Nghiên ứu kỹ thuật định hướng đa búp sóng cho mạng thông tin di động 5g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ TRỌNG HIẾN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SĨNG CHO MẠNG THƠNG TIN DI ĐỘNG 5G LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ Thuật Viễn Thông Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU TRUNG HÀ NỘI - 2019 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113889351000000 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông LỜI CAM ĐOAN Tên là: Lê Trọng Hiến Sinh ngày tháng năm 1989 Học viên lớp cao học Kỹ thuật Viễn thông 2017A - Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Xin cam đoan nội dung đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật định hướng đa búp sóng cho mạng thơng tin di động 5G” tơi tự tìm hiểu, nghiên cứu thực hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Nguyễn Hữu Trung Mọi trích dẫn tài liệu tham khảo mà tơi sử dụng có ghi rõ nguồn gốc Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm lời cam đoan Hà Nội, tháng năm 2019 Học viên thực Lê Trọng Hiến Lê Trọng Hiến – CA170268 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Sự phát triển hệ thống thông tin di động 1.2.1 Hệ thống thông tin di động hệ thứ (1G) 10 1.2.2 Hệ thống thông tin di động hệ thứ hai (2G) 10 1.2.3 Hệ thống thông tin di động 2,5G 12 1.2.4 Hệ thống thông tin di động hệ thứ ba (3G) 13 1.2.5 Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G) 15 1.2.6 Hệ thống thông tin di động hệ thứ tư (4G) 16 1.3 Hệ thống thông tin di động hệ thứ năm – 5G 17 1.3.1 Các yêu cầu hệ thống thông tin di động 5G 17 1.3.2 Kiến trúc mạng di động 5G 20 1.3.3 Mạng lõi Nano 26 1.3.4 Các lớp mạng 38 1.3.5 Kỹ thuật truyền dẫn 40 1.4 Tổng kết chương 55 CHƯƠNG 2: NỀN TẢNG CỦA KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG 56 2.1 Hệ thống MIMO quy mô lớn 56 Lê Trọng Hiến – CA170268 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng 2.2 Vai trị định hướng đa búp sóng hệ thống MIMO quy mô lớn 57 2.2.1 Tăng cường hiệu lượng 57 2.2.2 Cải thiện hiệu suất phổ 57 2.2.3 Tăng cường bảo mật hệ thống 58 2.2.4 Khả ứng dụng cho dải sóng mm 58 2.3 Các tiền mã hóa tách sóng MIMO quỹ mơ lớn 59 CHƯƠNG 3: PHÂN LOẠI KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG 61 3.1 Giới thiệu chương 61 3.2 Định hướng đa búp sóng băng rộng định hướng đa búp sóng băng hẹp 62 3.3 Định hướng mảng búp sóng chuyển mạch mảng búp sóng thích ứng 63 3.3 Các thuật tốn định hướng đa búp sóng thích ứng 66 3.4 Định hướng đa búp sóng tương tự, số lai tương tự/số 69 KẾT LUẬN 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO 72 Lê Trọng Hiến – CA170268 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt BS Base Station Trạm sở CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh D2D Thiết bị tới thiết bị FDD Device to Device Enhanced Data Rates for GSM Evolution Frequency Division Duplex G Generation Thế hệ GPRS Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp Hệ thống thơng tin di động tồn cầu MIMO General Packet Radio Service Global System for Mobile communication Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty Information Society Multi Input – Multi Output ML Maximum Likelihood MMSE Minimum Mean-Square Error MRC Maximum-Ratio Combining Orthogonal Frequency Division Multiple Access EDGE GSM METIS OFDMA TDD Time Division Duplex TDMA Time Division Multiple Access UMTS WCDMA ZF Universal Mobile Telecommunications System Wideband Code Division Multiple Access Song công phân chia theo tần số Đa đầu vào, đa đầu Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao Song công phân chia theo thời gian Đa truy nhập phân chia theo thời gian Hệ thống viễn thơng di động tồn cầu Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng Zero – Forcing Lê Trọng Hiến – CA170268 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1– Tổng quan hệ thống thông tin di động 19 Bảng 3.1: So sánh hai phương pháp phạm vi bao phủ, công suất, triệt nhiễu độ phức tạp 65 Lê Trọng Hiến – CA170268 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 - Lộ trình phá triển hệ thống thơng tin di động Hình 1.2 - Khối khả hệ thống 5G tương lai 18 Hình 1.3 - Kiến trúc hệ thống 5G (Nguồn: METIS) 21 Hình 1.4 - Sự thay đổi từ RAN sang C-RAN 22 Hình 1.5 - Mạng di chuyển MN 23 Hình 1.6 - Mạng dày đặc UDN 24 Hình 1.7 - Các trường hợp can thiệp lẫn truyền thông D2D 25 Hình 1.8 - Mạng lõi Nano hệ thống 5G 26 Hình 1.9 - Điện thoại Nano “trong suốt” 28 Hình 1.10 - Morph – Khái niệm công nghệ cho tương lai 29 Hình 1.11 - Cảm biến Nano 30 Hình 1.12 - Qubit 32 Hình 1.13 - Nanodot 33 Hình1.14 - Mật mã lượng tử 34 Hình 1.15 - Điện tốn đám mây 36 Hình 1.16 - Các lớp mạng hệ thống 5G 38 Hình 1.17 - Lớp mạng (Network Layer) 39 Hình 1.18 - Lịch sử trình kết nối (Nguồn: Cisco) 41 Hình 1.19 - So sánh công nghệ milimeter-wave công nghệ 42 Hình 1.20 - So sánh phương thức điều chế 46 Hình 1.21 - Đa truy nhập phân chia theo búp sóng BDMA 47 Hình 1.22 - Nguyên lý hoạt động BDMA 48 Hình 1.23 - Cấu trúc khung TDD-BDMA 49 Hình 1.24 - Cấu trúc khung FDD-BDMA 49 Hình 1.25 - Đa truy nhập khơng trực giao NOMA 50 Hình 1.26 - So sánh OFDMA NOMA 51 Hình 1.27 - Mơ hình kênh MIMO với Anten phát  Anten thu 52 Hình 1.28 - Anten Massive MIMO 53 Hình 1.29 - Mơ hình Cell sử dụng Anten Massive MIMO 54 Hình 3.1 - Phân loại định hướng đa búp sóng 63 Hình 3.2 - Đa búp sóng thích ứng (a) đa búp sóng chuyển mạch (b) 65 Lê Trọng Hiến – CA170268 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông LỜI MỞ ĐẦU Sau 30 năm hình thành phát triển, khởi đầu hệ thống thông tin di động 1G, 2G chủ yếu cung cấp dịch vụ thoại, tin nhắn đến hệ 3G, 4G dịch vụ đa phương tiện tích hợp Các hệ thống thông tin di động hệ (5G), hỗ trợ công nghệ tạo cải tiến đáng kể thông lượng Trong năm gần đây, nghiên cứu khác tập trung vào hệ thống nhiều đầu (MIMO) quy mơ lớn, coi đóng vai trị quan trọng 5G Cùng với giải pháp kỹ thuật, đặc biệt là kỹ thuật tập trung giải vấn đề dung lượng đường truyền không ngừng cải tiến Một kỹ thuật cốt lõi sử dụng hệ thống thông tin di động 5G kỹ thuật định hướng đa búp sóng, để nghiên cứu sâu kĩ thuật em định chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật định hướng đa búp sóng cho mạng thơng tin di động 5G” cho luận văn tốt nghiệp Nội dung luận văn gồm phần: Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin di động Chương 2: Nền tảng kỹ thuật định hướng đa búp sóng Chương 3: Phân loại kỹ thuật định hướng đa búp sóng Trong q trình thực luận văn khơng tránh khỏi mắc phải thiếu sót, em mong nhận nhiều ý kiến đóng góp thầy để luận văn hoàn thiện Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn tới tất cán bộ, giảng viên Viện Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình dạy dỗ, truyền đạt kiến thức cho chúng em suốt khóa học Đặc biệt, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Hữu Trung tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tạo điều kiện cho em hoàn thành tốt luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Lê Trọng Hiến – CA170268 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chương Nội dung chương trình bày khái quát trình phát triển hệ thống thông tin di động, tiêu chuẩn, ưu nhược điểm hệ thông tin di động ứng dụng giới Đồng thời chương trình bày tổng quan mơ hình hệ thống, kỹ thuật dịch vụ hệ thống thông tin di động 5G 1.2 Sự phát triển hệ thống thông tin di động Hệ thống thông tin di động hệ thống liên lạc thơng qua sóng điện từ, người dùng vừa liên lạc, vừa di chuyển Các dịch vụ điện thoại di động xuất vào đầu năm 1960 phát triển không ngừng thời điểm Cứ trung bình thập kỷ, chứng kiến xuất hệ 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) bắt đầu lên từ năm đầu thập kỷ 90, hệ thứ công nghệ di động kỹ thuật số, cung cấp dịch vụ thoại liệu Thế hệ thứ (3G) bắt đầu xuất từ năm 2001 Nhật Bản, đặc trưng việc cung cấp dịch vụ thoại, liệu đa phương tiện với tốc độ cao Thế hệ 4G thương mại hóa vào năm 2012 trở đi, cung cấp dịch vụ truyền liệu với tốc độ cao hệ 3G nhiều Hình 1.1 - Lộ trình phá triển hệ thống thông tin di động Trên giới, khu vực khác có tiêu chuẩn khác cho hệ thông tin di động, thể qua hình 1.1 Ở Việt Nam, hệ thống thông tin di động phát triển theo hướng: 1G  GSM (2G)  GPRS (2.5G)  EDGE (2.75G)  UMTS (3G)  LTE (4G) Lê Trọng Hiến – CA170268 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông 1.2.1 Hệ thống thông tin di động hệ thứ (1G) Hệ thống thông tin di động 1G mạng điện thoại di động nhân loại, khơi mào Nhật vào năm 1979 Hệ thống thông tin di động 1G ứng dụng cơng 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) ❖ Đặc điểm: - Băng tần khoảng 150 MHz - Sử dụng kỹ thuật chuyển mạch tương tự - Dịch vụ đơn thoại - Mỗi máy di động cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến - Nhiễu giao thoa tần số kênh lân cận đáng kể - Trạm thu phát gốc phải có thu phát riêng làm việc với máy di động ❖ Những hạn chế hệ thống thông tin di động 1G: - Phân bố tần số hạn chế, dung lượng nhỏ - Gây tiếng ồn khó chịu nhiễu xảy máy di động dịch chuyển - Khơng đảm bảo tính bí mật gọi - Không đáp ứng dịch vụ hấp dẫn khách hàng - Không tương thích hệ thống khác - Chất lượng thấp vùng phủ sóng hẹp - Kích thước thiết bị di động lớn 1.2.2 Hệ thống thông tin di động hệ thứ hai (2G) Hệ thống thông tin di động 2G đặc trưng công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số Thông tin di động 2G sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Các kỹ thuật cho phép sử dụng tài nguyên băng thông hiệu nhiều so với 1G Hầu hết thuê bao di động cịn sử dụng cơng nghệ 2G ❖ Đặc điểm: - Phương thức đa truy nhập: Sử dụng đa truy nhập TDMA CDMA băng hẹp - Sử dụng chuyển mạch kênh - Dung lượng tăng, chất lượng thoại tốt hơn, hỗ trợ dịch vụ truyền liệu ❖ Một số hệ thống thông tin di động 2G điển hình: Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 10