Nghiên cứu 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 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 thông 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 Zero – Forcing Lê Trọng Hiến – CA170268 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 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 thơng 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 Nt Anten phát Nr 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 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông thống MIMO quy mô lớn có tiềm cải thiện hiệu phổ mảng ăng ten định dạng chùm không dây với số lượng lớn phần tử ăng ten phục vụ BS với q trình tiền mã hóa phát kết Hiệu suất phổ hệ thống tế bào bị ảnh hưởng phân bố tỷ lệ sóng mang mạng di động Hiệu suất cấu trúc hệ thống không dây tăng cường cách hiệu thông qua việc thay mảng ăng ten đa hướng thông thường cấu trúc phân vùng tế bào động mảng ăng ten điều khiển chùm tia cách sử dụng quy trình song cơng phân chia theo thời gian (TDD) Các mô hiệu việc tạo thành tế bào động cải thiện cách sử dụng kỹ thuật chiếu tia thay anten đa hướng BS Hơn nữa, mức tăng định dạng chùm trung bình làm tăng cơng suất tín hiệu đường xuống tiền mã hóa kết hợp chặt chẽ tín hiệu thu tất phần tử ăng ten Độ lợi liên quan đến tốc độ tải xuống; đó, tốc độ liệu tăng lên cách sử dụng hệ thống MIMO quy mô lớn 2.2.3 Tăng cường bảo mật hệ thống Khái niệm beamforming để điều khiển tín hiệu truyền tới người dùng dự định; đó, người nhận bên khơi phục tín hiệu mong muốn từ tín hiệu lớp phủ An ninh vật lý đạt xác suất kẻ nghe trộm nhận tín hiệu truyền nhỏ so với sử dụng ăng-ten thông thường 2.2.4 Khả ứng dụng cho dải sóng mm Một ưu điểm khác beamforming áp dụng cho dải sóng mm Do phần lớn phổ tần số phù hợp với truyền thơng di động thị dày đặc (ví dụ, GHz) cấp phép, cách để tăng tốc độ liệu miền tần số sử dụng dải tần số không sử dụng gần dải sóng mm Ưu điểm dải tần số tính sẵn có băng thơng cao Tuy nhiên, đặc điểm lan truyền dải kém, khoảng cách ngắn Anten định hướng cao phải sử dụng để khắc phục hạn chế May mắn thay, khuếch đại ăng ten cao đạt kích thước ăng ten nhỏ đáng kể tần số sóng mang cao Điều có nghĩa ăng ten định hướng sử dụng với thiết bị di động Tuy nhiên, hệ thống chùm hẹp cố định Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 58 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông không phù hợp cho ứng dụng di động Điều làm cho Beamforming giải pháp khả thi cho ứng dụng 2.3 Các tiền mã hóa tách sóng MIMO quỹ mơ lớn Như đề cập trên, hệ thống MIMO quy mô lớn có lợi ích sau: tăng cường hiệu suất thơng lượn, thành phần chi phí thấp, lượng thấp xạ lượng hiệu Tiền mã hóa, đồng hóa tín hiệu truyền đi, chức liên quan đến hệ thống MIMO phát triển cho hệ thống MIMO quy mơ lớn phụ thuộc vào tính khả dụng CSI để sửa lỗi tín hiệu BS Các máy tách sóng thiết bị đầu cuối (trạm di động) sau phục hồi tín hiệu thiết lập mong muốn từ thành phần mảng ăng ten BS giai đoạn đường xuống Thiết kế máy tách sóng với mức tiêu thụ điện tăng cường độ phức tạp ước tính thấp khó thu quan trọng, đặc biệt số lượng ăng ten tăng Trong hầu hết trường hợp hệ thống MIMO quy mô lớn, trạm di động theo dõi xác trạng thái tức thời kênh từ tín hiệu hoa tiêu chèn đặc trưng vào tín hiệu truyền dẫn đường lên từ thiết bị đầu cuối khác tế bào; đó, khe thời gian t (t = 1, 2, …, T), tín hiệu nhận BS thứ j biểu thị sau: yj,u(t) = √𝑃𝑢 ∑𝐾 𝑘=1 ℎ𝑗,𝑘 (𝑡 )𝑠𝑘 (𝑡 ) + 𝑛𝑗 (𝑡 ), (2.1) Trong ℎ𝑗,𝑘 (𝑡 ) ∈ ℂ𝑀𝑥1 vectơ kênh đường lên từ người dùng thứ k cell tới BS, M số phần tử ăng ten mảng BS, sk(t) ký hiệu truyền người dùng thứ k cell khe thời gian thứ t, Pu tỷ lệ tín hiệu nhiễu trung bình (SNR) nj(t) vectơ nhiễu bổ sung nhận khe thời gian thứ t Ở khe thời gian, chùm tuyến tính định dạng sử dụng BS để triệt nhiễu tăng cường tín hiệu Đối với người dùng thứ k cell thứ j, vectơ tín hiệu nhận được, yj,u(t) biểu thức (1), xử lý BS thứ j với định dạng chùm tín hiệu kết biểu thị 𝐻 𝑠̃𝑗,𝑘 (𝑡 ) = 𝒘𝑗,𝑘 𝒚 𝑗 (𝑡 ) (2.2) Trong giai đoạn đường xuống, BS triển khai N phần tử ăng ten truyền tín hiệu thiết bị đầu cuối tương thích tốt với nhiều ăng ten đa búp sóng Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 59 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông wj,k biểu thị vectơ truyền dẫn đường xuống truyền cho người dùng thứ k cell thứ j Sau đó, tín hiệu nhận người dùng thứ k ô thứ j đưa 𝐻 𝑦𝑗,𝑘,𝑑 = 𝒉𝑗,𝑗,𝑘 𝒘𝑗,𝑘 𝑥𝑗,𝑘 + ∑𝑛,𝑙≠𝑗,𝑘 𝒉𝐻 𝑛,𝑗,𝑘 𝒘𝑛,𝑙 𝑥𝑛,𝑙 + 𝑛𝑗,𝑘 , (2.3) Trong xj,k đại diện cho tín hiệu thơng tin cho người dùng thứ k cell thứ j Tỷ lệ tín hiệu can nhiễu tạp âm (SINR) người dùng k 𝐒𝐈𝐍𝐑 j,k = |𝒉𝐻 𝑗,𝑗,𝑘 𝒘𝑗,𝑘 | 2 ∑𝑛,𝑙≠𝑗,𝑘|𝒉𝐻 𝑛,𝑗,𝑘 𝒘𝑛,𝑙 | + 𝜎 (2.4) Gần đây, thuật toán phát với độ phức tạp thấp hiệu suất tối ưu cao nhận ý đáng kể từ nhà nghiên cứu tìm cách nâng cấp hệ thống truyền thông không dây thơng thường lên 5G Chúng ta phân loại tiền mã hóa/bộ tách sóng thành hai loại chính: tiền mã hóa / tách sóng tuyến tính tiền mã hóa/bộ tách sóng phi tuyến Các tách sóng tín hiệu tuyến tính với độ phức tạp thấp xem xét tất tín hiệu, truyền cách loại trừ luồng mong muốn khỏi anten phát định nhiễu Do đó, tín hiệu gây nhiễu, truyền từ anten khác, bị giảm bị vơ hiệu hóa q trình phát tín hiệu mong muốn từ anten phát định Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 60 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông CHƯƠNG 3: PHÂN LOẠI KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SĨNG 3.1 Giới thiệu chương Kỹ thuật đa búp sóng sử dụng ăng ten thông minh để truyền nhận tín hiệu hệ thống MIMO quy mô lớn Anten thông minh ăng ten mảng với thuật tốn xử lý tín hiệu nhận biết định danh tín hiệu khơng gian, chẳng hạn hướng đến (DOA) tín hiệu sử dụng chúng để đánh giá vectơ định dạng Các vectơ xác định theo dõi tín hiệu mong muốn gửi từ trạm di động Các kỹ thuật ăng ten thông minh sử dụng đặc biệt xử lý tín hiệu âm thanh, thiên văn vơ tuyến kính thiên văn vơ tuyến, radar theo dõi qt, hệ thống truyền thông không dây, W-CDMA, UMTS, LTE LTE Advanced Một số phương pháp, kỹ thuật phân loại nhiều tín hiệu (MUSIC), ước tính tham số tín hiệu thơng qua kỹ thuật bất biến xoay vòng (ESPRIT) phương pháp ma trận bút chì dẫn xuất nó, xây dựng phần kỹ thuật đa búp sóng để dự đốn DOA tín hiệu đến thực thông qua hệ thống ăng ten thông minh Các phương pháp sử dụng phổ tần khơng gian dải ăng ten tính tốn DOA dựa đỉnh phổ Anten thơng minh phân loại thành ba loại: đa dạng, ghép kênh khơng gian búp sóng Tính đa dạng sử dụng phía truyền nhận để giảm fading đa đường cải thiện độ tin cậy liên kết, ghép kênh không gian bao gồm truyền nhiều luồng liệu song song để tăng tốc độ truyền Một số cơng trình tiến hành để phân loại kỹ thuật đa búp sóng theo đặc điểm chúng Một số nhà khoa học phân loại kỹ thuật đa búp sóng theo đặc điểm vật lý chúng Các kỹ thuật đa búp sóng chia thành hai loại chính: búp sóng chuyển đổi búp sóng thích ứng Hơn nữa, họ phân loại kỹ thuật thành loại ăng ten mảng khác nhau: mảng tuyến tính, mảng trịn mảng hình chữ nhật Một phân loại khác kỹ thuật định hướng đa búp sóng dựa xử lý tín hiệu, nhà nghiên cứu phân loại kỹ thuật thành dạng búp sóng tương tự, búp sóng kỹ thuật số dạng búp sóng lai tương tự/số Lợi ích việc sử dụng định dạng búp sóng tương tự dịch pha rẻ tiền sử dụng cho hệ thống MIMO quy mơ lớn so với định dạng búp sóng kỹ thuật số, loại mà có ưu điểm cung cấp kết tảng xác nhanh để thu tín hiệu người dùng Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 61 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông Tuy nhiên, búp sóng kỹ thuật số phức tạp cao thiết kế tốn kém; đó, khơng áp dụng hệ thống MIMO quy mô lớn Búp sóng lai tương tự/số phát triển cho hệ thống MIMO quy mơ lớn để có ưu điểm định dạng búp sóng tương tự số Ngồi ra, nhiều thuật tốn cung cấp tiến công nghệ để tăng tối ưu hóa hiệu suất ăng ten định dạng búp sóng thích ứng Các thuật tốn phân thành hai loại chính: thuật tốn thích ứng mù thuật tốn thích ứng khơng mù Các thuật tốn thích ứng khơng mù địi hỏi thơng số biết tín hiệu truyền đi, với mục tiêu xác định đường có trọng số Mục tiêu thường đạt cách sử dụng tín hiệu huấn luyện truyền qua liên kết truyền thông đến thiết bị đầu cuối để hỗ trợ phát người dùng ưa thích Ngược lại, thuật tốn thích ứng mù không yêu cầu kiến thức thống kê đào tạo; điều thể rõ ràng thuật ngữ ‘mù’ Trọng tâm thuật toán mù thiết lập lại số loại đặc tính vật lý tín hiệu đường xuống với mục tiêu tối đa hóa tín hiệu đến đầu cuối mong muốn giảm thiểu nhiễu từ đầu cuối khác Một yếu tố khác cải thiện chất lượng dịch vụ kỹ thuật định hướng đa búp sóng chúng sử dụng cho dải sóng mm (băng rộng) thay băng tần thơng thường (băng tần hẹp), là, 900 MHz – MHz Trong dải sóng mm, dải ăng ten nhỏ kích thước bước sóng độ rộng búp sóng sắc nét phạm vi tối đa BS người dùng vài trăm mét Các phân loại trình bày hình 3.1 3.2 Định hướng đa búp sóng băng rộng định hướng đa búp sóng băng hẹp Định hướng đa búp sóng chia thành hai loại tùy thuộc vào băng thơng tín hiệu: định hương đa búp sóng băng hẹp định hương đa búp sóng băng rộng Định hướng đa búp sóng băng hẹp thực kết hợp tuyến tính tức thời tín hiệu mảng nhận Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 62 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng Hình 3.1 - Phân loại định hướng đa búp sóng LMS: least-mean-square; RLS: recursive-least-square; SMI: sample matrix inversion; CGA: conjugate gradient algorithm; CMA: constant modulus algorithm; LS-CMA: least square constant modulus algorithm; LCMV: linearly constrained minimum variance; MVDR: minimum variance distortionless response Phần lớn ứng dụng truyền thông không dây tập trung vào định hướng đa búp sóng băng hẹp; nhiên, định hướng đa búp sóng băng rộng trở thành chủ đề quan trọng cho ứng dụng truyền thông không dây tương lai yêu cầu 5G liên quan đến tín hiệu băng tần cao để đạt tốc độ liệu cực cao Ví dụ tốt định hướng đa búp sóng băng rộng thực cho 5G để thiết lập tốc độ cực cao công suất cao định hướng đa búp sóng mm 3.3 Định hướng mảng búp sóng chuyển mạch mảng búp sóng thích ứng Các sơ đồ định hướng búp sóng thường phân loại hệ thống búp sóng chuyển đổi hệ thống búp sóng thích ứng Một hệ thống búp sóng chuyển đổi phụ thuộc vào mạng lưới định hướng búp sóng cố định tạo chùm xác định trước Có lẽ giải pháp phổ biến cho định hướng búp sóng cố định ma trận Butler, Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 63 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông phát triển Butler Ralph (1961) Một ma trận Butler bao gồm ghép lai, dịch pha phân tần Một hệ thống búp sóng chuyển đổi yêu cầu mạng chuyển mạch, với mục tiêu chọn búp sóng phù hợp để thu tín hiệu mong muốn từ thiết bị đầu cuối cụ thể Phần lớn chùm phát chọn khơng hướng mong muốn Hơn nữa, búp sóng thường phục vụ nhiều trạm di động (Hình 3.2a) Ngược lại, hệ thống mảng thích ứng có tùy chọn để tạo búp sóng cho người dùng Tùy chọn thực vectơ trọng lượng áp dụng thơng qua xử lý mảng thích ứng cho tín hiệu phát với mục tiêu kiểm sốt thay đổi pha phần tử dải ăng ten biên độ lan truyền chúng (Hình 3.2b) Trong kỹ thuật này, hình dạng búp sóng cụ thể hình thành hướng trạm di động ưa thích Định hướng đa búp sóng giả định BS nâng cấp hóa việc định vị trạm di động Tuy nhiên, việc định vị xác nhiệm vụ khó khăn số lượng lớn trạm di động thời gian thực làm q tải q trình Do đó, việc ước tính DOA tín hiệu thu đặt dải ăng ten vấn đề hệ thống truyền thông không dây Việc đưa hệ thống đa búp sóng thích ứng vào thực tế khó khăn đáng kể so với hệ thống đa búp sóng chuyển mạch Ngược lại, búp sóng thích ứng hồn hảo cố gắng giảm nhiễu người dùng cải thiện đáng kể nguồn lượng Bất kể, có ưu nhược điểm cho hai loại, cần phải xem xét triển khai cho hệ thống MIMO lớn Những ưu điểm nhược điểm thể Bảng 3.1, minh họa việc thực đa búp sóng thích ứng khó thực hiện, phần lớn nghiên cứu mô gần liên quan đến MIMO quy mơ lớn thích hợp với kỹ thuật độ tin cậy yêu cầu 5G Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 64 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông Bảng 3.1: So sánh hai phương pháp phạm vi bao phủ, công suất, triệt nhiễu độ phức tạp Thơng số Vùng phủ cơng suất Đa búp sóng chuyển mạch Đa búp sóng thích ứng Vùng phủ sóng cơng suất tốt Bao phủ diện tích lớn hơn so với hệ thống ăng ten đồng so với đa búp thông thường Sự cải thiện nằm sóng chuyển mạch mức khoảng từ 20% đến 200% lượng Triệt nhiễu Gặp vấn đề việc phân biệt Đưa giải pháp triệt nhiễu tồn tín hiệu mong muốn tín hiệu diện gây nhiễu Độ phức tạp - Dễ dàng thực - Khó thực giá thành hệ thống di động có - Đắt - Không tốn - Yêu cầu nhiều thời gian - Sử dụng thuật toán đơn thuật tốn xác giản để lựa chọn búp sóng (rất phức tạp) để định hướng đa búp sóng Hình 3.2 - Đa búp sóng thích nghi (a) đa búp sóng chuyển mạch (b) Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 65 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông 3.3 Các thuật tốn định hướng đa búp sóng thích ứng Trong mảng ăng ten đa búp sóng, tín hiệu nhận phần tử ăng ten mảng ăng ten tích hợp cách thích ứng để nâng cao hiệu chung hệ thống truyền thơng khơng dây Các tín hiệu phát ăng ten khác BS qua trình nhân với trọng số phức tạp Các trọng số bị biến đổi tổng hợp Trong mảng ăng ten đa búp sóng thích ứng, theo DOA, búp sóng dự đốn điều khiển theo hướng tín hiệu mong muốn việc vơ hiệu hóa áp dụng cho hướng tín hiệu khơng mong muốn DOA tín hiệu đến hướng tín hiệu gây nhiễu ước tính dễ dàng ăng ten thơng minh Sau đó, cách sử dụng thuật tốn định hướng đa búp sóng, búp sóng ăng ten tạo theo hướng tín hiệu mong muốn việc vơ hiệu hóa hình thành theo hướng tín hiệu gây nhiễu Các thuật tốn định hướng búp sóng thích ứng phân thành hai loại chính: thuật tốn thích ứng khơng mù thuật tốn thích ứng mù Phương trình tổng qt cho đầu mảng thích ứng y (t) đưa bởi: y (t) = wHx(t) (3.1) wH biểu thị chuyển vị liên hợp phức vectơ trọng lượng Các trọng số tính theo cách lặp dựa mảng y(t) Trong thuật tốn thích ứng khơng mù, tín hiệu tham chiếu sử dụng để điều chỉnh trọng số mảng liên tục Sau đó, đáp ứng trọng số cuối lần lặp so sánh với tín hiệu tham chiếu tín hiệu lỗi tạo thực để điều chỉnh trọng số thuật tốn Tín hiệu lỗi đưa bởi: e(t) = d(t) - wHx(t) (3.2) Trong d(t) tín hiệu tham chiếu, tương tự tín hiệu gốc thuật toán giảm thiểu chênh lệch lỗi tín hiệu đầu tín hiệu tham chiếu cho tín hiệu đầu gần tín hiệu gốc tốt Sau đó, búp sóng hình thành phía tín hiệu mong muốn người dùng ln theo dõi Một số ví dụ thuật tốn thích ứng khơng mù thuật tốn bình phương nhỏ (LMS), thuật tốn đệ quy-bình phương nhỏ (RLS), đảo ngược ma trận mẫu (SMI) gradient liên hợp (CG) Ngược lại, thuật tốn thích ứng mù khơng phụ thuộc vào việc thực tín hiệu tham chiếu đó, khơng có yêu cầu điều chỉnh trọng số mảng Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 66 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng Các ví dụ tiếng thuật tốn thích ứng mù bao gồm thuật tốn mơ đun khơng đổi (CMA) thuật tốn mơ đun số vng nhỏ (LS-CMA) Việc vơ hiệu hóa thiết kế theo hướng xác định nguồn nhiễu cách thay đổi thích nghi mơ hình mảng ăng ten; đó, kỹ thuật tạo búp sóng thích ứng hoạt động điều kiện nhiễu Bộ tạo sóng định hướng đa búp sóng thích ứng xử lý tín hiệu số, đưa tín hiệu thu được, xác định trọng số phức, nhân trọng số tạo theo yếu tố điều chỉnh mẫu phát xạ mảng Ảnh hưởng tín hiệu nhiễu tín hiệu nhiễu giảm thiểu dải ăng ten, điều tạo mức tăng tối đa theo hướng mong muốn Do đó, hiệu suất ăng ten thông minh phụ thuộc chủ yếu vào thuật tốn thích ứng sử dụng cho định hướng đa búp sóng kỹ thuật số Hầu hết tiêu chí hiệu suất thuật tốn định hướng đa búp sóng thích ứng phụ thuộc vào so sánh loại thuật toán khác thời gian đánh giá (tốc độ chuyển đổi số lần lặp) độ phân giải xác, bị ảnh hưởng tín hiệu đa đường nhiễu, để có SNR tối đa từ thiết bị đầu cuối mong muốn Gần đây, hai thuật tốn thích ứng tiếng phát triển dựa phương pháp điều khiển việc vô hiệu, định hướng búp sóng LCMV định hướng búp sóng MVDR; thuật tốn sử dụng ý tưởng định hướng búp sóng vơ hiệu hóa để tạo mảng định hương búp sóng thích ứng Anten định hướng vơ hiệu hóa quan trọng giao tiếp khơng dây chúng cải thiện SINR cách đặt việc vơ hiệu hóa theo hướng nhiễu định hướng búp sóng theo hướng mong muốn Các vị trí vơ hiệu hóa mẫu ăng-ten hàm trọng số phức tạp Giá trị chúng có cách giải phương trình tuyến tính Tuy nhiên, hướng tín hiệu nhiễu phải biết xác Điều gây vấn đề thực tế hướng tín hiệu nhiễu thay đổi theo thời gian tình thời gian thực Định hướng việc vơ hiệu hóa thích ứng, theo dõi hướng nhiễu, thông qua để giải vấn đề 3.3.1 Định hướng đa búp sóng phương sai tối thiểu tuyến tính Phần lớn thuật tốn định hướng búp sóng thiết kế địi hỏi số kiến thức tín hiệu tham chiếu cường độ tín hiệu mong muốn Những giới hạn khắc phục cách áp dụng ràng buộc tuyến tính cho vectơ trọng lượng Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 67 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng Khái niệm máy tạo chùm LCMV đề xuất Frost (1972), máy tạo chùm LCMV lọc không gian chọn vectơ trọng lượng tối ưu để giảm đáp ứng lọc dựa ràng buộc công suất Điều kiện này, với ràng buộc khác, đảm bảo bảo vệ tín hiệu vị trí mong muốn giảm hiệu ứng phương sai tín hiệu tạo từ hướng khác LCMV phát triển dựa MMSE thông thường để điều chỉnh tự động trọng lượng mảng cho đơn giản Nhược điểm kỹ thuật LCMV tốc độ hội tụ thấp, khiến khơng phù hợp để áp dụng cho hệ thống MIMO quy mô lớn yêu cầu DOA để tối đa hóa SNR, giúp đơn giản hóa q trình ước tính Nhiều nghiên cứu khác tìm cách cải thiện khả chùm tia LCMV 3.3.2 Định hướng đa búp sóng đáp ứng khơng nhiễu phương sai tối thiểu Khái niệm thuật tốn định hướng búp sóng MVDR giảm phương sai đáp ứng búp sóng cách chọn trọng số phần tử ăng ten giữ mức khuếch đại điều chỉnh búp sóng theo hướng mong muốn Mục đích thủ tục chấm dứt tín hiệu nhiễu mạnh từ hướng không mong muốn Một số phương pháp đề xuất để tăng cường tính hợp lệ máy tạo búp sóng MVDR, với phương pháp tiếng sử dụng rộng rãi tải chéo phần mở rộng Phương pháp tải đường chéo ban đầu phát triển Carlson (1988) Thuật toán đạt cải tiến đáng kể so với ăng ten thích ứng thông thường Dựa yêu cầu 5G bao gồm độ khơng trễ độ xác, thuật tốn thích ứng mù thuận tiện thuật tốn thích ứng khơng mù cho hệ thống MIMO quy mơ lớn Tuy nhiên, đặc tính nói LCMV MVDR MVDR phù hợp với hệ thống MIMO quy mô lớn Các nhà nghiên cứu đánh giá DOA cho thuật tốn nói góc phương vị góc độ cao (2D-DOA), làm tăng độ xác kết quả, làm giảm nhiễu cell tăng hiệu suất hệ thống MIMO quy mơ lớn Đối với định dạng, tiêu chí khác xem xét nghiên cứu so sánh hiệu suất định dạng thực Nó tất định dạng đề xuất phải phù hợp với hiệu suất hệ thống Tuy nhiên, độ xác ước tính đạt đến đỉnh điểm cách sử dụng hình học phẳng Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 68 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông 3.4 Định hướng đa búp sóng tương tự, số lai tương tự/số Một cách phân loại khác kỹ thuật định hướng đa búp sóng thể hình 1, chúng phân thành hai loại: định hướng đa búp sóng tương tự định hướng đa búp sóng kỹ thuật số Định hướng đa búp sóng tương tự đề xuất 50 năm trước Các anten định hướng đa búp sóng tương tự cấu tạo ma trận lai dịch pha cố định Khái niệm đằng sau định hướng đa búp sóng tương tự điều khiển pha tín hiệu truyền cách sử dụng dịch pha chi phí thấp Một chuyển mạch tần số vô tuyến chọn lọc (RF) sử dụng để tạo điều kiện cho chức định hướng búp sóng (góc định hướng) Một số ăng ten định hướng đa búp sóng tương tự đại đề xuất cung cấp định hướng đa búp sóng liên tục Venkateswaran van der Veen (2010) đề xuất định hướng đa búp sóng tương tự truyền thơng MIMO với mạng chuyển pha Họ cố gắng hủy tín hiệu gây nhiễu miền tương tự giảm thiểu độ phân giải ADC cần thiết Ngược lại, định hướng đa búp sóng kỹ thuật số bao gồm nhiều ưu điểm, bao gồm ước tính DOA, điều khiển lập trình mẫu xạ ăng-ten điều khiển búp sóng thích ứng để tăng cường SINR Những ưu điểm có cách sử dụng công nghệ kỹ thuật số Việc triển khai định hướng đa búp sóng kỹ thuật số khơng phù hợp với hệ thống MIMO quy mơ lớn định hướng đa búp sóng truyền thống thực dải sở, giúp kiểm soát pha biên độ tín hiệu; đó, địi hỏi tần số sóng mang tín hiệu xử lý phải chuyển đổi lên sau chuỗi RF chéo, bao gồm chuyển đổi, trộn khuếch đại công suất kỹ thuật số (D/A) Các đáp ứng chuỗi RF sau kết hợp với phần tử ăng ten Nói cách khác, phần tử mảng ăng ten phải củng cố chuỗi RF chuyên dụng Điều tốn để triển khai hệ thống MIMO quy mơ lớn cần số lượng lớn thành phần ăng ten Như lưu ý trên, định hướng đa búp sóng tương tự áp dụng cách đơn giản cách sử dụng dịch pha rẻ tiền Vì lý đó, định hướng đa búp sóng tương tự có hiệu chi phí so với định hướng đa búp sóng kỹ thuật số Ngược lại, định hướng đa búp sóng tương tự thể hiệu suất so với định hướng đa Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 69 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng búp sóng kỹ thuật số biên độ dịch pha không linh hoạt Để đạt hiệu suất tốt hơn, kết hợp định hướng đa búp sóng kỹ thuật số tương tự đề xuất gọi định hướng đa búp sóng lai Khái niệm định hướng đa búp sóng lai, hỗn hợp định dạng đa búp sóng kỹ thuật số tương tự, áp dụng rộng rãi cho hệ thống MIMO quy mô lớn Phần định hướng đa búp sóng kỹ thuật số tạo tín hiệu băng sở, phần định hướng đa búp sóng tương tự giải hiệu ứng chuỗi RF cách giảm số lượng ADC / DAC, giúp cải thiện đầu khuếch đại công suất thay đổi kiến trúc trộn tiết kiệm chi phí Các loại hệ thống đa búp sóng lai khác thiết kế đề xuất nhiều nhà nghiên cứu Hur et al (2013) thiết kế máy tạo búp sóng lai so sánh định hướng đa búp sóng lai kỹ thuật số trường hợp hệ thống MIMO quy mơ lớn có nhiều đường xuống Họ nghiên cứu mối quan hệ định hướng đa búp sóng kỹ thuật số đa búp sóng lai theo thống kê cách thay đổi yếu tố tham số chuỗi RF Kết mô cho thấy số chuỗi RF ADC định, khác biệt hiệu suất định hướng đa búp sóng kỹ thuật số lai cải thiện cách giảm số lượng biểu tượng ghép kênh Hơn nữa, số ký hiệu ghép kênh cụ thể, việc tăng số chuỗi RF ADC tăng tỷ lệ tổng hợp định hướng đa búp sóng lai thu Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 70 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông KẾT LUẬN Luận văn trình bày cách khái quát kỹ thuật định hướng đa búp sóng cho mạng 5G thấy ưu, nhược điểm chúng Định hướng đa búp sóng băng rộng (dạng sóng dải mm) áp dụng nhiều MIMO nhờ hiệu chi phí để giảm thiểu vấn đề băng thông hiệu lượng thiết kế mảng ăng ten thông minh Định hướng đa búp sóng thích nghi phù hợp cho hệ thống MIMO quy mô lớn so định hướng đa búp sóng chuyển mạch khả loại bỏ nhiễu giảm tiêu thụ điện Cuối cùng, đạt búp sóng tối ưu cho hệ thống MIMO quy mô lớn cách triển khai kết hợp định hướng đa búp sóng tương tự kỹ thuật số dải sóng mm kết hợp với thuật toán tối ưu Các thuật toán tối ưu thuật tốn thích ứng, chẳng hạn MVDR kết hợp hai thuật tốn, để ước tính xác DOA theo góc phương vị góc độ cao (2D-DOA) Việc triển khai định hướng đa búp sóng tối ưu cung cấp hiệu suất cao hệ thống MIMO quy mô lớn, đáp ứng yêu cầu hệ thống truyền thông không dây hệ Hướng phát triển đề tài: Đây đề tài sâu rộng ứng dụng, nghiên cứu rộng rãi Trong tương lai có điều kiện em sâu vào tìm hiểu nghiên cứu sâu vấn đề cốt lõi định hướng đa búp sóng mạnh 5G nghiên cứu tìm giải pháp khắc phục thách thức hệ thống MIMO quy mô lớn ô nhiễm Pilot, bất lợi lan truyền sóng… Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 71 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ehab ALI‡, Mahamod ISMAIL, Rosdiadee NORDIN, Nor Fadzilah ABDULAH, Beamforming techniques for massive MIMO systems in 5G: overview, classification, and trends for future research, (Department of Electrical, Electronic and System Engineering, Universiti Kebangsaan Malaysia (UKM), Bangi 43600, Malaysia) [2] H Q Ngo, Massive MIMO: Fundamental and System Design, Dissertation, Linköping University, Sweden, 2015 [3] Muaayed AL-Rawi, Massive MIMO System: An Overview, International Journal of Open Information Technologies, ISSN: 2307-8162 vol (no 2), 2017 [4] Jonathan Rodriguez, Fundamentals oF 5G mobile networks, Wiley, 2015 [5] Ma Zheng, Zhang ZhengQuan, Ding ZhiGuo, Fan PingZhi, Li HengChao, Key techniques for 5G wireless communications: network architecture, physical layer, and MAC layer perspectives, Science China Information Sciences, Vol 58, 2015 [6] J G Andrews et al., What will 5G be?, IEEE J Sel Areas Commun., vol 32 (no 6), pp 1065–1082, 2014 [7] Yuya Saito, Yoshihisa Kishiyama, Anass Benjebbour, Takehiro Nakamura, Anxin Li, and Kenichi Higuchi, “Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for Future Radio Access”, Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2013 IEEE 77th, 2013 [8] Erik G Larsson, “Very Large MIMO System: Opportunities and Challenges”, Linköping University [9] L Lu, G Y Li, A L Swindlehurst, A Ashikhmin, and R Zhang, "An Overview of Massive MIMO: Benefits and Challenges", IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, Vol 8, No 5, 2014 [10] H Q Ngo, E G Larsson, and T L Marzetta, “Energy and Spectral Efficiency of Very Large Multiuser MIMO Systems", IEEE Transactions on Communications, Vol 61, No.4, 2013 Lê Trọng Hiến – CA170268 Page 72 ... Một kỹ thuật cốt lõi sử dụng hệ thống thơng 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 thông. .. 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. .. cho hệ thống thông tin di động 2G khơng thống nhất, việc chuyển giao tồn cầu khó thực 1.2.3 Hệ thống thông tin di động 2 ,5G Hệ thống thông tin di động 2 ,5G nâng cấp từ hệ thống thông tin di động