TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ TIỀM NĂNG CHO HỆ THỐNG VÔ TUYẾN THẾ HỆ THỨ NĂM VÀ CÁC THẾ HỆ TIẾP THEO REVIEW ON POTENTIAL MODULATION SCHEMES FOR 5G AND NEXT GENERATION WIRELESS SYSTEMS Đặng Trung Hiếu1, Nguyễn Lê Cường1, Phùng Xuân Bình2, Trần Văn Nghĩa3 Trường Đại học Điện lực, 2Tổng Công ty Viễn thông MobiFone , 3Học viện Phịng khơng - Khơng qn Ngày nhận bài: 06/05/2020, Ngày chấp nhận đăng: 20/10/2020, Phản biện: TS Nguyễn Thị Kim Thoa Tóm tắt: Trong báo này, thảo luận phương pháp điều chế tiềm cho hệ thống vô tuyến hệ thứ năm (5G) hệ tiếp theo, bao gồm FBMC (Filter Bank Multicarrier), GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing), UFMC (Universal Filtered Multicarrier) f-OFDM (filtered-OFDM) Đây dạng sóng có đặc tính phổ tốt, có khả giải vấn đề ICI (Inter-Carrier Interference) hệ thống OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Một so sánh đặc tính tham số mật độ phổ cơng suất dạng sóng đề cập tới Cuối cùng, số vấn đề gặp phải hướng giải chúng để áp dụng dạng sóng vào hệ thống vơ tuyến hệ Từ khóa: Điều chế đa sóng mang, hệ thống vô tuyến hệ Abstract: In this paper, we review on four potential modulation schemes for 5G and next generation wireless system, inchuding: FBMC (Filter Bank Multicarrier), GFDM (Generalized Frequency Division Multiplexing), UFMC (Universal Filtered Multicarrier) f-OFDM (filtered-OFDM) These are the waveforms which have good spectral property, so they can overcome the problem of inter-carrier interference (ICI) in orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) systems Next, a comparison of properties and power spectral density (PSD) of waveforms is mentioned Finally, some technical problems are pointed out and possible solutions are proposed to apply these waveforms to next generation wireless systems Keywords: Torque constant; permanent magnet synchronous machine; state estimation; nonlinear observation; parameter identification GIỚI THIỆU CHUNG Trong năm gần đây, công nghệ vô tuyến băng rộng hệ thứ năm có Số 27 phát triển nhanh chóng, đó, kỹ thuật xử lý tín hiệu đóng vai trị quan trọng thu hút quan tâm 13 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) nghiên cứu sâu rộng nhà nghiên cứu hàng đầu tồn giới Một số kỹ thuật xử lý tín hiệu đề xuất xem xét để phát triển, triển khai thành tiêu chuẩn quốc tế, phải kể đến phương pháp mã hóa điều chế [1] Đã có thảo luận sôi cộng đồng khoa học nhóm tiêu chuẩn hóa quốc tế định dạng điều chế sử dụng cho hệ thống vô tuyến 5G [1]-[4] Theo [1], không giống hệ thống vô tuyến trước 2G, 3G hay 4G, công nghệ 5G không hướng đến xác định tham số trội Thay vào đó, số kỹ thuật xử lý tín hiệu đề xuất để làm tăng đáng kể tốc độ liệu, tăng hiệu công suất, hiệu phổ tần tính linh hoạt, khả tương thích, độ tin cậy độ hội tụ hệ thống Nhờ đó, ngồi ứng dụng truyền thống, hệ thống 5G xử lý yêu cầu phát sinh từ ứng dụng liệu lớn (Big Data), dịch vụ đám mây (Cloud) giao tiếp máy Hiệp hội Viễn thông 3GPP cuối định tiếp tục sử dụng kỹ thuật OFDM với số sửa đổi nhỏ cho hệ thống vô tuyến 5G [5]-[7] nhằm đảm bảo khả tương thích với hệ thống vô tuyến 4G Tuy nhiên, lợi OFDM 4G độ phức tạp thấp hiệu băng thông cao khơng cịn cố áp dụng mạng phức tạp hơn, mạng đa người dùng, gọi đa truy cập phân 14 chia theo tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) Nguyên nhân dẫn đến vấn đề yêu cầu đồng hóa tất tín hiệu người dùng trạm gốc Như biết rằng, đồng thời gian sóng mang nhiệm vụ khó khăn hệ thống OFDMA [8] Để giải vấn đề này, số nhà nghiên cứu giảm bớt yêu cầu để đạt việc đồng hóa gần hoàn hảo phương pháp bù lệch tần số sóng mang CFO (Carrier Frequency Offset) đề xuất phương pháp loại bỏ nhiễu đa người dùng [9], [10] Tuy nhiên, phương pháp thường phức tạp để thực [11] Vì vậy, OFDM khó đáp ứng đầy đủ yêu cầu cho hệ thống vô tuyến 5G hệ Do đó, lớp kỹ thuật điều chế cho mạng đa truy cập trực giao nghiên cứu đề xuất, bật kỹ thuật điều chế dựa việc tạo dạng xung kỹ thuật điều chế dựa lọc băng [1], [12] Các kỹ thuật giúp hạn chế đáng kể mức phát xạ băng OOBE (Out-of-Band Emission) giảm chồng lấp sóng mang Trong báo này, chúng tơi khái qt dạng sóng tiềm cho 5G hệ thống vô tuyến hệ tiếp theo, so sánh đặc tính mật độ phổ cơng suất dạng sóng với OFDM thơng thường Ngồi ra, chúng tơi phân tích hạn chế giải pháp để khắc phục ứng dụng dạng sóng vào thực tế Số 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 2.1 Các kỹ thuật điều chế dựa dạng xung Cấu trúc phần báo bao gồm: mục khái quát kỹ thuật điều chế cho 5G, mục so sánh dạng sóng tiềm cho 5G, mục mơ tả số vấn đề cần giải mục kết luận báo Các kỹ thuật điều chế dựa dạng xung biết đến có khả làm giảm mức OOBE đáng kể [12] Tuy nhiên, độ rộng thời gian độ rộng phổ tần xung khơng thể giảm lúc, nên tín hiệu dạng sóng tạo kỹ thuật thường không trực giao miền thời gian miền tần số để trì hiệu phổ SE (Spectral Efficiency) cao Ngoài ra, so với hệ thống OFDM thông thường, cấu trúc thu phát hỗ trợ điều chế dạng xung phức tạp Hai kỹ thuật điều chế điển hình cho nhóm FBMC [13]-[16] GFDM [17] - [19] CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ MỚI CHO 5G Trong phần này, thảo luận hai nhóm kỹ thuật điều chế tiềm cho 5G nhóm kỹ thuật điều chế dựa việc tạo dạng xung (gồm FBMC, GFDM) nhóm kỹ thuật điều chế dựa lọc băng (gồm UFMC, f-OFDM) SFB s (t ) I js0Q (t ) p(t) p(t-T/2) e j ((2 / T )t / 2) s1I (t ) p(t) js1Q (t ) p(t-T/2) sNI 1 (t ) p(t) jsNQ 1 (t ) AFB e Điều chế đến dải RF s(t ) e j fc t e j fc t y(t ) e j ((2 / T )t / 2) p(t) p(t-T/2) p(t) Kênh Giải điều chế từ dải RF j ( N 1)((2 / T ) t / 2) s '0I (n) s 'Q0 (n) s '1I (n) p(t-T/2) e j ( N 1)((2 / T )t / 2) p(t) s '1Q (n) s 'IN 1 (n) p(t-T/2) s 'QN 1 (n) p(t-T/2) Hình 1: Hệ thống FBMC-OQAM [15] 1) FBMC: Theo [16], có hai lý để FBMC trở thành lựa chọn khả thi cho các mạng 5G Thứ nhất, FBMC thiết kế để có khả hạn định tốt thời gian tần số, cho phép phân bổ hiệu nguồn tài nguyên tần số thời gian có sẵn Thứ hai, độ trải trễ thấp đảm bảo Số 27 cân mắt lọc đơn có hiệu để đạt hiệu suất tối ưu Để có đặc tính này, FBMC sử dụng dãy lọc tổng hợp bên phía phát dãy lọc phân tích bên phía thu thực việc lọc sóng mang tín hiệu đa sóng mang, làm giảm búp sóng phụ tín hiệu FBMC miền 15 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) tần số Hai dạng xung sử dụng FBMC xung Hermite xung PHYDYAS Độ dài xung miền thời gian định hiệu suất yêu cầu thường vài lần độ dài chu kỳ ký hiệu [16] Có nhiều dạng tín hiệu FBMC khác nhau, FBMC-QAM (FBMC-Quadrature Amplitude Modulation), FBMC-OQAM (FBMC - Offset QAM) FBMC-OQAM lọc Tuy nhiên, để đạt SE tốt nhất, FBMC-OQAM thường sử dụng [15] Sơ đồ khối hệ thống FBMC hình 1, dãy lọc tổng hợp phân tích thực việc định dạng xung Tín hiệu thời gian liên tục sóng mang thứ k xác định sau: M 1 sk (t ) sk ,m (t mT ) (1) m0 sk ,m ký hiệu liệu phức thứ m sóng mang thứ k sk ,m skI ,m jskQ,m (2) Thay (2) vào (1) (3) sau: M 1 sk (t ) skI ,m jskQ,m (t mT ) (3) m0 Do vậy, tín hiệu truyền biểu diễn theo cơng thức (4) Trong miền thời gian rời rạc, giả thiết lọc định hình xung p(t) chiếm băng thơng xấp xỉ , ta có phiên lấy mẫu (4) T (5) Giả thiết N chẵn, đặt T ) p[n] N (5) chuyển thành (6) s[n] s(n p(n T ) , N N 1 s(t ) sk (t )* pk (t ) e jk ((2 / T )t / 2) k 0 T skI ,m pk (t mT ) jskQ,m p(t mT ) e jk ((2 / T )t / 2) k 0 m0 N 1 M 1 N 1 M 1 I jk ( 2T n NT 2 ) T T T T Q s(n ) sk ,m pk (n mT ) jsk ,m pk (n mT ).e N N N k 0 m0 T T T T jk ( 2 n ) skI ,m pk (n 2m ) jskQ,m pk (n (m 1) ).e N N N k 0 m0 N 1 M 1 I jk ( 2N n 2 ) N Q s[n] sk ,m pk (n mN ) jsk ,m pk (n mN ).e k 0 m0 N 1 M 1 j 2 nk N (1)k skI ,m pk (n mN ) jskQ,m pk (n mN ).e N k 0 m0 (4) (5) N 1 M 1 2) GFDM: Theo [18], GFDM hệ thống đa sóng mang dựa việc điều chế 16 (6) khối độc lập để truyền MK ký hiệu liệu khối sử dụng M khe thời gian Số 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) K sóng mang Với phương pháp này, sóng mang lọc lọc nguyên mẫu dịch chuyển phù hợp theo tần số thời gian để giảm mức OOBE Do tính linh hoạt phương thức điều chế, GFDM đề xuất cho giao diện vô tuyến mạng 5G [18] CPOFDM (Cyclic prefix-OFDM) SCFDE (Single-carrier frequency domain equalization) xem trường hợp đặc biệt GFDM [19] Sơ đồ khối hệ thống GFDM trình bày hình Hình Sơ đồ khối hệ thống GFDM Tín hiệu truyền biểu diễn là: K 1M 1 s n sk ,m g k ,m n , n 0, N (7) k 0 m0 𝑠𝑘,𝑚 biểu thị ký hiệu thứ 𝑚 truyền sóng mang thứ 𝑘, gk ,m (n) phiên dịch vòng tần số thời gian lọc dạng xung nguyên mẫu g(n) gk ,m (n) xác định công thức: g k ,m n g n mK N e j 2 kn K (8) với ( )N biểu thị phép toán modulo N N = KM chiều dài lọc dạng xung nguyên mẫu g(n) Theo cấu trúc này, khác biệt GFDM so với FBMC việc sử dụng lọc dịch vòng thay lọc tuyến tính Điều cho phép hệ thống GFDM có mức OOBE thấp tính trực giao khơng trì Tuy GFDM Số 27 khơng trì tính trực giao sóng mang dẫn đến ISI ICI, với việc sử dụng lọc phối hợp hiệu bên phía thu, loại nhiễu loại bỏ hiệu suất lỗi ký hiệu đảm bảo OFDM [19] 2.2 Các điều chế dựa việc lọc băng Các kỹ thuật điều chế dựa lọc băng kỹ thuật cho phép giảm OOBE hiệu Hai kỹ thuật điều chế quan tâm nghiên cứu UFMC [20], [21] f-OFDM [22], [23] 1) UFMC: UFMC kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang đề xuất để giải vấn đề ICI hệ thống OFDM [20] Điều đạt việc lọc khối sóng mang liên tiếp (băng tần con) để giảm mức OOBE UFMC coi phương pháp cải tiến 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) CP-OFDM, UF-OFDM (Universal Filtered-OFDM) sử dụng đồng nghĩa với UFMC Sơ đồ khối hệ thống UFMC biểu diễn hình Do lọc UFMC có băng thơng rộng so với lọc kỹ thuật điều chế dựa việc tạo dạng xung nên độ dài tín hiệu miền thời gian ngắn Vì vậy, nhiễu gây lọc hạn chế việc sử dụng chuỗi “đệm 0” (ZP - Zero Padding) với độ dài thích hợp Hình Sơ đồ khối hệ thống UFMC Tín hiệu truyền hệ thống UFMC là: K 1 s n sk n f k n (9) k 0 K số băng chia từ M 1 sk n sk ,m n m N N g m0 N sóng mang hệ thống, băng có L=N/K sóng mang liên tiếp; fk(n) hệ số lọc băng thứ k sk(n) tín hiệu OFDM điều chế băng thứ k tương ứng sk(n) biểu diễn công thức: n m N N g , với m N N g n m N N g N s k ,m 0, trường hợp khác với 𝑁𝑔 biểu thị chiều dài chuỗi ZP, M số khối ký hiệu 𝑠𝑘,𝑚 tín hiệu sóng mang thứ 𝑘 ký hiệu thứ 𝑚 𝑠𝑘,𝑚 (𝑛) biểu diễn theo công thức: sk ,m n kL 1 dl , m e j 2 ln N , n N 1 l k 1 L (11) 𝑑𝑙,𝑚 biểu thị ký hiệu truyền thứ 𝑙 khối ký hiệu thứ 𝑚 Với băng đơn nhất, đặc tính 18 (10) phổ UFDM giống với CP-OFDM lọc [21] Mặc dù bình thường UFDM khơng sử dụng tiền tố tuần hồn CP, để loại bỏ nhiễu gây đuôi lọc, chuỗi “đệm 0” (ZP - Zero Padding) sử dụng với độ dài phù hợp UFDM chứng minh có hiệu vượt trội so với CP-OFDM có đồng hóa hồn hảo hay khơng hồn hảo đầu cuối trạm gốc [20] Số 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 2) f-OFDM: Theo phương pháp này, băng thông hệ thống chia thành băng con, băng sử dụng cho loại dịch vụ khác để cải thiện SE hệ thống [21] Để loại bỏ nhiễu băng con, lọc dựa băng sử dụng Hình miêu tả sơ đồ khối hệ thống f-OFDM Như vậy, cấu trúc máy phát f-OFDM giống với UFMC Sự khác biệt hai kỹ thuật f-OFDM có sử dụng tiền tố tuần hồn (CP) số lượng sóng mang băng lớn nhiều so với UFMC Loại lọc sử dụng rộng rãi thiết kế f-OFDM lọc sinc xén mềm (Soft-Truncated Sinc Filters) [21], [22] đáp ứng với ứng dụng tham số khác Các lọc xem gần lý tưởng khơng gây méo dạng dải coi loại bỏ OOBE [22] Tỉ lệ cơng suất trung bình xạ dải/trong dải hàng trăm dB, vượt ngưỡng chuyển đổi số - tương tự Hình Sơ đồ khối hệ thống f-OFDM Tín hiệu phát hệ thống f-OFDM biểu diễn bởi: L 1 s n sk n k N N g f k n (12) thông hệ thống MỘT SỐ SO SÁNH CÁC DẠNG SÓNG TIỀM NĂNG CHO 5G CP 𝑑𝑘,𝑙 ký hiệu liệu sóng mang thứ 𝑙 ký hiệu OFDM thứ 𝑘 Trong kỹ thuật điều chế đề cập, ngoại trừ OFDM f-OFDM (những kỹ thuật 3GPP lựa chọn cho 5G), FBMC, GFDM, UFMC kỹ thuật nghiên cứu nhiều [23] Lý dạng sóng lựa chọn cho 5G hệ khả giảm mức OOBE giảm yêu cầu đồng Mặc dù f-OFDM có khả khắc phục nhược điểm CP-OFDM thông thường, việc sử dụng chuỗi CP ảnh hưởng đáng kể hiệu suất băng Một đặc điểm chung việc tạo dạng sóng việc sử dụng kỹ thuật lọc Tuy nhiên, kỹ thuật lọc hiệu khơng l 0 L 1 sk n d k ,l e j 2 ln / N , N g n N (13) l 0 N số sóng mang ; K số băng ; 𝐿 = 𝑁/𝐾 số sóng mang băng ; 𝑁𝑔 độ dài chuỗi Số 27 19 ... phương pháp mã hóa điều chế [1] Đã có thảo luận sôi cộng đồng khoa học nhóm tiêu chuẩn hóa quốc tế định dạng điều chế sử dụng cho hệ thống vô tuyến 5G [1]-[4] Theo [1], không giống hệ thống vô. .. [19] CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ MỚI CHO 5G Trong phần này, thảo luận hai nhóm kỹ thuật điều chế tiềm cho 5G nhóm kỹ thuật điều chế dựa việc tạo dạng xung (gồm FBMC, GFDM) nhóm kỹ thuật điều chế dựa... dùng [9], [10] Tuy nhiên, phương pháp thường phức tạp để thực [11] Vì vậy, OFDM khó đáp ứng đầy đủ yêu cầu cho hệ thống vô tuyến 5G hệ Do đó, lớp kỹ thuật điều chế cho mạng đa truy cập trực giao