định hướng đa búp sóng liên tục Venkateswaran van der Veen (2010) đề xuất định hướng đa búp sóng tương tự truyền thơng MIMO với mạng chuyển pha Họ cố gắng hủy tín hiệu gây nhiễu miền tương tự giảm thiểu độ phân giải ADC cần thiết Ngược lại, định hướng đa búp sóng kỹ thuật số bao gồm nhiều ưu điểm, bao gồm ước tính DOA, điều khiển lập trình mẫu xạ ăng ten điều khiển búp sóng thích ứng để tăng cường SINR 18 CHƯƠNG 3: ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO 3.1 Hệ thống MASSIVE MIMO Các hệ thống MIMO nhận ý đáng kể số lượng người dùng phục vụ ngày tăng nhu cầu ngày tăng lượng lớn liệu Các hệ thống MIMO đa người dùng cung cấp kỹ thuật đột phá để cải thiện hiệu phổ truyền thông không dây MIMO trở thành cơng nghệ cho hệ thống truyền thông tương lai số lượng yêu cầu cho dịch vụ không dây tiếp tục tăng lên, với phổ tần hữu hạn Gần đây, nhiều nghiên cứu chuyên sâu thực lĩnh vực truyền thơng MIMO đa người dùng, hệ thống có liên quan gọi hệ thống MIMO quy mô lớn (MASSIVE MIMO) Các hệ thống MASSIVE MIMO định nghĩa xếp hệ thống mu-MIMO lượng lớn phần tử ăng ten BS lượng lớn Ăng ten thiết bị đầu cuối triển khai Trong hệ thống MASSIVE MIMO, lượng lớn Ăng ten (hàng trăm hàng nghìn) kết nối với BS đồng thời hoạt động với số lượng đáng kể (hàng chục hàng trăm) thiết bị đầu cuối sử dụng tài nguyên tần số sóng mang thời gian tương tự Các hệ thống MASSIVE MIMO cải thiện khả hệ thống truyền thông không dây từ 10 lần trở lên nhờ đặc tính chúng hiệu suất lượng khoảng 100 lần Việc tăng cơng suất kích hoạt hệ thống MASSIVE MIMO 19 số lượng lớn ăng ten triển khai Tuy nhiên, việc sử dụng số lượng lớn ăng ten gây vấn đề nhiễu, giảm thiểu cách triển khai ăng ten dạng chùm thay ăng ten thơng thường 3.2 Vai trị định hướng đa búp sóng hệ MASSIVE MIMO Định hướng đa búp sóng trình xây dựng để tạo mẫu chùm xạ ăng ten cách xây dựng hồn tồn tín hiệu xử lý theo hướng cực mong muốn Điều thực cách sử dụng lọc đáp ứng xung hữu hạn (FIR) Bộ lọc FIR có lợi chỗ trọng lượng chúng thay đổi cách thích ứng áp dụng để có dạng tia tối ưu Ứng dụng kỹ thuật búp sóng hệ thống MASSIVE MIMO có ưu điểm sau: tăng cường hiệu lượng, cải thiện hiệu suất quang phổ, tăng bảo mật hệ thống khả ứng dụng cho dải sóng mm 3.2.1 Tăng cường hiệu lượng Yêu cầu công suất thấp ăng ten búp sóng để truyền tín hiệu đến người dùng giảm chi phí dẫn đến mức tiêu thụ điện thấp chi phí khuếch đại hệ thống MASSIVE MIMO Các hệ thống MASSIVE MIMO hỗ trợ quy trình định dạng tia để giảm mức tiêu thụ lượng tồn hệ thống cách tính tốn số lượng phần tử Ăng ten tối ưu đáp ứng số tiêu chí thiết yếu để điều khiển hệ thống MASSIVE 20 MIMO tiết kiệm lượng 3.2.2 Cải thiện hiệu suất phổ Kiểm sốt cơng suất tín hiệu đường lên đường xuống, cải thiện chất lượng tín hiệu thành phần ăng ten dạng chùm cho phép cải thiện công suất Các hệ thống MASSIVE MIMO có tiềm cải thiện hiệu phổ mảng ăng ten định dạng chùm không dây với số lượng lớn phần tử ăng ten phục vụ BS với q trình tiền mã hóa phát kết Hiệu suất phổ hệ thống tế bào bị ảnh hưởng phân bố tỷ lệ sóng mang mạng di động 3.2.3 Tăng cường bảo mật hệ thống Khái niệm tạo chum tia để điều khiển tín hiệu truyền tới người dùng dự định; đó, người nhận bên khơi phục tín hiệu mong muốn từ tín hiệu lớp phủ An ninh vật lý đạt xác suất kẻ nghe trộm nhận tín hiệu truyền nhỏ so với sử dụng ăng ten thông thường 3.2.4 Khả ứng dụng cho dải sóng mm Một ưu điểm khác tạo chum tia áp dụng cho dải sóng mm Do phần lớn phổ tần số phù hợp với truyền thông di động đô thị dày đặc (ví dụ, GHz) cấp phép, cách để tăng tốc độ liệu miền tần số sử dụng dải tần số không sử dụng gần dải sóng mm Ưu điểm dải tần số tính sẵn có băng thông cao Tuy nhiên, đặc điểm lan truyền dải kém, khoảng cách ngắn 21 3.3 Các tiền mã hóa tách sóng MASSIVE MIMO Như đề cập trên, hệ thống MASSIVE MIMO có lợi ích sau: tăng cường hiệu suất thông lượng, thành phần chi phí thấp, lượng thấp xạ lượng hiệu Tiền mã hóa, đồng hóa tín hiệu truyền đi, chức liên quan đến hệ thống MIMO phát triển cho hệ thống MASSIVE MIMO phụ thuộc vào tính khả dụng CSI để sửa lỗi tín hiệu BS Các máy tách sóng thiết bị đầu cuối (trạm di động) sau phục hồi tín hiệu thiết lập mong muốn từ thành phần mảng ăng ten BS giai đoạn đường xuống Thiết kế máy tách sóng với mức tiêu thụ điện tăng cường độ phức tạp ước tính thấp khó thu quan trọng, đặc biệt số lượng ăng ten tăng 3.4 Quản lý chùm tia 3.4.1 Nhu cầu quản lý chùm tia Trước UE giao tiếp với mạng, phải thực thủ tục tìm kiếm lựa chọn có thơng tin hệ thống đồng ô ban đầu Bước q trình thu đồng hóa khung, tìm danh tính tế bào giải mã MIB SIB1 Xem ví dụ chi tiết minh họa quy trình tìm kiếm NR quy trình khơi phục MIB SIB1 Trong trường hợp hệ thống nhiều anten phát nhiều chùm, việc phát chùm từ gNB phần quy trình ban đầu mà UE thường phát tất chùm khơng gian tìm kiếm 22 3.4.2 Quy trình quản lý chùm tia a) Quét tia dựa SSB (P-1) Quy trình tập trung vào việc mua lại ban đầu dựa SSB cho UE chế độ nhàn rỗi Trong trình thu nhận ban đầu, trình quét chùm tia diễn đầu phát đầu nhận để chọn cặp chùm tia tốt dựa phép đo RSRP Nói chung, chùm chọn rộng khơng phải cặp chùm tối ưu cho việc truyền nhận liệu Sau kết nối, chùm tinh chỉnh thêm cách sử dụng CSI-RS (cho đường xuống) SRS (cho đường lên) b) Tinh chỉnh chùm tia cuối truyền dựa CSI-RS (P-2) Sau chùm tia ban đầu thiết lập, việc truyền liệu unicast với định hướng cao độ lợi cao đòi hỏi chùm tia mịn nhiều so với chùm SSB Do đó, tập hợp tài ngun tín hiệu tham chiếu cấu hình truyền theo hướng khác cách sử dụng chùm tia mịn phạm vi góc chùm tia từ q trình thu nhận ban đầu Sau đó, UE đo tất chùm cách bắt tín hiệu với chùm nhận cố định Cuối cùng, chùm phát tốt chọn dựa phép đo RSRP tất chùm truyền 3.5 Sử dụng toán cơng suất để khẳng định tính định hướng đa búp sóng hệ MASSIVE MIMO 3.5.1 Xây dựng vấn đề Trong truyền thơng khơng dây, tốn điều khiển công 23 suất thường hướng đến mục tiêu tối ưu hàm lợi ích U(R1, ,RN) U(·) hàm dương tăng theo đối số (tức tăng theo hiệu sử dụng phổ) Trong nghiên cứu này, chúng tơi quan tâm tốn điều khiển công suất tối đa – tối thiểu (max-min) cho mục đích cung cấp chất lượng dịch vụ đồng cho tất người dùng 3.4.2 Phương pháp Trong nghiên cứu đề xuất thuật tốn điều khiển cơng suất tối đa – tối thiểu đơn giản 3.5.3 Kết mô 3.5 Kết luận chương Trong nghiên cứu công nghệ sử dụng cho hệ thống thông tin di động tương lai, hệ thống đa ăng ten cỡ lớn (MASSIVE MIMO) 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 Trong chương đề xuất phương pháp phân bổ công suất tối đa – tối thiểu hiệu cho hệ thống đa ăng ten cỡ lớn (MASSIVE MIMO) đường xuống, sử dụng chế MIMO đa người dùng (MU-MIMO) Mơ hình hóa vấn đề toán tối ưu với điều kiện ràng buộc tổng cơng suất tối đa tồn tuyến Ăng ten phát Kết mơ để chứng minh tính hiệu phương pháp, tập trung vào hiệu sử dụng phổ hệ thống 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật định hướng đa búp sóng sử dụng mảng ăng ten cỡ lớn (MASSIVE MIMO), công nghệ then chốt mạng di động 5G Luận văn tóm tắt lợi ích cơng nghệ đem lại nhằm đáp ứng yêu cầu mạng 5G Kết đạt Chúng ta đạt búp sóng tối ưu cho hệ thống MIMO quy mơ lớn cách triển khai kết hợp định hướng đa búp sóng tương tự kỹ thuật số dải sóng mm kết hợp với thuật tốn tối ưu Các thuật tốn tối ưu thuật tốn thích ứng, chẳng hạn MVDR kết hợp hai thuật tốn, để ước tính xác DOA theo góc phương vị góc độ cao (2D-DOA) Việc triển khai định hướng đa búp sóng tối ưu cung cấp hiệu suất cao hệ thống MIMO quy mô lớn, đáp ứng yêu cầu hệ thống truyền thông không dây hệ Hướng phát triển 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 định hướng đa búp sóng mạnh 5G nghiên cứu tìm giải pháp khắc phục thách thức hệ thống MIMO quy mô lớn ô nhiễm Pilot, bất lợi lan truyền sóng… ... cách phân loại khác kỹ thuật định hướng đa búp sóng thể hình 2.1, chúng phân thành hai loại: định hướng đa búp sóng tương tự định hướng đa búp sóng kỹ thuật số Định hướng đa búp sóng tương tự đề... chương trình cách kỹ thuật truyền dẫn mạng lõi ứng dụng công nghệ nano mạng 5G 11 CHƯƠNG II KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG 2.1 Phân loại định hướng đa búp sóng Kỹ thuật đa búp sóng sử dụng ăng... chương: Chương I: Tổng quan hệ thống di động Chương II: Kỹ thuật định hướng đa búp sóng Chương III: Định hướng đa búp sóng hệ thống MASSIVE MIMO CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG THƠNG TIN DI ĐỘNG Chương