Nghiên ứu phương pháp định hướng búp sóng và anten thông minh kích thước lớn ứng dụng cho hệ 5g

LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Hữu Trung, ngƣời trực tiếp hƣớng dẫn tơi tận tình thời gian nghiên cứu hoàn thiện luận văn Tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn tới tập thể thầy, cô giáo Viện Điện tử - Viễn thông trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình giúp đỡ tơi suốt thời gian học tập nghiên cứu trƣờng Một lần xin trân trọng cảm ơn tất thầy cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ ủng hộ tơi thời gian qua Xin kính chúc thầy cô giáo, anh chị bạn mạnh khoẻ, hạnh phúc thành công Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2018 Tác giả luận văn Bế Công Thoan Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057204983691000000 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Bản luận văn tốt nghiệp cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, đƣợc thực sở nghiên cứu lý thuyết dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Nguyễn Hữu Trung, Viện Điện tử - Viễn Thông, Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội Các số liệu, kết luận luận án trung thực, dựa nghiên cứu, thân, chƣa đƣợc công bố dƣới bất ký hình thức trƣớc trình, bảo vệ trƣớc “Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ kỹ thuật” Các số liệu, kết quả, kết luận đƣợc tơi tham khảo đƣợc trích dẫn nguồn đẩy đủ Một lần xin khẳng định trung thực lời cam kết Hà Nội, ngày 01 tháng 10 năm 2018 Tác giả luận văn Bế Công Thoan MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN LỜI MỞ ĐẦU CHƢƠNG I: LÝ THUYẾT VỀ KĨ THUẬT ĐỊNH HƢỚNG BÚP SÓNG 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các thuật ngữ khái niệm 1.2.1 Định hƣớng búp sóng lọc khơng gian 1.2.2 Thống kê thứ hai 10 1.2.3 Phân loại beamformer 12 1.3 Định hƣớng búp sóng độc lập liệu 12 1.3.1 Định hƣớng búp sóng 13 1.3.2 Thiết kế đáp ứng liệu độc lập chung 14 1.4 Định hƣớng búp sóng tối ƣu thống kê 19 1.4.1 Multiple Sidelobe Canceller (MSC) 19 1.4.2 Sử dụng tín hiệu tham chiếu 21 1.4.3 Tối đa hóa tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SNR) 21 1.4.4 Định hƣớng búp sóng tuyến tính hạn chế tối thiểu phƣơng sai 22 1.4.5 Hủy bỏ tín hiệu định hƣớng búp sóng tối ƣu thống kê 25 1.5 Các thuật tốn thích nghi định hƣớng búp sóng 25 1.6 Khử nhiễu Định hƣớng búp sóng thích nghi phần 29 1.7 Tổng kết chƣơng 30 CHƢƠNG II: LÝ THUYẾT VỀ ANTEN THƠNG MINH VÀ HỆ THỐNG ANTEN THƠNG MINH KÍCH THƢỚC LỚN 32 2.1 Tổng quan anten thông minh (Smart Antenna) 32 2.1.1 Anten vô hƣớng 32 2.1.2 Anten định hƣớng 33 2.1.3 Anten nhiều phần tử 34 2.2 Anten thông minh 36 2.2.1 Anten chùm chuyển mạch 37 2.2.2 Anten mảng thích nghi 37 2.2.3 Mục đích hệ thống anten thông minh 39 2.2.4 Kiến trúc hệ thống anten thông minh 39 2.3 Hệ thống anten thơng minh kích thƣớc lớn 43 2.3.1 Phân tích hiệu LSAS 45 2.3.2 Thu nhận CSI LSAS 52 2.4 Tổng kết chƣơng 56 Chƣơng III: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐỊNH HƢỚNG BÚP SÓNG VÀ ANTEN THƠNG MINH KÍCH THƢỚC LỚN CHO HỆ 5G 57 3.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động 5G 57 3.1.1 Phân loại hệ thống thông tin di động 57 3.1.2 Một số hệ mạng thông tin di động 59 3.1.3 Hệ thống thông tin di động 5G 62 3.3 Kỹ thuật định hƣớng búp sóng hệ thống 5G 80 3.3.1 Giới thiệu 81 3.3.2 MIMO cỡ lớn hệ thống thông tin di động 5G 82 3.3.3 Beamforming sóng milimet cho hệ thống MIMO cỡ lớn 87 3.3.4 Các vấn đề tồn xu hƣớng tƣơng lai 90 Chƣơng IV: KẾT LUẬN 93 Tài liệu tham khảo 94 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng kết tối ƣu beamformer 18 Bảng 1.2 so sánh thuật tốn thích nghi trọng số LMS RLS 28 Bảng 2.1: Các đặc trƣng lợi ích hệ thống anten thông minh 39 Bảng 3.1 Đặc điểm anten thông minh 73 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các dạng beamformer kết hợp tuyến tính phần tử đầu Hình 1.2 mảng đƣợc gắn với phần tử trễ cung cấp mẫu không gian/ thời gian nguồn lan truyền Hình 1.3 Sự tƣơng tự mảng băng hẹp cách hƣớng kênh đơn lọc FIR Hình 1.4 Định hƣớng búp sóng đơi đƣợc thực miền tần số quan tâm đến tín hiệu băng rộng 12 Hình 1.5 Beamformer liệu độc lập tối ƣu mặt thống kê 17 Hình 1.6 Multiple sidelobe canceller (MSC) 20 Hình 1.7 GSC đại diện cho việc thực LCMV beamformer 24 Hình 2.1 Anten vơ hƣớng vùng phủ Anten vơ hƣớng 32 Hình 2.2 Anten định hƣớng phổ anten định hƣớng 34 Hình 2.3 Anten quạt vùng phủ 34 Hình 2.4 Phân tập chuyển mạch vùng phủ 35 Hình 2.5 Kết hợp phân tập vùng phủ 36 Hình 2.6 Phổ tín hiệu anten chùm 37 Hình 2.7 Phổ tín hiệu anten mảng thích nghi 38 Hình 2.8 Vùng phủ với chùm chuyển mạch anten thích nghi 42 Hình 2.9 Truyền thơng khơng dây hợp tác quy mô lớn 44 Hình 2.10 Hệ thống antena đa tế bào đa ngƣời dùng kích thƣớc lớn phân tán 47 Hình 3.1 Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động tế bào 59 Hình 3.2 Mạng di động hệ 5G dự kiến đƣợc triển vào năm 2020 63 Hình 3.3 Mơ hình trạm HAPS 64 Hình 3.4 Cơng nghệ điện tốn đám mây 68 Hình 3.5 Sự khác biệt mơ hình truyền thông trực tiếp truyền thông hợp tác, mở rộng phạm vi truyền chuyển tiếp hợp tác 74 Hình 3.6 Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM 75 Hình 3.7 Phổ tín hiệu OFDM với sóng mang 76 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT STT Từ viết tắt 2D / 3D A/D ADC AI AIPN AMC ADSL 10 11 12 13 BS BTS CS CSI CSI – RS CT 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 DAS DFT DOA DFT FDD FFT FIR GCC GSC HSDPA 24 HSUPA 25 IAA-APES Iterative Adaptive Approach for Amplitude and Phase EStimation ITU International Telecommunication Union JPEG Joint Photographic Experts 26 27 Nghĩa tiếng Anh 2dimensional/3dimensional Analog/ Digital Analog to Digital Converter Artificial Intelligence All IP Network Adaptation and Modulation Coding Asymmetric Digital Subscriber Line Base Station Base Transceiver Station Compressed sensing Channel Status Information CSI Reference Signal Cordless Telecome Nghĩa tiếng Việt chiều / chiều Tƣơng tự/ số Bộ chuyển đổi tƣơng tự/số Trí tuệ nhân tạo Tất mạng IP Điều chế mã hóa thích nghi Đƣờng dây thuê bao số bất đối xứng Trạm gốc Trạm gốc thu phát Lấy mẫu nén Thông tin trạng thái kênh Tín hiệu tham chiếu CSI Vơ tuyến viễn thông không dây Distributed Antenna System Hệ thống anten phân tán Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc Direction-Of-Arrival Hƣớng búp sóng tới Discrete Fourier transform Biến đổi Fourier rời rạc Frequency Division Duplex Bộ phân chia tần số Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh Finite Impulse Response Đáp ứng xung hữu hạn Generalized cross correlation Tƣơng quan chéo Generalized Sidelobe Canceller Loại bỏ búp sóng phụ High-Speed Downlink Packet Truy nhập gói đƣờng Access xuống tốc độ cao High-Speed Uplink Packet Truy nhập gói đƣờng lên Access tốc độ cao Tiếp cận lặp thích nghi biên độ ƣớc lƣợng pha Tổ chức viễn thông quốc tế Một chuẩn nén ảnh 28 INR 29 30 LMS LCMV 31 32 MUSIC MP3 33 34 MPEG MSC 35 MISI 36 37 MRI MVDR 38 NSP 39 40 OMP RADAR 41 RIP 42 RLS 43 44 45 46 RS RF SNR SINR 47 TBWP Group Interference-to-noise ratio Tỉ lệ tín hiệu can nhiễu nhiễu Least Mean-Square Bình phƣơng nhỏ Linearly constrained minimum Hạn chế tối thiểu phƣơng variance sai Multiple Signal Classification Phân loại nhiều tín hiệu Movie Picture Experts Group- Một định dạng nén âm Layer Moving Picture Experts Group Một chuẩn nén video Multiple Sidelobe Canceller Loại bỏ nhiều búp sóng phụ Multi-input single output Hệ thống nhiều đầu vào – đầu Magnetic resonance imaging Cộng hƣởng từ Minimum Variance Đáp ứng không méo tối Distortionless Response thiểu phƣơng sai Null space conditions Điều kiện không gian không orthogonal matching pursuit Thuật toán đuổi khớp RAdio Detection And Ranging Dị định vị sóng vơ tuyến restricted isometry property Điều kiện giới hạn thuộc tính đẳng cự Recursive Least Squares Đệ quy bình phƣơng tối thiểu Reference Sensor Phần tử tham chiếu Radio Frequency Tần số vô tuyến Signal-to-noise ratio Tỷ số tín hiệu nhiễu Signal-to-interference-plusTỉ lệ tín hiệu tín hiệu noise ratio can nhiễu cộng với nhiễu Time Bandwidth Product Thông số nguồn băng hẹp định Nghiên cứu phương pháp định hướng búp sóng anten thơng minh kích thước lớn Ứng dụng cho hệ 5G LỜI MỞ ĐẦU Hệ thống truyền thông di động hệ gọi hệ thống thông tin di động 5G, đƣợc hỗ trợ công nghệ tạo cải tiến đáng kể thông lƣợng tế bào Trong năm gần đây, nghiên cứu khác tập trung vào hệ thống MIMO cỡ lớn, đƣợc coi đóng vai trị quan trọng 5G Các hệ thống MIMO lớn hệ thống MIMO giải mã / đầu dò có chứa anten tốt Số lƣợng anten lớn cho phép đạt đƣợc hiệu suất cao hiệu suất lƣợng cao Một số loại anten đƣợc sử dụng cho mục đích này, số đƣợc gọi anten thơng minh Anten thông minh cho phép tăng dung lƣợng hệ thống truyền thông không dây cách giảm nhiễu đa kênh nhiễu kênh, thực cách tập trung xạ tín hiệu theo hƣớng dự kiến thay đổi xạ theo mơi trƣờng xung quanh tín hiệu tình giao thoa khác sử dụng công nghệ beamforming Trong luận văn cung cấp tổng quan chuyên sâu kỹ thuật beamforming., từ ứng dụng kỹ thuật beamforming vào hệ thống anten thơng minh, nhƣ anten thơng minh kích thƣớc lớn Tiếp theo, luận văn trình bày tổng quan hệ thống thông tin di động 5G, kỹ thuật đƣợc áp dụng hệ thống 5G Ứng dụng kỹ thuật beamforming hệ thống MIMO cỡ lớn 5G Nội dung luận văn gồm chƣơng: Chƣơng Lý thuyết kỹ thuật định hƣớng búp sóng Trong chƣơng này, tìm hiểu khái niệm, thuật ngữ đƣợc sử dụng luận văn Bắt đầu định nghĩa hệ thống định hƣớng búp sóng tìm hiểu lọc rời rạc Tiếp theo phần giới thiệu liệu mảng, ma trận phát triển cho phƣơng sai (ma trận sai số) liệu mảng so sánh khác biệt định hƣớng búp sóng băng hẹp băng rộng, cuối cùng, ta xét tới loại beamformers Chƣơng : Lý thuyết anten thông minh hệ thống anten thơng minh kích thƣớc lớn Ứng dụng kỹ thuật beamforming tìm hiểu chƣơng I vào hệ thống anten thơng minh, phân tích kỹ thuật nhƣ mục đích hệ thống anten thơng minh, từ đó, sâu tìm hiểu hệ thống anten thơng minh kích thƣớc lớn Phân tích hiệu hệ thống anten thơng minh kích thƣớc lớn nhƣ thu thập thông tin trạng thái kênh CSI GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Trung Học viên: Bế Công Thoan – CB Page | Nghiên cứu phương pháp định hướng búp sóng anten thơng minh kích thước lớn Ứng dụng cho hệ 5G Chƣơng : Ứng dụng kỹ thuật định hƣớng búp sóng anten thơng minh kích thƣớc lớn cho hệ 5G Từ phân tích tìm hiểu beamforming, anten thơng minh kích thƣớc chƣơng 1, chƣơng Chƣơng áp dụng hai kỹ thuật cho hệ thống thông tin di động 5G Xây phát hiện/dò cho hệ thống MIMO cỡ lớn đƣợc xem xét Đồng thời, luận văn đề xuất chùm tia lai digital beamforming analog beamforming cho hệ thống MIMO cỡ lớn Chƣơng : Kết luận Cuối cùng, kết luận đƣợc cung cấp chƣơng Do thời gian kiến thức thân nhiều hạn chế nên luận văn tránh khỏi thiếu sót, kính mong thầy bạn góp ý để luận văn đƣợc hồn thiện Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo, PGS.TS Nguyễn Hữu Trung, ngƣời hƣớng dẫn tơi tận tình giúp tơi hồn thành luận văn tiến độ Tôi xin chân thành cảm ơn! - Hà Nội 2018 - GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Trung Học viên: Bế Công Thoan – CB Page | Nghiên cứu phương pháp định hướng búp sóng anten thơng minh kích thước lớn Ứng dụng cho hệ 5G CHƢƠNG I: LÝ THUYẾT VỀ KĨ THUẬT ĐỊNH HƢỚNG BÚP SÓNG 1.1 Giới thiệu chung Các hệ thống đƣợc thiết kế để nhận tín hiệu khơng gian thƣờng gặp phải có mặt nhiễu Nếu tín hiệu mong muốn nhiễu nằm băng tần thời gian, lọc theo thời gian tách nhiễu khỏi tín hiệu Mặc dù vậy, tín hiệu mong muốn nhiễu thƣờng xuất phát từ vị trí khác không gian Sự phân chia mặt không gian đƣợc khai thác để tách nhiễu khỏi tín hiệu sử dụng lọc phía thu Một beamformer xử lý dùng để kết hợp với mảng phần tử cho phép khảo sát dạng thay đổi lọc không gian Giới hạn định hƣớng búp sóng từ thực tế lọc không gian lúc đầu đƣợc thiết kế dạng búp sóng để nhận tín hiệu xạ từ vị trí đặc biệt triệt tiêu tín hiệu từ vị trí khác Forming beams (định hình búp sóng) cho ta thấy lƣợng xạ; nhiên, định hƣớng búp sóng áp dụng cho lƣợng xạ hấp thụ Một lọc thời gian cần xử lý liệu thu thập thông qua khe thời gian Tƣơng tự, lọc không gian cần xử lý liệu thu thập thông qua khoảng cách không gian Trong chƣơng một, ta tìm hiểu khái niệm, thuật ngữ đƣợc sử dụng luận văn Bắt đầu định nghĩa hệ thống định hƣớng búp sóng tìm hiểu lọc rời rạc Tiếp theo phần giới thiệu liệu mảng, ma trận phát triển cho phƣơng sai (ma trận sai số) liệu mảng so sánh khác biệt định hƣớng búp sóng băng hẹp băng rộng, cuối cùng, ta xét tới loại beamformers GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Trung Học viên: Bế Công Thoan – CB Page |