Định dạng búp sóng lai trong hệ thống 5g đa bào phổ tần mm wave

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CAO HỌC Đề tài ĐỊNH DẠNG BÚP SÓNG LAI TRONG HỆ THỐNG 5G ĐA BÀO PHỔ TẦN MM-WAVE Giảng viên hƣớng dẫn TS Nguyễn Tiến Hịa Học viên thực Nguyễn Hồng Bách Ngành đào tạo Kỹ thuật Viễn thông MSHV 20202441M Hà Nội, tháng 5/2022 BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA PHỤ LỤC CHỈNH SỬA LUẬN VĂN Thành viên HĐBV PGS.TS Hoàng Mạnh Thắng PGS.TS Trần Đức Tân Tác giả thực Góp ý Triển khai kết luận – Thay đổi trình bày kết luận từ theo đoạn văn gạch đầu dòng thành đoạn văn Bổ sung chữ viết tắt – vào danh mục – Việt hóa hình ảnh cách viết – ABF, DBF, HBF Việt hóa hình 1.6, 1.7, 1.8, 2.5, 3.6 Chỉnh lại cách hành văn logic – Đề cập cách tính tốn trọng số Giải thích cách tính định dạng búp sóng mục 4.2.3 trọng số mơ 4.3 Kết mô thể – Đề cập hiệu lƣợng hiệu ngồi phân tích giới hạn mô hiệu phổ không ? xoay quanh hiệu phổ Giải thích lý chọn – Đề cập lựa chọn thông số mô chuỗi RF luồng dựa tham khảo mơ tín hiệu mục 4.3 theo tài liệu mục 4.3 Đánh số công thức – Bổ sung đánh số công thức 1.1, 1.2, 1.3 Bổ sung lời cam đoan – Bổ sung lời cam đoan Vẽ lại hình mờ, nhịe – Vẽ lại hình 3.3, 3.4, 4.3, 4.4, 4.5 Chỉnh sửa thuật ngữ – Channel Status Information  Channel State Information – Báo cáo CSI  Phản hồi CSI TS Nguyễn Hữu Phát – Cập nhật tài liệu nhu cầu Cập nhật tài liệu tham liệu không dây từ 2015 thành báo khảo cáo thƣờng niên 2021 Ericsson – Tiêu đề chƣơng 3: Tiến trình băng tần sở  Tiền mã hóa băng tần sở Đặt lại tiêu đề chƣơng – Mục 3.1: Tín hiệu kênh mục làm bật nội truyền dẫn liên quan  Tín hiệu dung chƣơng tham chiếu 5G NR – Mục 4.3: Đồ thị so sánh hiệu phổ  So sánh hiệu phổ HBF DBF TS Đỗ Việt Hà Bổ sung phân tích kết – Bổ sung phân tích kết mơ mơ phỏng hình 4.3, 4.4, 4.5 Bổ sung ngƣỡng/giá – Bổ sung giá trị tham số mục 4.2.2 trị tham số mô LỜI CAM ĐOAN Tơi tên NGUYỄN HỒNG BÁCH, học viên cao học ngành Kỹ thuật Viễn thơng khóa 2020B trƣờng Điện - Điện tử thuộc trƣờng ĐH Bách khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan đề tài “Định dạng búp sóng lai hệ thống 5G đa bào phổ tần mm-Wave” giảng viên TS Nguyễn Tiến Hòa hƣớng dẫn, cơng trình nghiên cứu thân thực hiện, dựa hƣớng dẫn giảng viên hƣớng dẫn khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Tơi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan Hà Nội, tháng năm 2022 Học viên Nguyễn Hoàng Bách Lời cảm ơn Để tối ƣu hóa chi phí hiệu suất cho hệ thống mạng di động hệ thứ năm (5G), cơng nghệ định dạng búp sóng khơng ngừng đƣợc tối ƣu để giải nhiều thách thức đặt Dƣới hƣớng dẫn TS Nguyễn Tiến Hòa, em lựa chọn đề tài “Định dạng búp sóng lai hệ thống 5G đa bào phổ tần mm-wave” làm đề tài luận văn tốt nghiệp cao học Em xin cảm ơn thầy hƣớng dẫn tận tình thầy giúp em hoàn thiện luận văn Bên cạnh em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trƣờng Điện – Điện tử nhƣ lãnh đạo nhà trƣờng hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em suốt thời gian tham gia khóa đào tạo cao học Em xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung luận văn Luận văn nghiên cứu kỹ thuật định dạng búp sóng lai hệ thống 5G đa bào phổ tần mm-wave hƣớng tiếp cận đánh đổi hiệu suất chi phí thiết kế vận hành, qua phân tích mô hệ thống phần mềm Matlab Đầu tiên luận văn giá trị kỹ thuật định dạng búp sóng lai vấn đề cân đối chi phí thiết kế - vận hành đảm bảo hiệu suất hệ thống, tận dụng ƣu điểm hai kỹ thuật định dạng búp sóng tƣơng tự kỹ thuật số Sau tìm hiểu cách thức vận hành kỹ thuật định dạng búp sóng lai hệ thống 5G đa bào phổ tần mm-wave mức tƣơng tự băng tần sở Cuối luận văn trình bày mơ dựa nghiên cứu tìm hiểu đƣợc Kết luận văn phù hợp với vấn đề đặt mang lại giá trị khoa học thực tiễn định việc tiết kiệm chi phí phần cứng Luận văn phát triển nghiên cứu thêm theo định hƣớng nghiên cứu liên kết multi-panel mảng ăng-ten hay phát triển kịch phối hợp đa bào HỌC VIÊN Nguyễn Hoàng Bách MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG BIỂU GIỚI THIỆU LUẬN VĂN CHƢƠNG GIẢI PHÁP ĐỊNH DẠNG BÚP SÓNG LAI CHO HỆ THỐNG 5G MM-Wave 14 1.1 Định dạng búp sóng hệ thống MIMO mm-wave 15 1.1.1 Tính khả dụng phổ tần mm-wave 15 1.1.2 Vai trò hệ thống MIMO 16 1.1.3 Lợi ích định dạng búp sóng 19 1.2 Các kỹ thuật định dạng búp sóng 20 1.2.1 Định dạng búp sóng kỹ thuật số 20 1.2.2 Định dạng sóng tƣơng tự 21 1.2.3 Định dạng búp sóng lai 23 1.3 Ƣu điểm thách thức định dạng búp sóng lai 23 1.3.1 Lợi ích định dạng búp sóng lai 23 1.3.2 Thách thức định dạng búp sóng lai 24 1.4 Kết luận chƣơng 26 CHƢƠNG ĐỊNH DẠNG BÚP SÓNG MIỀN TƢƠNG TỰ 27 2.1 Lan truyền sóng mơi trƣờng vô tuyến 27 2.1.1 Ngun lý hình thành búp sóng 27 2.1.2 Tín hiệu liên tục theo pha 28 2.1.3 Các tác nhân tiêu cực lan truyền tín hiệu 28 2.1.4 Mảng ăng-ten 29 2.2 Ma trận dịch pha 31 2.2.1 Dịch pha tín hiệu 31 2.2.2 Tƣơng quan số lƣợng chuỗi RF dịch pha 33 2.3 Phân loại kiến trúc HBF 34 2.4 Kết luận chƣơng 37 CHƢƠNG TIỀN MÃ HÓA TẠI BĂNG TẦN CƠ SỞ 38 3.1 Tín hiệu tham chiếu 5G NR 38 3.1.1 DM-RS 38 3.1.2 CSI-RS 39 3.1.3 SRS 39 3.2 Phản hồi CSI 40 3.2.1 Quản lý búp sóng 40 3.2.2 Phản hồi PMI 41 3.2.3 CoMP 42 3.3 Tiền mã hóa GoB 44 3.3.1 Cấu hình GoB 44 3.3.2 Codebook loại I – Panel đơn 46 3.3.3 Codebook loại II 47 3.4 Tiến trình kết nối 49 3.4.1 Tiến trình qt búp sóng 49 3.4.2 Ma trận tiền mã hóa 50 3.4.3 Kiến trúc codebook loại II 51 3.4.4 Ánh xạ ma trận tiền mã hóa 52 3.5 Kết luận chƣơng 53 CHƢƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 54 4.1 Mơ định dạng búp sóng 54 4.1.1 Mơ hình thành búp sóng 54 4.1.2 Mô ảnh hƣởng pha tín hiệu lên hƣớng búp sóng 55 4.1.3 Mô ảnh hƣởng số lƣợng ăng-ten lên búp sóng 55 4.2 Mơ hệ thống Massive MIMO HBF 57 4.2.1 Tham số hệ thống 57 4.2.2 Thông tin trạng thái kênh - CSI 59 4.2.3 Định dạng búp sóng lai 59 4.2.4 Tiến trình truyền / nhận liệu 61 4.2.5 Lan truyền tín hiệu 61 4.2.6 Kết khuếch đại & phục hồi tín hiệu 62 4.3 So sánh hiệu phổ HBF DBF 63 4.4 Kết luận chƣơng 64 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt 4G 5G AB / ABF ADC AoA BER BF BM BS Car2X cmWave CoMP CPPS CSI D2D DAC DB / DBF DC DCPS DFT DL DM-RS DP DSP EE EVM FC FDD HB / HBF IF IFFT LTE LO Tên tiếng Anh Fourth generation Fifth generation Analog BeamForming Analog-to-digital converter Tên tiếng Việt Thế hệ thứ Thế hệ thứ Định dạng búp sóng tƣơng tự Bộ chuyển đổi tƣơng tự sang kỹ thuật số Angle of arrival Góc tới Bit error rate Tỉ lệ bit lỗi BeamForming Định dạng búp sóng Beam Managerment Quản lý búp sóng Base Station Trạm gốc Car-to-X communication Giao tiếp xe tới mạng Centimetre wave Bƣớc sóng milimet Coordinated MultiPoint Phối hợp đa điểm Constant Phase Phase Shifter Bộ dịch pha cố định Channel State Information Thông tin trạng thái kênh Device to device Thiết bị tới thiết bị Digital-analog converter Bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tƣơng tự Digital BeamForming Định dạng búp sóng kỹ thuật số Digital combining Kết hợp kỹ thuật số Digital-Controlled Phase Bộ dịch pha đƣợc điều khiển kỹ Shifter thuật số Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc Down Link Đƣờng xuống Demodulation Reference Signal Tín hiệu tham chiếu giải điều chế Dual Polarized Phân cực kép Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số Energy Efficiency Hiệu lƣợng Error Vector Magnitude Độ lớn vectơ lỗi Fully Connected Kết nối tồn phần Frequency Division Duplex Song cơng phân chia tần số Hybrid BeamForming Định dạng búp sóng lai Intermediate Frequency Tần số trung gian Inverse Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier ngƣợc nhanh Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn Local Oscillator Dao động cục Descartes (a) hình bên phải biểu diễn hệ tọa độ cực (b) Các đƣờng biểu đồ đo công suất/năng lƣợng theo thang dB Hình 4.3 Trƣờng hợp mảng có ăng-ten phần tử Hình 4.4 Trƣờng hợp mảng có ăng-ten phần tử Hình 4.5 Trƣờng hợp mảng có ăng-ten phần tử Biểu đồ hình 4.3, 4.4, 4.5 cho thấy tăng số lƣợng phần tử ăng-ten mảng ta dễ thấy hình dạng búp sóng hẹp lại, búp sóng phụ nhỏ dần theo xu hƣớng triệt tiêu Cụ thể, hình 4.3 thể búp sóng trƣờng hợp mảng ăng-ten có phần tử, tiếp hình 4.4 thể mảng phần tử hình 4.5 thể mảng phần tử 56 4.2 Mô hệ thống Massive MIMO HBF Hệ thống 5G, sử dụng băng tần mm-wave để tận dụng điều kiện băng thông rộng hơn, đồng thời triển khai mảng ăng-ten quy mô lớn để giảm thiểu suy hao truyền lớn băng tần mm-wave So với hệ thống khơng dây trƣớc bƣớc sóng dải mm-wave nhỏ nhiều Mặc phép mảng chứa nhiều phần tử kích thƣớc vật lý, nhƣng việc cung cấp mô-đun truyền-nhận (TR) chuỗi RF cho phần tử ăng-ten trở nên đắt Bộ thu/phát định dạng búp sóng lai giải pháp thiết thực chúng kết hợp định dạng sóng tƣơng tự RF định dạng sóng kỹ thuật số miền băng tần sở, với chuỗi RF so với số phần tử phát Phần mô sử dụng hệ thống MIMO-OFDM đa ngƣời dùng, làm bật phân vùng tiền mã hóa thành phần tƣơng tự RF băng tần sở 4.2.1 Tham số hệ thống Bảng 4.1, 4.2 4.3 thể tham số hệ thống, điều chế OFDM giá trị tƣơng ứng sử dụng mô Bảng 4.1 Tham số prm.numUser prm.numSTSVec Các tham số hệ thống mô prm.mobileAngles Ý nghĩa số ngƣời dùng số luồng liệu độc lập ngƣời dùng số luồng STSVec (bội 2) số ăng-ten phát BS số ăng-ten thu ngƣời dùng ( ≥ numSTSVec) phƣơng pháp điều chế số tín hiệu data OFDM khoảng cách đến BS ( ≤ 1km) độ rộng ngẫu nhiên chuẩn Gauss góc ngẫu nhiên chuẩn Gauss prm.fc prm.chanSRate prm.ChanType prm.Nfig prm.nRays tần số hệ thống tốc độ lấy mẫu kênh tùy chọn kênh mô nhiễu (5-10 dB) số tia để phân vùng Frf, Fbb prm.numSTS prm.numTx prm.numRx prm.bitsPerSubCarrier prm.numDataSymbols maxRange prm.mobileRanges Giá trị 3-2-1-2 = sum(prm.numSTSVec) = prm.numSTS*8 = prm.numSTSVec*4 (16QAM) 10 1000 randi([1 maxRange] ,1,prm.numUsers) [rand(1,prm.numUsers)* 360-180; ]; 28e9 100e6 Scattering 500 57 Xác định thông số điều chế OFDM đƣợc sử dụng cho hệ thống Bảng 4.2 Tham số prm.FFTLenght prm.CyclicPrefixLength prm.numCarriers prm.NullCarrierIndices prm.pilotCarrierIndices nonDataIdx prm.CarriersLocations numSTS numTx numRx numSTSVec codeRate numTails prm.numFrmBits prm.Mode numPadSym prm.numPadZeros Các thông số mô điều chế OFDM Ý nghĩa Giá trị độ dài FFT 256 độ dài tiền tố tuần hoàn 64 số ăng-ten phát BS 234 [1:7 129 256-5:256] [26 54 90 118 140 168 204 232] = [prm.NullCarrierIndices; prm.PilotCarrierIndices] = setdiff((1:prm.FFTLength)', sort(nonDataIdx)) số luồng STSVec prm.numSTS số ăng-ten phát BS prm.numTx số ăng-ten thu prm.numRx số luồng liệu độc prm.numSTSVec lập ngƣời dùng tỷ lệ mã cho ngƣời 1/3 dùng nhƣ số bit kết thúc = numSTSVec * (prm.numDataSymbols * prm.numCarriers * prm.bitsPerSubCarrier * codeRate) - numTails =2^prm.bitsPerSubCarrier số tín hiệu tới zeropad =numPadSym*(prm.FFTLengt h+prm.CyclicPrefixLength) Xác định mảng truyền nhận tham số vị trí cho hệ thống Bảng 4.3 Các thông số mô xác định mảng truyền & nhận prm.cLight = physconst('LightSpeed') prm.lambda = prm.cLight/prm.fc [isTxURA,expFactorTx,isRxURA,expFactorRx] = helperArrayInfo(prm,true) prm.posTx = [0; 0; 0] Vị trí mảng truyền/BS, [x; y; z] prm.posTxElem = getElementPosition(txarray)/prm.lambda; [xRx,yRx,zRx] = sph2cart(deg2rad(prm.mobileAngles(1,uIdx)), deg2rad(prm.mobileAngles(2,uIdx)), prm.mobileRanges(uIdx)); prm.posRx(:,uIdx) = [xRx;yRx;zRx]; [toRxRange,toRxAng] = rangeangle(prm.posTx,prm.posRx(:,uIdx)); spLoss(uIdx) = fspl(toRxRange,prm.lambda); 58 4.2.2 Thông tin trạng thái kênh - CSI Đối với hệ thống ghép kênh không gian, thông tin kênh có sẵn bên phát cho phép tiền mã hóa tối đa hóa lƣợng tín hiệu theo hƣớng kênh quan tâm Giả định kênh thay đổi chậm, điều kiện thuận lợi cách định kênh sẵn BS dò kênh cách sử dụng đƣờng truyền tham chiếu mà máy thu MS sử dụng để ƣớc lƣợng kênh MS truyền thông tin ƣớc lƣợng kênh trở lại BS để tính tốn tiền mã hóa cần thiết cho việc truyền liệu Hình 4.6 mơ hình hóa q trình xử lý kênh Hình 4.6 Mơ hình hóa tiến trình xử lý kênh Với hệ thống MIMO trên, tín hiệu mở đầu đƣợc gửi qua tất phần tử ăng-ten phát đƣợc xử lý ƣớc lƣợng kênh máy thu Các phần tử ăng-ten máy thu thực tiền khuếch đại, giải điều chế OFDM ƣớc lƣợng kênh miền tần số cho tất liên kết Đối với hệ thống đa ngƣời dùng, ƣớc lƣợng kênh đƣợc trả lại từ MS đƣợc BS sử dụng để xác định trọng số tiền mã hóa Ví dụ giả định việc phản hồi lý tƣởng, khơng có trễ lƣợng tử hóa triển khai 4.2.3 Định dạng búp sóng lai Mơ sử dụng thuật tốn đuổi khớp trực giao (OMP) cho hệ thống ngƣời dùng kỹ thuật ghép kênh phân chia không gian chung (JSDM) cho hệ thống đa ngƣời dùng, để tính tốn trọng số tiền mã hóa băng tần sở kỹ 59 thuật số Fbb miền RF tƣơng tự Frf cho cấu hình hệ thống hàm omphybweights helperJSDMTransmitWeights đƣợc hỗ trợ Matlab Đối với hệ thống đơn ngƣời dùng, thuật toán phân vùng OMP nhạy cảm với vectơ phản hồi mảng At Trƣờng hợp lý tƣởng vectơ phản hồi tính phân tán mà kênh nhìn thấy, nhƣng khơng đƣợc biết nhận dạng kênh hệ thống thực tế, triển khai tập hợp ngẫu nhiên búp sóng không gian chiều phân tán rộng đề tăng độ bao phủ nhƣ thể hình 4.7 Tham số prm.nRays định số lƣợng búp sóng Đối với hệ thống đa ngƣời dùng, JSDM nhóm ngƣời dùng có hiệp phƣơng sai kênh truyền gần nhƣ lại triệt tiêu nhiễu nhóm tiền mã hóa tƣơng tự dựa phƣơng pháp chéo hóa khối Ở đây, ngƣời dùng đƣợc định nhóm riêng họ, khơng làm giảm dung lƣợng phản hồi Hình 4.7 Mơ búp sóng hình thành Đối với hệ thống OFDM băng rộng, trọng số tƣơng tự mFrf trọng số trung bình nhiều sóng mang Mẫu phản hồi mảng hiển thị luồng liệu riêng biệt đƣợc đại diện búp sóng mạnh Các búp sóng thể lan truyền khả phân tách đạt đƣợc cách định dạng búp sóng 60 4.2.4 Tiến trình truyền / nhận liệu Phần mơ mơ hình hóa kiến trúc định dạng búp sóng lai kết nối toàn phần luồng liệu ánh xạ tới chuỗi RF riêng lẻ Hình 4.8 thể tiến trình truyền liệu hệ thống bao gồm mã hóa kênh, ánh xạ bit thành tín hiệu phức tạp, tách luồng liệu độc lập thành nhiều luồng truyền, tiền mã hóa băng tần sở luồng truyền, điều chế OFDM với ánh xạ pilot định dạng sóng tƣơng tự RF cho tất ăng-ten phát đƣợc sử dụng Đối với kiến trúc kết nối toàn phần chọn, phần tử ăng-ten sử dụng prm.numSTS dịch pha, nhƣ cột độc lập ma trận mFrf Hình 4.8 thể trình xử lý truyền nhận liệu đƣợc mơ hình hóa TIẾN TRÌNH TẠI MỖI NGƯỜI DÙNG MÁY PHÁT Người dùng Bộ mã hóa, ánh xạ OFDM Tx Các bit liệu người dùng Tiền mã hóa tương tự Kênh MIMO Giao diện Rx Cân MIMO OFDM Rx Tiền mã hóa kỹ thuật số Người dùng Frf từ sounding Bộ mã hóa, ánh xạ Fbb từ sounding TRUYỀN & NHẬN TÍN HIỆU Hình 4.8 Ánh xạ ngược, Giải mã Các bit liệu khôi phục người dùng Ước lượng kênh MIMO Mơ hình hóa tiến trình truyền & nhận tín hiệu 4.2.5 Lan truyền tín hiệu Để mơ lan truyền tín hiệu kênh truyền, tác giả sử dụng hàm helperApplyMUChannel Matlab Mơ hình phân tán sử dụng ƣớc lƣợng truy vết tia phản xạ đơn với số lƣợng tia phân tán đƣợc tham số hóa Trong mơ số lƣợng phân tán đƣợc đặt 100 Tùy chọn 'Scattering' mơ hình hóa phân tán đặt ngẫu nhiên phạm vi hình cầu quanh thu Các mơ hình kênh cho phép mơ tổn thất đƣờng truyền điều kiện lan truyền đƣờng đẳng hƣớng (LOS) bất đẳng hƣớng (non-LOS) Giả định lan truyền non-LOS mẫu phần tử ăng-ten đẳng hƣớng có dạng tuyến tính hình chữ nhật Việc truyền liệu có thời lƣợng dài đƣợc kiểm soát prm.numDataSymbols số tham số ký tự liệu Sự phát triển kênh giai đoạn thăm dị truyền đƣợc mơ hình hóa cách thêm tín hiệu khởi đầu vào 61 tín hiệu liệu Đối với hệ thống đa ngƣời dùng, kênh độc lập cho ngƣời dùng đƣợc mơ hình hóa 4.2.6 Kết khuếch đại & phục hồi tín hiệu Bộ thu ngƣời dùng sử dụng khuếch bù đắp suy hao đƣờng truyền Giống nhƣ bên phát, thu hệ thống MIMO-OFDM tiến hành nhiều giai đoạn gồm giải điều chế OFDM, cân MIMO, ánh xạ QAM giải mã kênh Tín hiệu cân thu đƣợc số luồng liệu ngƣời dùng đƣợc thể biểu đồ lƣới hình 4.9 Tập hợp điểm thu đƣợc tín hiệu cân cho phép đánh giá định tính khả thu nhận tín hiệu Hình 4.9 Kết khuếch đại phục hồi tín hiệu EVM độ lớn vectơ lỗi đƣợc tính theo phần trăm dựa tham chiếu chuẩn hóa EVM tỉ lệ lỗi bit tỉ lệ số bit đƣợc truyền với bit giải mã nhận đƣợc ngƣời dùng, thu đƣợc kết mô lý tƣởng, cho thấy kỹ thuật HBF đảm bảo độ tin cậy cho hệ thống 5G M-MIMO User RMS EVM (%) = 0.38361 BER = 0.00000; No of User RMS EVM (%) = 1.0311 BER = 0.00000; No of User RMS EVM (%) = 2.1462 BER = 0.00000; No of User RMS EVM (%) = 1.0024 BER = 0.00000; No of Bits = 9354; No of errors = Bits = 6234; No of errors = Bits = 3114; No of errors = Bits = 6234; No of errors = 62 4.3 So sánh hiệu phổ HBF DBF Hiệu phổ hiệu lƣợng tiêu chí hiệu suất hệ thống hệ thống 5G Hiệu lƣợng kỹ thuật định dạng búp sóng lai phần lớn xuất phát từ việc giảm thiểu số lƣợng chuỗi RF Trong phạm vi mô đề tài, tác giá mô hiệu suất phổ nhằm làm bật tính khả thi kỹ thuật định dạng búp sóng lai Hình 4.10 thể biểu đồ so sánh hiệu phổ đạt đƣợc sử dụng trọng số tối ƣu với trọng số định dạng búp sóng lai, đƣợc tính tốn dựa hàm tính trọng số tƣơng ứng helperOptimalHybridWeights omphybweights Matlab Mô giả định trƣờng hợp kênh MIMO 64x16 đơn ngƣời dùng (mảng ăng-ten 64 phần tử bên phát 16 phần tử bên thu) sử dụng kỹ thuật định dạng búp sóng lai kiến trúc kết nối toàn phần với chuỗi RF, truyền luồng liệu nhƣ [34], dải ăng-ten phát giả định trạm gốc, với độ rộng búp sóng tập trung theo phƣơng vị 60° độ cao 20° Tín hiệu đến mảng nhận từ hƣớng Hình 4.10 So sánh hiệu phổ Biểu đồ cho thấy hiệu suất phổ cải thiện đáng kể tăng số lƣợng luồng liệu Hơn hết, định dạng búp sóng lai đem lại hiệu suất phổ tiệm cận với trọng số tối ƣu (định dạng búp sóng kỹ thuật số) sử dụng phần cứng 63 4.4 Kết luận chƣơng Chƣơng trình bày kết mơ Mục 4.1 trình bày mơ ngun lý hình thành búp sóng, ảnh hƣởng số lƣợng pha ăng-ten lên dạng búp sóng đƣợc hình thành, qua dễ dàng hình dung cách búp sóng đƣợc điều hƣớng Búp sóng hình thành từ hiệu ứng giao thoa sóng, thay đổi số lƣợng ăng-ten phát hay pha tín hiệu phát ăng-ten, búp sóng hình thành có đƣợc khả điều hƣớng Tiếp đó, luận văn trình bày mơ hệ thống MIMO-OFDM sử dụng thuật tốn đuổi khớp trực giao (OMP) cho hệ thống ngƣời dùng kỹ thuật ghép kênh phân chia không gian chung (JSDM) cho hệ thống đa ngƣời dùng để làm bật phân vùng tiền mã hóa thành phần tƣơng tự RF băng tần sở Kết mô cho thấy EVM BER thu đƣợc lý tƣởng, chứng minh việc sử dụng kỹ thuật HBF đảm bảo độ tin cậy cho hệ thống 5G MMIMO Cuối chƣơng IV trình bày mơ so sánh hiệu phổ sử dụng kỹ thuật HBF DBF Kết mô cho thấy trọng số HBF đem lại hiệu suất phổ tiệm cận với trọng số tối ƣu (hay DBF), HBF sử dụng phần cứng dẫn tới tiết kiệm chi phí thiết kế tiêu thụ lƣợng 64 KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu kỹ thuật định dạng búp sóng lai hệ thống 5G đa bào phổ tần mm-wave miền tƣơng tự băng tần sở, qua phân tích mơ hệ thống phần mềm Matlab Các kết luận văn nhƣ hƣớng nghiên cứu đƣợc trình bày nhƣ dƣới đây: A Một số kết đạt đƣợc luận văn Chỉ giá trị kỹ thuật định dạng búp sóng lai vấn đề cân đối chi phí thiết kế - vận hành đảm bảo hiệu suất hệ thống, tận dụng ƣu điểm hai kỹ thuật định dạng búp sóng trƣớc là: đảm bảo tính linh hoạt truyền điều hƣớng búp sóng chia mảng ăng-ten lớn thành mảng đƣợc băng tần sở cấu hình biên độ pha truyền sóng độc lập thông qua chuỗi RF tƣơng ứng; tiết kiệm chi phí phần cứng chuỗi RF điều khiển mảng ăng-ten thay điều khiển riêng lẻ ăng-ten đơn nhƣ kỹ thuật DBF, không hạn chế khả mở rộng hệ thống Tìm hiểu chế vận hành kỹ thuật định dạng búp sóng lai hệ thống 5G đa bào phổ tần mm-wave mức tƣơng tự băng tần sở Nguyên lý hình thành búp sóng nhiều sóng pha giao thoa mang tính xây dựng, hình thành búp sóng với cƣờng độ lớn triệt tiêu búp sóng phụ tạo từ giao thoa ngƣợc pha Hệ thống 5G sử dụng kỹ thuật HBF chia mảng ăng-ten lớn thành nhiều mảng con, đƣợc ánh xạ đến chuỗi RF cụ thể Bố cục ánh xạ từ chuỗi RF đến phần tử ăng-ten hình thành kiến trúc hệ thống kết nối phần tồn phần Bộ định dạng búp sóng tƣơng tự ma trận dịch pha nằm sau chuỗi RF, sử dụng kỹ thuật dịch pha để xác định pha tín hiệu đến cấu hình pha truyền sóng cho tín hiệu phần tử ăng-ten riêng biệt Các nghiên cứu trƣớc mối tƣơng quan số lƣợng N phần tử ăng-ten, NRF chuỗi RF 2NRF (Nt – NRF + 1) số dịch pha mục tiêu tối ƣu hóa hiệu suất hệ thống 65 Tiến trình băng tần sở (baseband) tiến trình tính tốn trọng số phức tạp dựa code nhằm tiền mã hóa tín hiệu trƣớc chuyển tới phần tử ăng-ten Baseband sử dụng tín hiệu tham chiếu, đặc biệt CSI-RS để tính tốn trọng số phục vụ việc thiết lập quản lý truyền tin TP ngƣời dùng Bên cạnh CSI cịn đƣợc sử dụng kỹ thuật phối hợp CoMP TP cell, tối ƣu hóa lực hoạt động hệ thống 5G đa bào Mô hệ thống Luận văn mơ ngun lý hình thành búp sóng ảnh hƣởng số lƣợng - pha ăng-ten lên dạng búp sóng đƣợc hình thành, qua dễ dàng hình dung cách búp sóng đƣợc điều hƣớng Tiếp đó, luận văn trình bày mơ hệ thống MIMO-OFDM sử dụng thuật toán đuổi khớp trực giao (OMP) cho hệ thống ngƣời dùng kỹ thuật ghép kênh phân chia không gian chung (JSDM) cho hệ thống đa ngƣời dùng để làm bật phân vùng tiền mã hóa thành phần tƣơng tự RF băng tần sở Cuối luận văn trình bày mô so sánh hiệu phổ sử dụng kỹ thuật HBF DBF, kết cho thấy trọng số HBF đem lại hiệu suất phổ tiệm cận với trọng số tối ƣu (hay DBF) HBF sử dụng phần cứng dẫn tới tiết kiệm chi phí thiết kế tiêu thụ lƣợng B Hƣớng phát triển Luận văn nghiên cứu nguyên lý vận hành kỹ thuật định dạng búp sóng lai hệ thống 5G phổ tần mm-wave miền tƣơng tự băng tần sở Theo nhận định chủ quan tác giả, luận văn phát triển nghiên cứu thêm theo định hƣớng:  Nghiên cứu đề xuất liên kết multi-panel: phối hợp mảng ăng-ten gắn nhiều panel mang lại khả tùy chỉnh định cỡ hệ thống thiết thực  Nghiên cứu kịch phối hợp CoMP định dạng búp sóng lai: dựa hƣớng tiếp cận khác tìm kịch phối hợp trạm phát sóng TP cell (môi trƣờng đa bào) 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ericsson, “Ericsson Mobility Report November 2021”, Mobile data traffic outlook, URL: https://www.ericsson.com/en/reports-andpapers/mobility -report/dataforecasts/mobile-traffic-forecast, may 2021 [2] Huawei, “5G : A Technology Vision,” Huawei, White Pap., pp 1–16, 2014 [3] E Hossain, M Rasti, H Tabassum, and A Abdelnasser, “Evolution toward 5G multi-tier cellular wireless networks: An interference management perspective,” IEEE Wirel Commun., vol 21, no 3, pp 118–127, jun 2014 [Online] Available: http://ieeexplore.ieee.org/ stamp/stamp.jsp?tp={\&}arnumber=6845056 [4] W Haerick and M Gupta, “5G and the Factories of the Future,” White Pap., pp 1–31, 2015 [Online] Available: https://5g-ppp.eu/wpcontent/uploads/2014/02/ 5G-PPP-White-Paper-on-Factories-of-theFuture-Vertical-Sector.pdf [5] L Ericsson, “More than 50 billion connected devices,” White Paper, 2011 [6] “Incorporated,” The 1000x data Challenge, 2013 [7] Y Chen, S Zhang, S Xu, H T Co, and W H Y G R E Volution, “Fundamental Trade-offs on Green Wireless Networks,” IEEE Commun Mag., vol 49, no 6, pp 30–37, 2011 [8] J G Andrews, S Buzzi, W Choi, S V Hanly, A Lozano, A C Soong, and J C Zhang, “What will 5g be?” IEEE Journal on selected areas in communications, vol 32, no 6, pp 1065–1082, 2014 [9] B Bangerter, S Talwar, R Arefi, and K Stewart, “Networks and devices for the 5g era,” IEEE Communications Magazine, vol 52, no 2, pp 90–96, 2014 [10] A F Molisch, V V Ratnam, S Han, Z Li, S L H Nguyen, L Li, and K Haneda, “Hybrid beamforming for massive mimo: A survey,” IEEE Communications Magazine, vol 55, no 9, pp 134–141, 2017 [11] E G Larsson, O Edfors, F Tufvesson, and T L Marzetta, “Massive mimo for next generation wireless systems,” IEEE communications magazine, vol 52, no 2, pp 186–195, 2014 [12] R W H Jr, N González-prelcic, S Rangan, W Roh, and A M Sayeed, “An overview of signal processing techniques for millimeter wave MIMO systems,” IEEE J Sel Top Signal Process., vol 10, no 3, pp 436–453, apr 2016 [13] A L Swindlehurst, E Ayanoglu, P Heydari, and F Capolino, “Millimeter-wave massive MIMO: the next wireless revolution?” IEEE Commun Mag., vol 52, no 9, pp 56–62, sep 2014 67 [14] S Biswas, S Vuppala, and J Xue, “On the performance of relay aided millimeter wave networks,” IEEE J Sel Top Signal Process., vol 10, no 3, pp 576–588, apr 2016.E G Larsson, O Edfors, F Tufvesson, and T L Marzetta, “Massive MIMO for next generation wireless systems,” IEEE Commun Mag., vol 52, no 2, pp 186–195, feb 2014.Ö T Demir and T E Tuncer, “Hybrid Beamforming two Bit RF Phase Shifters in Single Group Multicasting,” in Proc IEEE Int Conf Acoust Speech Signal Process., Ankara, Turkey, 2016, pp 3271–3275 [15] G Wang and G Ascheid, “Hybrid Beamforming under Equal Gain Constraint for Maximizing Sum Rate at 60 GHz,” in Proc IEEE 81st Veh Technol Conf (VTC Spring), Glasgow, UK, 2015, pp 1–5 [16] O T Demir and T E Tuncer, “Ăng-ten Selection and Hybrid Beamforming for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer in Multi-Group Multicasting Systems,” IEEE Trans Wirel Commun., vol 15, no 10, pp 6948–6962, 2016 [17] K.-N Hsu, C.-H Wang, Y.-Y Lee, and Y.-H Huang, “Low complexity hybrid beamforming and precoding for 2D planar ăng-ten array mmwave systems,” in 2015 IEEE Work Signal Process Syst IEEE, oct 2015, pp 1–6 [Online] [18] R Méndez-Rial, C Rusu, A Alkhateeb, N González-Prelcic, andR W Heath, “Channel estimation and hybrid combining for mm-wave: phase shifters or switches?” in Proc Inf Theory Appl Work (ITA), 2015, San Diego, CA, 2015, pp 90–97 [19] N Song, T Yang, and H S Member, “Overlapped Sub-Array based Hybrid Beamforming for Millimeter Wave Multi-User Massive MIMO,” IEEE Signal Process Lett., vol 24, no 5, pp 1–5, 2017 [20] R Méndez-Rial, C Rusu, N González-Prelcic, A Alkhateeb and R W Heath, "Hybrid MIMO Architectures for Millimeter Wave Communications: Phase Shifters or Switches?," in IEEE Access, vol 4, pp 247-267, 2016, doi: 10.1109/ACCESS.2015.2514261 [21] “3GPP TS 38.214 v15.5.0 : NR; Physical layer procedures for data” In: ().URL:https://www.etsi.org/deliver/etsi_ts/138200_138299/138214/15 05.00_60/ts_138214v150500p.pdf [22] 3GPP, “Coordinated multi-point operation for LTE physical layer aspects,” 3rd Generation Partnership Project (3GPP), TR 36.819 V11.2.0, Sep 2013 [23] D Lee et al., “Coordinated multipoint transmission and reception in LTE-advanced: deployment scenarios and operational challenges,” IEEE Communications Magazine, vol 50, no 2, pp 148–155, Feb 2012 [24] S Schwarz and M Rupp, “Exploring coordinated multipoint beamforming strategies for 5G cellular,” IEEE Access, vol 2, pp 930– 946, 2014 68 [25] M Sadek et al., “A leakage-based precoding scheme for downlink multiuser MIMO channels,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 6, no 5, pp 1711–1721, May 2007 [26] H J Yang et al., “Opportunistic downlink interference alignment for multi-cell MIMO networks,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 16, no 3, pp 1533–1548, Mar 2017 [27] D Maamari et al., “Coverage in mm-wave cellular networks with base station co-operation,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 15, no 4, pp 2981–2994, Apr 2016 [28] N A Muhammad et al., “Multi-cell coordination via disjoint clustering in dense millimeter wave cellular networks,” in 2017 IEEE International Conference on Communications (ICC), May 2017, pp 1–6 [29] G Zhu et al., “Hybrid beamforming via the kronecker decomposition for the millimeter-wave massive MIMO systems,” IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol 35, no 9, pp 2097–2114, Sep 2017 [30] T S Rappaport, R W Heath, Jr., R C Daniels, and J N Murdock, Millimeter Wave Wireless Communications Pearson/Prentice Hall 2015 [31] 3GPP, “Study on channel model for frequencies from 0.5 to 100 GHz,” 3rd Generation Partnership Project (3GPP), TR 38.901 V14.3.0, Dec 2017 [32] S Sun et al., “A novel millimeter-wave channel simulator and applications for 5G wireless communications,” in IEEE [33] N Song et al., “Coordinated hybrid beamforming for millimeter wave multi-user massive MIMO systems,” in 2016 IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), Dec 2016, pp 1–6 [34] O E Ayach et al., “Spatially sparse precoding in millimeter wave MIMO systems,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 13, no 3,pp 1499–1513, Mar 2014 [35] R Guo, Y Cai, M Zhao, Q Shi, B Champagne, and L Hanzo, “Joint design of beam selection and precoding matrices for mm-wave MUMIMO systems relying on lens ăng-tenna arrays,” IEEE J Sel Top Signal Process., vol 12, no 2, pp 313–325, 2018 [36] S Han, I Chih-Lin, Z Xu, and C Rowell, “Large-scale ăng-tenna systems with hybrid analog and digital beamforming for millimeter wave 5G,” IEEE Commun Mag., vol 53, no 1, pp 186–194, 2015 [37] M A B Abbasi, V F Fusco, and M Matthaiou, “Millimeter wave hybrid beamforming with Rotman lens: Performance with hardware 69 imperfections,” in 2019 16th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS), 2019, pp 203–207 [38] M A B Abbasi, H Tataria, V F Fusco, M Matthaiou, and G C Alexandropoulos, “Aggressive RF circuit reduction techniques in millimeter wave cellular systems,” in 2019 16th International Symposium on Wireless Communication Systems (ISWCS), 2019, pp 500504 [39] S Parkvall, A Furuskaăr, and E Dahlman, “Evolution of LTE toward IMTadvanced,” IEEE Commun Mag., vol 49, no 2, pp 84–91, 2011 [40] M.-Y Huang, T Chi, F Wang, T.-W Li, and H Wang, “A full-FoV autonomous hybrid beamformer array with unknown blockers rejection and signals tracking for low-latency 5G mm-Wave links,” IEEE Trans Microw Theory Tech., 2019 [41] M Rebato, J Park, P Popovski, E De Carvalho, and M Zorzi, “Stochastic geometric coverage analysis in mm-wave cellular networks with realistic channel and ăng-tenna radiation models,” IEEE Trans Commun., vol 67, no 5, pp 3736–3752, 2019 [42] C.-W Weng, B P S Sahoo, H.-Y Wei, and C.-H Yu, “Directional reference signal design for 5G millimeter wave cellular systems,” IEEE Trans Veh Technol., vol 67, no 11, pp 10740–10751, 2018 [43] V Raghavan et al., “Millimeter-wave MIMO prototype: Measurements and experimental results,” IEEE Commun Mag., vol 56, no 1, pp 202– 209, 2018 [44] T E Bogale, L B Le, A Haghighat and L Vandendorpe, "On the Number of RF Chains and Phase Shifters, and Scheduling Design With Hybrid Analog–Digital Beamforming," in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 15, no 5, pp 3311-3326, May 2016, doi: 10.1109/TWC.2016.2519883 [45] C J Ruth Mary Pramila Paul Sudhakar, “MIMO Beamforming Using PMI Type II Precoding,” Dissertation, 2021 70 ... GIẢI PHÁP ĐỊNH DẠNG BÚP SÓNG LAI CHO HỆ THỐNG 5G MM- Wave 14 1.1 Định dạng búp sóng hệ thống MIMO mm- wave 15 1.1.1 Tính khả dụng phổ tần mm- wave 15 1.1.2 Vai trò hệ thống MIMO... ích định dạng búp sóng 19 1.2 Các kỹ thuật định dạng búp sóng 20 1.2.1 Định dạng búp sóng kỹ thuật số 20 1.2.2 Định dạng sóng tƣơng tự 21 1.2.3 Định dạng búp sóng. .. nghiên cứu tổng quát kỹ thuật định dạng búp sóng lai hệ thống 5G phổ tần mm- wave sở nghiên cứu kết hợp định dạng búp sóng miền tƣơng tự băng tần sở, qua mơ hệ thống phần mềm Matlab Nhiệm vụ luận