Nghiên cứu kỹ thuật mimo quy mô lớn cho mạng thông tin di động 5g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN NGỌC DƯƠNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT MIMO QUY MÔ LỚN CHO MẠNG THÔNG 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 - 2018 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông LỜI CAM ĐOAN Tên là: Nguyễn Ngọc Dương Sinh ngày 28 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 mimo quy mô lớn cho mạng thông 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 10 năm 2018 Học viên thực Nguyễn Ngọc Dương Nguyễn Ngọc Dương – CA170267 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 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 10 1.1 Giới thiệu chương 10 1.2 Sự phát triển hệ thống thông tin di động 10 1.2.1 Hệ thống thông tin di động hệ thứ (1G) 11 1.2.2 Hệ thống thông tin di động hệ thứ hai (2G) 12 1.2.3 Hệ thống thông tin di động 2,5G 14 1.2.4 Hệ thống thông tin di động hệ thứ ba (3G) 15 1.2.5 Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G) 17 1.2.6 Hệ thống thông tin di động hệ thứ tư (4G) 19 1.3 Hệ thống thông tin di động hệ thứ năm – 5G 20 1.3.1 Các yêu cầu hệ thống thông tin di động 5G 20 1.3.2 Kiến trúc mạng di động 5G 22 1.3.3 Mạng lõi Nano 28 1.3.4 Các lớp mạng 40 1.3.5 Kỹ thuật truyền dẫn 42 1.4 Tổng kết chương 57 Chương CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT MIMO QUY MÔ LỚN 58 2.1 Giới thiệu chương 58 2.2 Hệ thống Multiuser–MIMO (MU-MIMO) 58 2.2.1 Mơ hình hệ thống giả thiết 59 2.2.2 Truyền dẫn đường lên 60 2.2.3 Truyền dẫn đường xuống 61 2.2.4 Xử lý tuyến tính 61 Nguyễn Ngọc Dương – CA170267 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông 2.2.5 Ước lượng kênh 64 2.3 MIMO quy mô lớn 66 2.3.1 MIMO quy mô lớn gì? 66 2.3.2 MIMO quy mô lớn hoạt động nào? 68 2.3.3 Những thách thức kĩ thuật MIMO quy mô lớn 69 2.4 Tổng kết chương 70 Chương ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG ĐƯỜNG LÊN MIMO QUY MÔ LỚN 71 3.1 Giới thiệu chương 71 3.2 Mơ hình hệ thống 71 3.2.1 Mơ hình hệ thống đường lên 71 3.2.2 Kênh fading Rician 72 3.2.3 Tách sóng tuyến tính 73 3.3 Kết mô 75 3.4 Tổng kết chương 77 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 Nguyễn Ngọc Dương – CA170267 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt G GSM Tiếng anh Generation Global System for Mobile communication Tiếng việt Thế hệ Hệ thống thông tin di động toàn cầu Đa truy nhập phân chia theo thời gian Đa truy nhập phân chia theo mã Đa truy nhập phân chia theo mã băng rộng Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao TDMA Time Division Multiple Access CDMA D2D Code Division Multiple Access Wideband Code Division Multiple Access Orthogonal Frequency Division Multiple Access Enhanced Data Rates for GSM Evolution General Packet Radio Service Universal Mobile Telecommunications System Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty Information Society Device to Device MIMO Multi Input – Multi Output Đa đầu vào, đa đầu BS Base Station Trạm sở CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh FDD Frequency Division Duplex TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo tần số Song công phân chia theo thời gian ML Maximum Likelihood MRC Maximum-Ratio Combining ZF Zero – Forcing MMSE Minimum Mean-Square Error WCDMA OFDMA EDGE GPRS UMTS METIS Nguyễn Ngọc Dương – CA170267 Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp Hệ thống viễn thơng di động toàn cầu Thiết bị tới thiết bị Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 – Tổng quan hệ thống thông tin di động 21 Nguyễn Ngọc Dương – CA170267 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 thông tin di động 10 Hình 1.2- Khối khả hệ thống 5G tương lai 20 Hình 1.3 - Kiến trúc hệ thống 5G (Nguồn: METIS) 23 Hình 1.4 - Sự thay đổi từ RAN sang C-RAN 24 Hình 1.5 - Mạng di chuyển MN 25 Hình 1.6 - Mạng dày đặc UDN 26 Hình 1.7 - Các trường hợp can thiệp lẫn truyền thơng D2D 28 Hình 1.8 - Mạng lõi Nano hệ thống 5G 29 Hình 1.9 - Điện thoại Nano “trong suốt” 31 Hình 1.10 - Morph – Khái niệm công nghệ cho tương lai 31 Hình 1.11 - Cảm biến Nano 32 Hình 1.12 - Qubit 34 Hình 1.13 - Nanodot 35 Hình 1.14 - Mật mã lượng tử 36 Hình 1.15 - Điện tốn đám mây 38 Hình 1.16 - Các lớp mạng hệ thống 5G 40 Hình 1.17 - Lớp mạng (Network Layer) 41 Hình 1.18 - Lịch sử trình kết nối (Nguồn: Cisco) 43 Hình 1.19 - So sánh công nghệ milimeter-wave công nghệ 44 Hình 1.20 - So sánh phương thức điều chế 48 Hình 1.21 - Đa truy nhập phân chia theo búp sóng BDMA 49 Hình 1.22 - Nguyên lý hoạt động BDMA 50 Hình 1.23 - Cấu trúc khung TDD-BDMA 50 Hình 1.24 - Cấu trúc khung FDD-BDMA 51 Hình 1.25 - Đa truy nhập khơng trực giao NOMA 52 Hình 1.26 - So sánh OFDMA NOMA 53 Hình 1.27 - Mơ hình kênh MIMO với Anten phát Anten thu 54 Hình 1.28 - Anten Massive MIMO 55 Hình 1.29 - Mơ hình Cell sử dụng Anten Massive MIMO 56 Nguyễn Ngọc Dương – CA170267 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thơng Hình 2.1 – Mơ hình MIMO 2x2 59 Hình 2.2 – Hệ thống MIMO đa người dùng 60 Hình 2.3 – Sơ đồ khối q trình tách sóng tuyến tính trạm BS 62 Hình 2.4 – Sơ đồ khối tiền mã hóa tuyến tính trạm BS 63 Hình 2.5 – Cấu trúc khe ước lượng kênh hệ thống TDD 65 Hình 2.6 – Cấu trúc khe ước lượng kênh hệ thống FDD 65 Hình 2.7 – Miền khả thi (M,K) hệ thống TDD FDD, với khoảng kết hợp 200 symbol 67 Hình 2.8 – Giao thức truyền thơng MIMO quy mơ lớn sử dụng TDD 68 Hình 3.1 – Mơ hình hệ thống đường lên MIMO quy mơ lớn 71 Hình 3.2 – Giao thức truyền thông đường lên 72 Hình 3.3 – Hiệu suất phổ so với số lượng anten trạm BS sử dụng MRC, ZF, MMSE với  = 0dB 76 Hình 3.4 - Hiệu suất phổ so với số lượng anten trạm BS sử dụng MRC, ZF, MMSE với  = −40dB 76 Nguyễn Ngọc Dương – CA170267 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, khoa học kỹ thuật góp phần then chốt vào phát triển xã hội Các kỹ thuật công nghệ không ngừng nghiên cứu phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu người Đối với lĩnh vực thông tin di động phát triển diễn nhanh chóng mạnh mẽ mang lại cho người lợi ích vơ to lớn 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 Nhu cầu dịch vụ đa phương tiện với lưu lượng liệu lớn, yêu cầu tốc độ cao tạo thách thức lớn đỏi hỏi hệ thống thông tin di động cần không ngừng cải tiến phát triển Để đáp ứng nhu cầu đó, hệ thơng tin di động thứ năm – 5G nghiên cứu, phát triển 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 nhiều đầu vào, nhiều đầu quy mô lớn – Massive MIMO, để nghiên cứu sâu kĩ thuật em định chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật MIMO quy mô lớn cho mạng thông 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: Cơ kỹ thuật MIMO quy mô lớn Chương 3: Đánh giá hiệu hệ thống đường lên MIMO quy mô lớn Trong 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! Nguyễn Ngọc Dương – CA170267 Page Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chương Nội dung chương trình bày khái quát q trình phát triển hệ thống thơng 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 thơng tin di động Trên giới, khu vực khác có tiêu chuẩn khác cho hệ thông tin di động, thể qua hình 1.1 Nguyễn Ngọc Dương – CA170267 Page 10 Luận văn cao học Kỹ thuật viễn thông hiệu phát Để biết độ lợi kênh hiệu quả, trạm BS tạo búp sóng pilot, user ước lượng độ lợi kênh hiệu dựa tín hiệu pilot thu Qúa trình u cầu K kênh user Tóm lại, q trình training yêu cầu tối thiểu 2K kênh user Chúng ta giả định kênh không đổi T kỹ hiệu Do cần có 2K