NGHIÊNCỨUCHẤTLƯỢNGKÊNHTRUYỀNTRONGHỆTHỐNGUPLINKMASSIVEMIMO SVTH LƯUTHANHBÌNH GVHD PGS TSNGUYỄNLÊHÙNG 1 MỤCLỤC DANHMỤCHÌNH ẢNH 3 DANHSÁCHKÍHIỆU,VIẾTTẮT 4 CHƯƠNG1TỔNGQUANVỀHỆTHỐNGTHÔNGTINDIĐỘNG 6 1 1 Quá[.]
NGHIÊNCỨUCHẤTLƯỢNGKÊNHTRUYỀNTRONGHỆTHỐNGUPLINKMASSIVEMIMO MỤCLỤC DANHMỤCHÌNH ẢNH DANHSÁCHKÍHIỆU,VIẾTTẮT CHƯƠNG1TỔNGQUANVỀHỆTHỐNGTHÔNGTINDIĐỘNG 1.1 Qtrìnhpháttriểncủathơngtindi động .6 1.1.1 Thế hệmạngdi độngthứnhất-1G 1.1.2T h ế hệmạngdi độngthứ2–2G .7 1.1.3 Thếhệmạngdi độngthứ3–3G .8 1.1.4 Thếhệmạngdi độngthứ4–4G .10 1.1.5 Thếhệmạngdi độngthứ5–5G .11 1.2 Cáchthứchoạtđộng mạng5G 12 1.3 Cáckĩthuậtđượcsửdụngtrong 5G 13 1.3.1 Trạmphátcỡnhỏ-Small Cell .13 1.3.2 Sóngmilimet– Millimeter Wave .14 1.3.3 Kĩ thuậttạobúpsóng–Beamforming 15 1.3.4 FullDuplex 16 1.3.5 Kĩthuật MassiveMIMO 17 1.4 Nhượcđiểmvànhữngtháchthức củamạngdiđộng 5G .18 1.5 Kếtluậnchương 19 CHƯƠNG 2MASSIVEMIMO VÀMƠ HÌNHKÊNHTRUYỀNVƠTUYẾN 20 2.1 KháiniệmMassiveMIMO 20 2.2 ƯuđiểmcủaMassiveMIMO 21 2.3 CácvấnđềcủaMassiveMIMO 22 2.4 GiaothứcTDDvàFDD 24 2.4.1 GiaothứcFDD(FrequencyDivisionDuplex) .24 2.4.2 GiaothứcTDD(TimeDivisionDuplex) .25 2.5 Nguyênlíhoạtđộngcủa hệthốngMassiveMIMO 26 2.5.1 Ướclượngkênhtruyền–ChannelEstimation 26 2.5.2 Truyềntínhiệuđườnglên–UplinkTransmission 27 2.5.3 Truyềntínhiệuđườngxuống–DownlinkTransmission 28 -SVTH : LƯUTHANHBÌNH GVHD: PGS.TSNGUYỄNLÊHÙNG 2.6 KênhtruyềnFadingRicianvàkênhtruyềnFadingRayleigh 29 2.6.1 KênhtruyềnFadingRayleigh 29 2.6.2 KênhtruyềnFadingRician 31 2.7 Kếtluậnchương 33 CHƯƠNG3ĐÁNHGIÁHỆTHỐNGMASSIVEMIMO ĐƯỜNG LÊN 34 3.1 Giaothứctruyềndữ liệuđườnglên .34 3.2 ĐườnglêncủaMassiveMIMOvớikênhtruyềnRicianFading 35 3.2.1 TruyềndẫnchuỗiPilotđườnglên 35 3.2.2 Ướclượngkênhtruyền 35 3.2.3TínhtốnhiệusuấtphổvớimáythuMaximalRatio(MR) 36 3.3 ĐườnglêncủaMassiveMIMOvớikênhtruyềnRayleighFading .38 3.3.1 Truyềndẫnchuỗipilotđườnglên 38 3.3.2 Ướclượngkênhtruyền 38 3.3.3 TínhtốnhiệusuấtphổvớimáythuMaximalRatio(MR) 39 3.4 Kếtluậnchương 41 KẾTLUẬNVÀHƯỚNGPHÁTTRIỂNĐỀTÀI .42 DANHMỤCHÌNH ẢNH Hình1.1Tiến trình pháttriển cácthếhệcơngnghệdi động .6 Hình1.2Kĩthuật đatruycậpphânchiatheo tầnsố -FDMA .7 Hình1.3Kĩthuật đatruycậpphânchiatheo thờigian–TDMA Hình1.4Kĩthuật CDMAso vớiFDMAvàTDMA Hình1.5Kĩthuật đatruycậpphânchia theomã–CDMA Hình1.6Kĩthuậtđatruycậpphânchia theotầnsố trực giao– OFDM 10 Hình1.7Đaứngdụngcủa mạngdi động5G 11 Hình1.8Tốcđộ mạng5G so với 4G và3G 12 Hình 1.9Cơsở hạtầngvàphươngthức hoạt độngcủamạngdidộng 13 Hình 1.10KĩthuậtSmall Cell trongmạngdi động 14 Hình 1.11SóngMilimet trongdảisiêucaotần .15 Hình 1.12Kĩthuật Beamformingvàứngdụngtrongmạngdi động 15 Hình1.13Mơ tảHalf-duplex vàFull-duplex .16 Hình 1.14Kĩthuật Massive MIMOtrongmạngdiđộng 17 Hình 2.1MassiveMIMO trongmạngthơngtin di động 20 Hình2.2Kĩthuậtđa truycậpphânchia theokhơnggianSDMA 21 Hình2.3Hệthốngmulti-cellmulti-user trongMassiveMIMO .22 Hình 2.4CấutrúctruyềntrongFDD .24 Hình 2.5Cấu trúctruyềntrongTDD 25 Hình2.6Giao thứcFDDvàTDD trongmạngdi động 25 Hình2.7Giao thứctruyềndẫn củaTDD trongMassiveMIMO .26 Hình2.8ĐườngtruyềnUplink MassiveMIMOt r o n g cell jvàl 27 Hình2.9ĐườngtruyềnDownLink MassiveMIMOtrongcellj vàcelll 28 Hình2.10Kênhtruyền FadingRayleigh 30 Hình2.11HàmmậtđộxácsuấtRayleigh .30 Hình2.12RicianFading 31 Hình3.1Khốitàinguyên trongMassiveMIMO 34 DANHSÁCHKÍHIỆU,VIẾTTẮT 𝒔𝒍𝒌 𝝇𝒍𝒌 𝒑𝒍𝒌 𝒚𝒋 𝒚𝒋𝒌 𝒑 𝒚𝒋 𝒑 𝒀𝒋 𝒏𝒋 𝒗𝒋𝒌 𝒋 10 𝒉 𝒍𝒊 𝒋 11 𝒉̂𝒍𝒊 𝒋 12 𝒉̃𝒍𝒊 13 𝑟𝒄 𝑟𝒑 14 15 𝑟𝒖 16 𝑟𝒅 𝑃 17 𝒋𝒌 Ф 18 𝒋𝒌 Ф 19 𝟐 20 𝝈𝑼𝑳 𝒋 21 𝑪 𝒍𝒊 𝒋 22 𝑹𝒍𝒊 𝒋 23 𝝍𝒍𝒊 𝒗𝒋𝒌 24 25 𝑺𝑬𝒋𝒌𝒖𝒍 𝑼𝑳 26 𝑺𝑰𝑵𝑹 𝒋𝒌 27 Tr(X) 28 Cov(X) 29 ➪{X} V{X} 30 31 𝑿𝑻 32 𝑿𝑯 33 𝑿−𝟏 34 𝑰𝑴 𝟎 35 𝑵×𝑴 Tín hiệu Uplink từUEktrongcelll tín hiệu dữliệu DLcho UEktrongcell cơngsuất tín hiệuUplink từUEktrongcelll tínhiệu ULnhận đượctại BS j Tínhiệu nhận đượctại thuêbao UEktrongcellj Tínhiệupilot UEnhận đượctrịn cellj tínhiệu mà BSjcó thểsửdụngđểướclượngcáckênh phản hồi Nhiễu máythucủaBS vectơkết hợp máythu đểtách tínhiệu từUE Sựphản hồi kênhgiữaBS jvà UE itrongcell l Ước lượngkênhℎ𝑗giữaBSjvàUEitrongcelll 𝑙𝑖 𝑗 ̂ Lỗi ướclượng=ℎ 𝑗−ℎ 𝑙𝑖 𝑙𝑖 Sốsymboltrênmỗidunglượngkênh truyền Sốsymbolđượcphânchopilot Sốsymbol truyềndữliệuUL SốsymboltruyềndữliệuDL Tậphợpcácchuỗipilottrực giao Trìnhtựpilot liên quan đếnUEk trongcell j Tập hợppilot với𝑟𝑝trình tự trựcgiao lẫnnhau Phươngsainhiễu trongUL Matrận tươngquanlỗi ướclượngcủakênhgiữa BS j vàUE itrongcell l Matrận tươngquan kênh giữaBS j UEi trongcell l Nghịch đảo ma trận tươngquan trongướclượng BS j UEi trongcell l Vectokết hợp củaUEk trongcell j dunglượngULcủaUEktrongcellj SINR UplinkUE ktrong cellj Dấuvết củama trận vng( đườngchéochính) Hiệpphươngsaicủabiến ngẫunhiên X Kỳvọngcủa biến ngẫunhiên X Phươngsai củamột biến ngẫunhiên X Chuyểnvị củamatrận vuôngX Chuyểnvị liên hợpcủama trậnvngX Nghịchđảo củama trậnvngX Matrận danh tính MxM Matrận zero NxM Viếttắt TiếngAnh TiếngViệt 1G 2G 3G 4G 5G FDMA TDMA CDMA SDMA FirstGeneration SecondGeneration ThirdGeneration FourthGeneration FifthGeneration FrequencyDivisionMultipleAccess TimeDivisionMultipleAccess CodeDivisionMultiple Access SpaceDivisionMultiple Access OrthogonalFrequencyDivision Multiplexing LongTermEvolution Mutiple-InputandMutipleOutput MassiveMutiple-InputandMutipleOutput FrequencyDivisionDuplex TimeDivisionDuplex UserEquipment BaseStation Spectralefficiency Thếhệdiđộngthứ Thếhệdiđộngthứ Thếhệdiđộngthứ Thếhệdiđộngthứ Thếhệdiđộngthứ Đatruycậpphânchiatheotầnsố Đatruycậpphânchiatheothờigian Đatruycậpphântheo mã Đatruycậpphânchia theokhônggian Ghépkênh phânchiatheo tầnsốtrực giao Sựpháttriểndàihạn Đaantenphátvàthu CSI UL ChannelStateInformation Uplink Thôngtin trạngtháikênh Đườnglên DL ISI LOS NLOS Downlink InterSymbolInterference Lightof Sight Non-Line-Of-Sight MMSE MinimumMeanSquareError Đườngxuống Nhiễuliênkýtự Đườngtruyền thẳng Khơngcóđườngtruyềnthẳng Ướclượngsai sốtrungbìnhbình phươngcựctiểu Kếthợptỷlệcựcđại OFDM LTE MIMO Massive MIMO FDD TDD UE BS SE MR SINR AWGN MaximalRatio SignaltoInterferanceplusNoiseRatio AdditiveWhiteGaussianNoise Rấtnhiềuantenphátvàthu Songcông phânchiatheo tầnsố Songcông phânchiatheothời gian Thiếtbịngườidùng Trạmcơsở Hiệuquảphổ Tỉlệcơngsuấttín hiệu trêncơngsuấtnhiễugiaothoa Nhiễutrắng(NhiễuGaussian) CHƯƠNG1TỔNGQUANVỀHỆ THỐNGTHƠNGTINDI ĐỘNG Sự phát triển không ngừng nghỉ khoa học đại thời đại cách mạng cơngnghiệp4.0kéotheosựpháttriểnhàngloạtcáccơngnghệtốitântrongmọilĩnhvực.Ngànhcơngnghiệpviễn thơngkhơngnằmngồixuthếđómàcịnrất pháttriển,trởthànhmộtthành phần quan trọng cách mạng Với nhu cầu liên lạc với nhau, từ xãhộingunthủyxaxưachođếncuộc sốnghiệnđạingàynay,conngườikhơngngừngtìmtịipháttriểnnhữngphươngthứctruyềntinvớinhauphụcvụnhiềumục đíchtrongcuộcsống Từ phương thức cổ đại bồ câu đưa thư, tín hiệu cờ kĩ thuậtcơngnghệhiệnđại nhưcápquang,vệtinh, cơngnghệdi động4G,5Gcủangàynay Với nhu cầu sử dụng lúc nơi yêu cầu dung lượng lớn, tốc độ cao thìcơng nghệ thơng tin di động phát triển mạnh mẽ nhằm đáp ứng nhu cầu đó.Từ năm 80 kỉ XX công nghệ di động hệ – 1G đời dựatrên nguyên lí truyền tin với tín hiệu tương tự, đánh dấu bước khởi đầu cho pháttriển dài hạn cơng nghệ viễn thơng Tiếp sau với chu trình khoảng 10 năm mộtlầnsẽchoranhữngcơngnghệdiđộngthếhệmới,khắcphụcnhữngnhượcđiểmcủacơngnghệcũvàp háttriểnnhữngtínhnăngmới vượttrộisovớithếhệcũ 1.1 Qtrìnhpháttriểncủathơngtindiđộng Hình1.1: Tiếntrìnhpháttriểncácthếhệcơng nghệdiđộng 1.1.1 Thếhệ mạngdiđộngthứ nhất- 1G 1G mạng thông tin di động không dây giới Nó hệ thốnggiao tiếp thơng tin qua kết nối tín hiệu analog, 1G sử dụng anten thu phát sóng gắnngồi, kết nối theo tín hiệu analog tới trạm thu phát song nhận tín hiệu xử lý thoạithơngquacácmodulegắntrongmáydiđộng.Chínhvìthếmàcácthếhệmáydiđộngđầutiên giớicókíchthướckhátovàcồngkềnhdotíchhợpcùnglúc2modulethutínhiệnvàpháttínhiệu.Mạng di động hệ thứ sử dụng công nghệ phương pháptruynhậpphânchiatheotầnsốFDMA Hình1.2Kĩthuậtđatruycậpphânchiatheotầnsố-FDMA Trongkỹthuậtphânchiađatruycậptheotầnsố,băngtầncủahệthốngđượcchiathànhnhiềuphầnnhỏ.Hệ thống gán cho người sử dụng tần số khác nhau, kênhtruyềnlàmộttầnsố,cónghĩalàmỗingườisửdụngcó1kênhtruyềnriêng.Hệthốngphânbiệttínhiệucủa nhữngngườisửdụngkhácnhaubằngcáckênhtầnsốkhácnhau.Điềunày làm cho hệ thống sử dụng phổ tần hiệu nhất, tiến hành gọi,khơngmộtngườidungnàokháccóthểchiasẻcùng1kênhtầnsố.MỗikênhtronghệthốngFDMA cặptầnsố,tầnsốcaodànhchođườngxuống,tầnsốthấpdànhchođườnglên 1.1.2T h ế h ệ m n g diđộngthế hệthứ2–2G 2GlàbướcpháttriểnquantrọngchongànhViễnthơngkhiđãchuyểntừkỹthuậttươngtự sang kỹ thuật số vớinhiềuưuđiểmvượtbậc.Mạng2Gmangtớichongườisửdụngdiđộng3lợiíchtiếnbộtrongsuốtmộtthờigiandài: Mãhốdữ liệutheodạngkỹthuậtsố Sửdụnghiệu quảhơn phổtầnsố vôtuyếnchophépnhiềungườidùnghơntrênmỗidảitần Sựxuấthiệncủatinnhắndạngvănbảnđơngiản Hệ thống thông tin di động 2G sử dụng công nghệ TDMA – Đa truy cập phân chiatheothờigian Hình1.3Kĩthuậtđatruycậpphânchiatheothờigian–TDMA Trong kỹ thuật cho phép người dùng chia sẻ kênh tần số phânbiệtvềmặtthờigian,trongđótrêntrụcthờigianhệthốngsẽchiathànhcáckhungTDMAtrên khungsẽđượcchiathànhcáctimeslot(khethờigian)vớimỗitimeslotsẽphụcvụmộtngườidùng.Mộtsốđặc điểmchínhcủa hệthốngTDMA: TDMA cho phép nhiều người sử dụng chung tần số, cách chia nhỏ khoảngthời gian sử dụng tần số thành nhiều khe thời gian nên nâng cao hiệu sử dụngbăngtần Sử dụng chung đồng thời băng tần nên băng thơng truyền tín hiệu lớn vìvậy, tốcđộdịchvụcóthểđượccảithiện Hệthốngtrạmgốcsẽđỡphứctạpkhơngcồngkềnh Vìnóphân chiatrên mặtthờigiannênucầuđồngbộ rấtngặtnghèo phứctạp 1.1.3 Thếhệ mạngdiđộngthứ 3–3G 3G từ viết tắt 3rd Generation, đóng vai trị hệ truyền thơng di động thứ ba,tiêntiếnhơnhẳncácthếhệtrướcđó.Nóchophépngườidùngdiđộngtruyềntảicảdữliệuthoạivàdữliệungồi thoại(tảidữliệu,gửiemail,tinnhắnnhanh,hìnhảnh,âmthanh,videoclips…) Trong số dịch vụ 3G, điện thoại video thường miêu tả cờ đầu.Giátầnsốchocơngnghệ3Grấtđắttạinhiềunước,nhiềunhàcungcấpdịchvụviễnthơngđãrơivàokhó khăn tài điều làm chậm trễ việc triển khai mạng 3G tạinhiềunướcngoạitrừNhậtBảnvàHànQuốc,nơiucầuvềbảnquyềntầnsốđượcbỏquadopháttriểnh ạtângcơsởITquốc giađượcđặtlênlàmvấnđềưutiênnhất Cơngnghệ3Gđượccácnhàsảnxuấtthiếtbịviễnthơnglớntrênthếgiớixâydựngthành4chuẩnchính: W-CDMA: Là tảng chuẩn UMTS, sử dụng băng rộng để có tốc độ caohơnvàhỗtrợnhiềungườidùnghơnmạng2G,đượcsửdụngởChâu ÂuvàmộtphầnchâuÁ,trongđócóViệtNam CDMA 2000: Một chuẩn 3G quan trọng hệ chuẩn 2GCDMA IS-95 CDMA 2000 cung cấp tốc độ liệu từ 144 kbit/s tới trên3Mb/s TD-CDMA: Được phát triển trền tảng chuẩn UTMS Đây chuẩnthương mại áp dụng hỗn hợp TDMA CDMA nhằm cung cấp chất lượngdịchvụtốthơnchodữliệu đaphươngtiệnkểcảâmthanh,hìnhảnh TDSCDMA:M ộ t c h u ẩ n k h c d ự a t r ê n n ề n t ả n g c h u ẩ n U T M S , đ a n g đ ợ c pháttriểntạiTrungQuốc, nhằmm ụ c đ í c h n h l m ộ t g i ả i p h p t h a y t h ế choW-CDMA Hình1.4Kĩthuật CDMAsovớiFDMAvàTDMA Hình1.5Kĩthuậtđatruycậpphânchiatheo mã–CDMA Ưuđiểmcủamạngdiđộng3G: Cảithiệnđượcchấtlượngcuộcgọi,tínhiệu vàtốcđộso vớithếhệtrước TruycậpInternettốcđộcaokểcảkhidiđangchuyển Cùngvớisựbùngnổs m a r t p h o n e , k ế t n ố i G c h o p h é p n g i d ù n g t r u y cậpv o t h ế g i i n ộ i d u n g đ a p h n g t i ệ n p h o n g p h ú b a o g m n h c , p h i m , hìnhảnhchấtlượngcao KếthợpvớicácứngdụngnhắntinOTTnhưViber,Skype,Zalo,Line…,3Ggiúpngườidùngcóth ểonline,trịchuyệnmọilúcmọinơivớichiphírẻhơnrấtnhiềusovớidạngtinnhắnSMStruyề nthống 1.1.4 Thếhệ mạngdiđộngthứ 4–4G 4G cơng nghệ truyền thông không dây hệ thứ tư, đời khoảng vào năm2009 nay, cho phép truyền tải liệu với tốc độ tối đa điều kiệnlý tưởng lên tới - 1,5 Gbit/s Hệ thống thông tin di động hệ thứ dựa kỹ thuậtghép kênh theo tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) vàđa truy cập phân chia theo không gian SDMA (Space Division Multiple Access) Trongnăm2017, 4Gđãđượcphủsóngtạinhiều tỉnh thànhtrêncảnướcViệt Nam Hình1.6Kĩthuậtđatruycậpphânchiatheotầnsốtrựcgiao – OFDM Cơngnghệ4Gđượchiểulàchuẩntươnglaicủacácthiếtbịkhơngdây.ucầukỹthuậtcủa 4G bao gồm mạngchuyểnmạchgóitindựatrênđịachỉIPvàmộtkênhvớibăngthơngcókhảnăngmởrộnglênđến40MHz Cơng nghệ mạng 4G sử dụng bao gồm: UMTS, OFDM, SDR, TD-SCDMA, MIMO,WiMaX Các nghiên cứu NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G nhậndữ liệu với tốc độ 100 Mbit/s di chuyển tới Gbit/s đứng yên, chophépngườisử dụngcóthểtảivàtruyềnlên cáchình ảnh, videoclipschấtlượngcao ... thứctruyềndẫn củaTDD trongMassiveMIMO .26 Hình2.8ĐườngtruyềnUplink MassiveMIMOt r o n g cell jvàl 27 Hình2.9ĐườngtruyềnDownLink MassiveMIMOtrongcellj vàcelll 28 Hình2.10Kênhtruyền FadingRayleigh... đặc biệt kỹ thuật MassiveMIMOvàđâycũnglàkỹthuật màsẽđượctìmhiểutrongsuốtđồánnày CHƯƠNG2MASSIVEMIMOVÀMƠHÌNHKÊNHTRUYỀNVƠTUYẾN 2.1 KháiniệmMassiveMIMO Định nghĩa: Mạng Massive MIMO mạng di động... (LongTermEvolution)ngàynay Trong kỹ thuật MIMO truyền thống, số lượng MS phục vụ đồng thời giới hạnvà phụ thuộc vào kích thước thiết kế hệ thống ban đầu Trong đó, Massive MIMO? ?angườidùnglàkỹthuậtdựatrênnhiềuantenđểđồngthờicùnglúctruyềnđađườngdữliệu