ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH VIỄN THÔNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH VIỄN THÔNG Đề tài Tìm hiểu Beamforming trong việc nâng cao thông lượng của mạng tế bào Sinh vi.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG - - ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH VIỄN THƠNG Đề tài: Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào Sinh viên thực : Nguyễn Quang Sao Lớp : 18DT1 Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Thị Hồng Yến - Đà Nẵng, 6/2022 MỤC LỤC Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ Hình 1.1 Một mạng thơng tin tế bào Hình 1.2 Mơ hình mạng khơng đồng Hình 1.3 Mơ hình hóa thơng lượng vùng dạng hình hộp chữ nhật Hình 1.4 Lựa chọn mơ hình để đạt gấp 1000 thơng lượng vùng Hình 1.5 Minh họa tín hiệu UL mong muốn nhiễu mạng di động có cell Hình 1.6 Đồ thị biểu diễn SE trung bình theo SNR với khác cho trường hợp truyền thẳng (LoS) không truyền thẳng(NloS) Hình 1.7 Mơ hình hệ thống MIMO với Nt anten phát Nr anten thu Hình 1.8 Mơ tả phát triển số lượng anten MIMO Hình 2.1 So sánh mảng thông thường với mảng sử dụng beamforming Hình 2.2 Mảng tuyến tính cách Hình 2.3 Đồ thị búp sóng mảng tuyến tính phần tử Hình 2.4 Bộ tạo búp sóng RF beamforming tương tự Hình 2.5 Mảng anten microstrip phần tử Hình 2.6 Ma trận Butler 4x4 lai dùng ma trận Hình 2.7 Analog Beamforming Hình 2.8 Digital Beamforming Hình 2.9 Hybrid Beamforming Hình 2.10 Cấu trúc hệ thống Hybrid Beamforming Hình 3.1 Kết khảo sát thay đổi số lượng anten mảng pha Hình 3.2 Hiển thị kết mô trường hợp NoOfAntenna= Hình 3.3 Phương truyền búp sóng thay đổi theo góc phương vị Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào Hình 3.4 Kết biểu diễn kết trưởng hợp = 30, x= 30 Hình 3.5 Kết biểu diễn kết trưởng hợp = 30, x= 10 Bảng 3.1 Các thông số mô anten mảng tăng số lượng antnen Bảng 3.2 Các thông số mô khảo sát thay đổi góc phương vị LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, nhờ phát triển vượt bậc khoa học công – nghệ nên nhu cầu sử dụng thơng tin vơ tuyến nói chung thơng tin di động nói riêng thu hút nhiều quan tâm, nghiên cứu nhằm phát triển mạng thông tin di động có vùng phủ sóng rộng hơn, đáp ứng nhu cầu nhiều thuê bao hơn, truyền liệu với tốc độ cao đáng tin cậy hơn.Mạng thông tin tế bào xem giải pháp đáp ứng tương đối nhu cầu nói Trong mạng thơng tin tế bào với gia tăng nhanh chóng dịch vụ liên lạc cá nhân thúc hướng nghiên cứu phải có giải pháp nâng cao thông lượng mạng tế bào Và phương pháp sử dụng phổ biến nâng cao hiệu suất phổ mạng việc thay đổi hiệu suất phổ thực không phức tạp, tốn mang lại hiệu đáng kể so với giải pháp phân bổ thêm băng thơng ( sử dụng sóng mmWWave) tăng mật độ mạng ( tăng trạm phát tế bào) Beamforming công nghệ đắc lực, ứng dụng phổ biến vào việc nâng cao hiệu suất phổ nhờ việc phân bổ định hướng búp sóng ( phổ ) tín hiệu phát mà tiết kiệm tài nguyên tần số công suất Và hứa hẹn phát triển thêm để sẵn sàng ứng dụng mạng thơng tin di động 5G Vì yêu cầu mà Đồ án Chuyên Ngành Viễn Thông em giới thiệu mạng thông tin tế bào, cách nâng cao hiệu suất phổ tìm hiểu công nghệ Beamforming Đồ án Chuyên Ngành Viễn Thơng em hồn thành thời gian quy định với giúp đỡ tận tình Nguyễn Thị Hồng Yến.Với lực thời gian hạn chế nên đồ án tránh khỏi sai sót Em kính mong nhận bảo, góp ý chân thành Thầy, Cô giáo Báo cáo đồ án gồm chương: Chương 1: Mạng tế bào phương pháp nâng cao thông lượng mạng tế bào Chương 2: Tìm hiểu Beamforming Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thơng lượng mạng tế bào Chương 3: Mơ tính định hướng Beamforming Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào Chương I MẠNG TẾ BÀO VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO THÔNG LƯỢNG TRONG MẠNG TẾ BÀO 1.1 Giới thiệu chương Ngày nay, dịch vụ không dây lĩnh vực truyền thông phát triển vô mạnh mẽ Trên giới Việt Nam, số lượng thiết bị không dây sử dụng khai thác nguồn tài nguyên mạng tăng lên nhanh chóng nên với gia tăng số lượng, nhà nghiên cứu tìm thuật toán, giải pháp tối ưu để sử dụng nguồn tài nguyên hiệu nhất.Trong việc sử dụng mạng thông tin tế bào (Cellular Networks) giải pháp áp dụng rộng rãi Bởi phổ vơ tuyến nguồn tài ngun có giới hạn nên để quản lý số lượng lớn thiết bị (user) diện tích lớn với tài nguyên phổ có giới hạn ta phải chia nhỏ diện tích thành tế bào - cell để tái sử dụng tần số Chương I cung cấp khái niệm mạng thông tin tế bào, nhu cầu gia tăng thông lượng mạng tế bào cách nâng cao thông lượng mạng tế bào Bên cạnh nêu hiệu băng thông phương pháp nâng cao hiệu băng thông mạng thông tin tế bào số công nghệ ứng dụng việc tăng hiệu mạng 1.2 Khái niệm mạng thông tin tế bào Truyền thông không dây dựa sóng vơ tuyến hay sóng điện tử (EM), thiết kế để truyền thông tin từ máy phát đến nhiều máy thu Vì sóng điện từ EM phát từ máy phát lan truyền theo tất hướng, lượng tín hiệu lan truyền ngồi lượng đến máy thu đặc biệt khoảng cách tăng Để cung cấp dịch vụ không dây với mức lượng tín hiệu đủ lớn khu vực phủ sóng rộng, nhà nghiên cứu Bell Labs đưa ý tưởng cần có cấu trúc liên kết mạng di động với vào năm 1947 Theo ý tưởng này, vùng phủ sóng chia thành ô hoạt động riêng lẻ cách sử dụng trạm gốc cố định có kết nối khơng dây với thiết bị mạng Khái niệm tế bào- Cell nghiên cứu phát triển thập kỷ sau triển khai rộng rãi thực tế Nó trở thành bước đột phá lớn động lực để cung cấp vận hành dịch vụ khơng dây vịng 40 năm qua Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào Định nghĩa mạng thông tin tế bào (Cellcular Network): mạng thông tin tế bào bao gồm tập hợp trạm gốc ( BSs – Base Stations) tập hợp thiết bị người dùng ( UEs – User Equipments) Mỗi UE kết nối với BS để sử dụng dịch vụ nghĩa UE sử dụng kênh vô tuyến riêng biệt tạm thời để liên lạc với BS cell Để cho phép chuyển giao hiệu cell, UE kết nối giây lát với nhiều BS Đường xuống (DL - DownLink) đề cập đến tín hiệu gửi từ BS đến UE tương ứng chúng, đường lên (UL - UpLink) đề cập đến việc truyền từ UE tới BS tương ứng chúng Hình 1.1 Một mạng thơng tin tế bào Hình 1.1 thể Cellular Network , BS bao phủ khu vực địa lý riêng biệt cung cấp dịch vụ cho tất UE Khu vực gọi “cell” (hay “ô”) minh họa màu riêng biệt Một cell bao gồm tất vị trí địa lý nơi BS cung cấp tín hiệu DL mạnh Xét mặt liên kết giao tiếp khơng dây BS UE số nhánh công nghệ không dây sử dụng chẳng hạn họ IEEE 802.11 cho mạng cục không dây Wifi , dự án đối tác hệ thứ (3rd Generation Partnership Project – 3GPP) với tiêu chuẩn GSM/UMTS/LTE cho truyền thông di động, 3GPP2 cạnh tranh với công nghệ IS- 95/CDMA 2000/EV –DO Một số tiêu chuẩn họ phát triển nhau, tối ưu hóa cho trường hợp sử dụng, tiêu chuẩn khác thiết kế cho trường hợp sử dụng khác Chúng tạo thành mạng không đồng bao gồm hai cấp chính: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào • Cấp độ phủ sóng: Bao gồm BS di động trời cung cấp phạm vi phủ sóng • diện rộng, hỗ trợ tính di động chia sẻ nhiều UE; Cấp điểm phát sóng: Bao gồm (chủ yếu) BS nhà cung cấp thông lượng cao khu vực cục nhỏ cho số UE Thuật ngữ “không đông nhất” ngụ ý hai cấp tồn khu vực Đặc biệt, BS điểm phát sóng triển khai để tạo nhỏ (SC- Small Cell) vùng phủ sóng BS di động Hình 1.2 Mơ hình mạng khơng đồng Các mạng khơng dây khơng đồng cấp SC triển khai để giảm tải lưu lượng từ cấp phủ sóng Các BS lớp phủ sóng lớp điểm phát sóng mơ tả khác nhau, thể hình Để cải thiện thơng lượng vùng lớp phủ sóng, điều đặc biệt quan trọng phải tăng SE, mật độ dày đặc việc sử dụng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào băng thông bổ sung tần số cao làm giảm khả hỗ trợ di động vùng phủ sóng Mạng di động ban đầu thiết kế cho truyền thông thoại không dây, truyền liệu không dây ngày chiếm ưu hơn.Video theo yêu cầu chiếm phần lớn lưu lượng truy cập mạng không dây động lực gia tăng lưu lượng dự đoán Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào 1.3 Nhu cầu tăng thơng lượng nhanh chóng mạng tế bào Những năm 1990 coi thập kỷ viễn thông không dây Sự phát triển viễn thông từ điện thoại có dây đến dịch vụ liên lạc cá nhân (PCS),dần dẫn đến phổ biến dịch vụ không dây, mà trước coi khơng thực tế Việc cung cấp loại hình dịch vụ không dây khác thông tin liên lạc cố định, di động, thông tin vi ba, thông tin vệ tinh… giúp ngành truyền thơng khơng dây có phát triển bùng nổ Cùng với phát triển công nghệ, số lượng thiết bị truy cập mạng thơng tin khơng dây tăng lên nhanh chóng gia tăng đòi hỏi dung lượng ngày tăng cho hệ thông thông tin di động Ngành công nghiệp truyền thông di động giai đoạn phát triển loại hình dịch vụ truyền thơng xuất nhanh chóng trở thành động lực cho xu hướng sống, PCS (Personal Communications Services).Có thể hiểu hệ công nghệ di động không dây kết hợp loạt dịch vụ vượt trội hay biết với tên gọi di động kỹ thuật số.Thông qua việc sử dụng hệ thống thông tin liên lạc kỹ thuật số, người dùng nơi giới truy cập thơng tin liên lạc thoại liệu thơng qua mạng tồn cầu di chuyển máy bay, tàu hỏa, tàu thủy… Các dịch vụ cung cấp PCS không dây ngày vượt xa với hệ thống di động PCS bao gồm hệ thống mạng vô tuyến mở rộng mang thoại liệu Và cuối PSC mạng khơng dây tồn cầu xác định người dùng khắp nơi giới.Vì PSC cung cấp loại hình dịch vụ truyền thơng có tính lan tỏa đồng thời thông tin mà chúng truyền bao gồm nhiều loại hình khác liệu, giọng nói, video… nên địi hỏi mức dung lượng hệ thống cao nhiều so với hệ thống di động khác để giảm thời gian trễ truyền tin tăng đáng kể tốc độ bit Các vệ tinh đóng vai trị quan trọng việc thực sứ mệnh Nhờ vào vệ tinh mà dịch vụ cung cấp cho người dùng vùng nông thôn, vùng sâu vùng xa vùng năm ngồi phạm vi phủ sóng hệ thống viễn thông mặt đất PCS hứa hẹn đem lại nhiều dịch vụ thông tin thoại liệu tạo nhu cầu ngày tăng vệ tinh thông tin liên lạc có dung lượng cao 1.4 Các cách nâng cao thông lượng mạng tế bào Thông lượng vùng đại lượng có liên quan cao đến số mạng di động đương đại tương lai, đo đơn vị bit/s/km2 tính công thức Thông lượng vùng [bit/s/km2] = B.D.SE (1.1) Trong đó: B băng thơng, đơn vị Hz Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thơng lượng mạng tế bào D mật độ cell trung bình [ cell/ km2] SE hiệu suất phổ cell [bit/s/Hz/cell]: lượng thơng tin truyền giây HZ băng thông Để tiện cho việc tính tốn xem xét coi thơng lượng vùng thể tích hình hộp chữ nhật có cạnh B, D SE Hình 1.3 Mơ hình hóa thơng lượng vùng dạng hình hộp chữ nhật Có ba cách để cải thiện thông lượng vùng mạng di động: Phân bổ thêm băng thông Tăng mật độ mạng cách triển khai thêm BS Cải thiện SE cell Giả sử, ta muốn thiết kế mạng di động có thơng lượng vùng gấp 1000 lần so với mạng có Giải pháp tiềm tăng băng thông B lên 1000 lần Các mạng di động sử dụng chung 1GHz băng thơng dải tần từ 6GHz Ví dụ nhà khai thác viễn thơng Thụy Điển có giấy phép cho 1GHz phổ, số tương ứng Hoa Kỳ 650Mhz Thêm 500MHz phổ sẵn có cho Wifi Điều có nghĩa mức tăng băng thông 1000 lần tương ứng với việc sử dụng nhiều 1THz băng thông Điều khơng thực tế mặt vật lý phổ tần số tài ngun tồn cầu, có giới hạn, chia sẻ nhiều dịch vụ khác Và địi hỏi phải sử dụng dải tần số cao nhiều so với trước đây, điều làm hạn chế phạm vi độ tin cậy dịch vụ Tuy nhiên có băng thơng đáng kể dải bước sóng milimet (mmWave) dải 30-300GHz sử dụng cho Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 10 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thơng lượng mạng tế bào Hình 2.6 Ma trận Butler 4x4 lai dùng ma trận Trong thông tin di dộng ngày ứng dụng ưu nhược điểm Analog Beamforming trình bày đơn giản sau: Một băng tần RF chia thành nhiều đường dẫn cho nhiều anten phần tử, trước anten phần tử có phận điều chỉnh pha biên độ, anten phần tử phát tín hiệu băng tần kênh RF khác pha để có giao thoa tín hiệu từ định hướng chùm tia chính.Vì dùng cho băng tần RF định hệ thống linh hoạt, khó cấu hình lại cho yêu cầu khác nhau, không phù hợp với môi trường nhiều người dùng Đồng thời tạo chùm tia thời điểm nên làm lợi ích việc ghép kênh khơng gian Nhưng bù lại sử dụng công suất thấp so với Digital Beamforming Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 23 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thơng lượng mạng tế bào Hình 2.7 Analog Beamforming 2.4 Beamforming số (Digital Beamforming) Các ý tưởng để tạo tảng beamforming số phát triển người làm việc hệ thống sonar radar DBF kết hợp kỹ thuật anten kỹ thuật số Anten xem thiết bị chuyển đổi tín hiệu khơng gian thời gian thành tín hiệu thời gian, tạo thích nghi biến đổi lớn kỹ thuật xử lý tín hiệu Bằng cách này, tất thơng tin mong muốn mang tín hiệu trích Anten tối ưu loại sử dụng q trình chuyển đổi tín hiệu đến bề mặt mà khơng cần đưa méo tín hiệu Chính anten beamforming số phải xem anten tối ưu Ưu điểm beamforming số phụ thuộc vào thực tế thông tin RF tạo dạng luồng số, phương pháp xóa bỏ ứng dụng vơ số kỹ thuật thuật tốn xử lý tín hiệu số cho liệu miền khơng gian Beamforming số dựa trình chuyển đổi tín hiệu RF phần tử anten luồng tín hiệu băng gốc nhị phân thể kênh I Q Các tín hiệu băng gốc số biểu diễn biên độ pha tín hiệu thu phần tử mảng Quá trình beamforming thực đánh trọng số tín hiệu số này, điều chỉnh biên độ pha cho thêm đồng thời chúng tạo búp sóng mong muốn Búp sóng định hệ số mảng tạo miền số Không môi trường vật lý trực tiếp trường hợp beamforming tương tự Hiệu trình thực thi đường truyền bit thật beamforming tương tự Chìa khóa cơng nghệ chuyển đổi xác tín hiệu tương tự thành chế độ số Điều thực cách sử dụng thu tạo phách hồn chỉnh phải gần tương thích biên độ pha Sự tương thích khơng cần dùng cách tạo điều chỉnh phần cứng, thay áp dụng trình lấy chuẩn điều chỉnh giá trị luồng liệu theo beamforming Quá trình lấy Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 24 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào chuẩn tạo phần mềm Các thu yêu cầu để thực chuyển đổi xuống tần số, lọc khuếch đại mức công suất tương ứng với yêu cầu đầu vào ADC Để lấy chuẩn thực sử dụng phần mềm Hy vọng nhiều chức thu thực sử dụng phần mềm Thậm chí cịn hy vọng thu xây dựng sử dụng phần mềm thay phần cứng Ưu điểm thu từ beamforming số thêm vào đáng kể linh hoạt mà khơng có giảm kéo theo SNR Trong nhiều phương pháp, xem xét anten bản, tất thơng tin đến bề mặt anten tạo luồng số Tất thông tin dùng để xử lý tạo búp sóng Có nhiều cấu hình khả thi để thực thi trình xử lý số Các hướng dẫn beamforming điều chỉnh phần mềm để tạo dạng búp sóng khác búp sóng scan, đa búp sóng, búp sóng định dạng, búp sóng vơ hướng Hình 2.8 Digital Beamforming 2.5 Beamforming Lai ( Hybrid Beamforming) Hybrid Beamforming: kết hợp Analog Beamforming với Digital Beamforming Hiểu cách đơn giản ứng dụng Digital Beaamforming để điều khiển loạt kênh RF kênh RF ứng dụng Analog Beamforming để điều chỉnh anten phần tử mảng sau mảng kết hợp với tạo chùm tia có tính định hướng cao đảo bảo yêu cầu công suất tiêu thụ thấp Đáp ứng tính linh hoạt cân chi phí Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 25 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thơng lượng mạng tế bào Hình 2.9 Hybrid Beamforming Đặc điểm Hybrid Beamforming: mục tiêu thiết kế Hybrid Beamforming hay định dạng chùm tia lai kiến trúc phân vùng hợp lý miền RF miền kỹ thuật số, thiết kế bao gồm trọng số tiền mã hóa dịch pha RF cần thiết để đáp ứng mục tiêu cải thiện kết nối không dây trạm gốc thiết bị người dùng Về Hybrid Beamforming thiết kế cách kết hợp nhiều phần tử mảng thành module mảng Một mảng anten lại bao gồm nhiều module truyền nhận (T/R) Có thể chọn số lượng phẩn tử vị trí mảng để đảm bảo đáp ứng hiệu suất cấp hệ thống nhiều góc lái Sử dụng chuỗi tín hiệu truyền làm ví dụ ta có phần tử mảng có chuyển pha áp dụng trực tiếp miền RF, kỹ thuật định dạng chùm kỹ thuật số dựa vectơ trọng số phức tạp áp dụng tín hiệu cấp cho mảng Định dạng chùm tia kỹ thuật số cho phép điều khiển tín hiệu cho biên độ pha tín hiệu tổng hợp mức mảng Vì lý chi phí độ phức tạp, điều khiển RF thường bị giới hạn việc áp dụng dịch pha cho phần tử Hình 2.10 Cấu trúc hệ thống Hybrid Beamforming Trong FRF tiền mã hóa tương tự với kích thước NT x Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 26 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào FBB tiền mã hóa số với kích thước x NS WRF ghép tương tự với kích thước NR x WBB ghép số với kích thước x NS NS số luồng tín hiệu NT số anten phát Tx NR số anten thu Rx H kênh truyền MIMO với kích thước NT x NR số lượng Rx kênh RF số lượng Tx kênh RF 2.6 Lợi ích Beamforming Nâng cao hiệu lượng hệ thống Massive MIMO: hệ thống Massive MIMO hỗ trợ Beamforming thay sử dụng hàng loạt hàng nghìn anten tính tốn để sử dụng số lượng anten tối ưu để đáp ứng nhu cầu truyền tin, từ tạo hệ thống Massive MIMO tiết kiệm lượng Cải thiện hiệu suất phổ SE: tạo chùm tia giúp ta kiểm sốt cơng suất tín hiệu đường lên đường xuống dựa vào việc tăng giảm công suất truyền anten thành phần, từ góp phần tăng hiệu suất phổ Tăng cường bảo mật hệ thống: Beamforming hướng tín hiệu phía thu cách có chủ đích thu mà chùm tia hướng tới bên khơi phục tín hiệu mong muốn từ phía phát 2.7 Kết luận chương Chương cho ta nhìn tổng quan đơn giản cơng nghệ Beamforming, cách thức hoạt động làm quen với loại Beamforming khác nhau.Với ưu điểm Beamforming ứng dụng rộng rãi hệ thống thông tin vô tuyến Ngày thiết bị Wifi chuẩn 802.11ac ứng dụng Beamforming để có đường truyền dẫn tối ưu cho thiết bị đồng thời 5G NR với việc sử dụng số lượng Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 27 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào anten lớn nên Beamforming trở thành khái niệm thiếu nhắc đến Masssive MIMO, 5G NR CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT TÍNH ĐỊNH HƯỚNG CỦA BÚP SĨNG CHÍNH TRONG BEAMFORMING 3.1 Giới thiệu chương Từ tìm hiểu nêu trên, chương tiến hành mô phần mềm Matlab tính định hướng búp sóng beamforming cho thấy phương truyền búp sóng thay đổi theo góc pha 3.2 Mơ anten mảng tăng số lượng anten Các thông số mơ Giá trị Tần số sóng mang fc 26GHz Bước sóng λ 86.666 m Góc pha [0;0] (0 độ) Khoảng cách antnen: d λ/2 Bảng 3.1 Các thông số mô anten mảng tăng số lượng antnen Số lượng anten NoOfTxAntenna thay đổi để khảo sát Kết thu được: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 28 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào a) b) c) d) Hình 3.1 Kết khảo sát thay đổi số lượng anten mảng pha a) NoOfTxAntenna = b) NoOfTxAntenna=4 c) NoOfTxAntenna = d) NoOfTxAntenna =16 Nhận xét: Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 29 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào Từ kết mô ta thấy việc chọn góc pha ( góc phương vị ) anten độ tương ứng với việc chọn α = với = độ nên α = theo cơng thức (2.5) ta có F(θ)= A1 + A2 + A3… Với trọng số Vk trích biến wt mơ Hình 3.2 Hiển thị kết mô trường hợp NoOfAntenna= Ta thấy Vk = nên có độ lớn biên độ F(θ) trường hợp 2, 4, 16 (đơn vị) theo công thức (2.5) Vậy tăng lên số lượng anten biên độ búp sóng tăng dần lớn nhiều so với búp sóng phụ đồng thời độ rộng búp sóng giảm dần cho thấy tính định hướng cao búp sóng Ngun nhân anten phần tử điều chỉnh cho pha hướng góc phương vị định tín hiệu tăng cường giao thoa biên độ pha anten phần tử Mơ đóng với lý thuyết nêu phần 2.2.1 3.3 Mơ thay đổi phương truyền sóng búp sóng thay đổi góc pha Các thơng số mơ Giá trị Tần số sóng mang fc 26GHz Bước sóng λ 86.666 m Số lượng anten Khoảng cách antnen: d λ/2 Bảng 3.2 Các thơng số mơ khảo sát thay đổi góc phương vị Góc phương vị thay đổi để khảo sát (txang) Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 30 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào Kết thu a) c) Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao b) d) Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 31 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thơng lượng mạng tế bào e) Hình 3.3 Phương truyền búp sóng thay đổi theo góc phương vị a)00 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao b) -300 c) 300 d) 100 e) -100 Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 32 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thơng lượng mạng tế bào Nhận xét: Xét trường hợp chọn góc phương vị 300 số anten thành phần Theo cơng thức (2.5) ta có F( = = = Đáp ứng lớn F( thu góc θ0 =30 α = - = - với giá trị F( = Hình 3.4 Kết biểu diễn kết trưởng hợp = 30, x= 30 Giả sử trường hợp α = - với x khác 30 độ (giả sử α = - ) ta có giá trị F( = 1.8 Hình 3.5 Kết biểu diễn kết trưởng hợp = 30, x= 10 Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 33 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào Ta thấy giá trị F(θ) nhỏ nhiều chưa phải hướng búp sóng ta cần hướng tới Việc thay đổi góc θ α thực dịch pha kỹ thuật tạo búp sóng nêu phần 2.3 2.4 Có thể giải thích tương tự với trường góc phương vị khác Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 34 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thơng lượng mạng tế bào KẾT LUẬN Trong Đồ án Chun Ngành Viễn Thơng em trình bày mạng thông tin tế bào, nhu cầu gia tăng thông lượng tế bào mạng cách để tăng thông lượng tế bào có việc cải thiện hiệu suất phổ với hỗ trợ đắc lực công nghệ Beamforming Từ đạt mục tiêu sau: • Có hiểu biết mạng thơng tin tế bào, nhu cầu thông lượng tế bào phương pháp gia tăng thơng lượng tế bào • Biết phương pháp phù hợp sử dụng phổ biến cải thiện hiệu • suất phổ cách để cải thiện hiệu suất phổ Beamforming cơng nghệ có tiềm cao đặc biệt với việc sử dụng số lượng lớn anten phát thu Massive MIMO Qua mô biết cách để điều chỉnh chùm tia beamforming hiệu chúng Những điểm em chưa làm Đồ án là: o Chưa tìm hiểu sâu loại Beamforming ứng dụng chúng thực tế o Chưa có sơ đồ khái quát hệ thống thu phát BS UE cell có ứng dụng Beamforming Để cải thiện thiếu sót báo cáo hướng phát triển đề tài là: • Tìm hiểu Hybrid Beamforming việc ứng dụng loại Beamforming vào hệ thơng thơng tin di đơng 5G • Có sơ đồ khái quát kênh truyền ứng dụng Massive MIMO Beamforming hệ thống Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 35 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thơng lượng mạng tế bào TÀI LIỆU THAM KHẢO John Litva - Digital Beamforming in Wireless Communications (Artech House Mobile Communications Series)-Artech House Publishers (1996) Emil Björnson, Jakob Hoydis, Luca Sanguinetti - Massive MIMO Networks https://www.sharetechnote.com/html/Handbook_LTE_BeamForming.html (truy cập ngày 17/6) Dr Mohamed Nadder Hamdy,PhD - COMMSCOPE’S WHITE PAPER: Beamformer Explained https://www.youtube.com/watch?v=A1n5Hhwtz78 (truy cập ngày 17/6) Mathworks – White Paper: Exploding Hybrid Beamforming Achitectures for 5G Systems Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 36 Tìm hiểu Beamforming việc nâng cao thông lượng mạng tế bào PHỤ LỤC c = 3e8; % propagation speed fc = 26e9; % carrier frequency lambda = c/fc; % wavelength NoOfTxAntenna = txarray = phased.ULA('NumElements',NoOfTxAntenna,'ElementSpacing',lambda/2); txmipos = getElementPosition(txarray)/lambda; txarraystv = phased.SteeringVector('SensorArray',txarray,'PropagationSpeed',c); txang = [0 ; 0]; wt = txarraystv(fc,txang)'; txbeam_ang = -90:90; txbeam_ang_rad = (pi*txbeam_ang)/180; txbeam = abs(wt*steervec(txmipos,txbeam_ang)); txbeam = txbeam/max(txbeam); [txbeampos_x,txbeampos_y] = pol2cart(deg2rad(txbeam_ang),txbeam); hFig = figure(1); set(hFig, 'Position', [0 800 400]); subplot(1,2,1); plot(txbeam_ang,txbeam,'r-'); xlabel('txbeam ang');ylabel('txbeam'); set(gca,'xtick',-90:15:90) xlim([txbeam_ang(1) txbeam_ang(end)]); ylim([0 1.0]); subplot(1,2,2); polarplot(txbeam_ang_rad,txbeam,'r'); set(gca,'RTickLabels',[]); Sinh viên thực hiện: Nguyễn Quang Sao Hướng dẫn: Nguyễn Thị Hồng Yến 37 ... tin di động 5G Vì yêu cầu mà Đồ án Chuyên Ngành Viễn Thông em giới thiệu mạng thông tin tế bào, cách nâng cao hiệu suất phổ tìm hiểu cơng nghệ Beamforming Đồ án Chuyên Ngành Viễn Thông em hoàn thành... Nguyễn Thị Hồng Yến.Với lực thời gian hạn chế nên đồ án khơng thể tránh khỏi sai sót Em kính mong nhận bảo, góp ý chân thành Thầy, Cô giáo Báo cáo đồ án gồm chương: Chương 1: Mạng tế bào phương pháp... chưa làm Đồ án là: o Chưa tìm hiểu sâu loại Beamforming ứng dụng chúng thực tế o Chưa có sơ đồ khái quát hệ thống thu phát BS UE cell có ứng dụng Beamforming Để cải thiện thiếu sót báo cáo hướng