Nghiên cứu hệ thống thông tin di động 5g

MỤC LỤC Trang DANH MỤC HÌNH ẢNH IV DANH MỤC CÁC BẢNG VI DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VI LỜI NÓI ĐẦU XII CHƯƠNG 1: Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động 14 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) 15 1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) 16 1.3 Hệ thống thông tin di động 2,5G 18 1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) 19 1.5 Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre4G) 21 1.6 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) 23 1.7 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) 24 1.8 Kết luận chương 1 26 CHƯƠNG 2: Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 5G 27 2.1 Số liệu thực tế và thách thức 27 2.1.1 Những số liệu thực tế 27 2.1.2 Thách thức đối với hệ thống thông tin di động thứ 5 29 2.2 Các yêu cầu chính cho hệ thống thông tin di động 5G 30 2.3 Khái niệm và Kiến trúc 33 2.3.1 Dịch vụ đổi mới 34 2.3.2 Nền tảng cho phép (Enabling Platform) 35 2.3.3 Cơ sở hạ tầng siêu kết nối 36 2.4 Các công nghệ cho phép 38 2.5 Kết luận chương 2 40 CHƯƠNG 3: Công nghệ cho phép và các dịch vụ 5G 41 3.1 Các công nghệ 5G 41 3.1.1 Trải nghiệm người dùng thực tế và xử lý nội dung 5G 41 3.1.2 Xử lý hiệu quả và truyền tải đa phương tiện 43 3.1.3 Mạng toàn cầu dựa trên nền tảng đám mây 45 3.1.4 Mạng thông minh và tối ưu hóa mạng dựa trên những phân tích 46 3.1.5 Mạng lưới vận tải linh hoạt nhanh 47 3.1.6 Kiến trúc mạng ngoài 49 3.1.6.1 Truyền thông Trực tiếp D2D 49 3.1.6.2 MultiRAT 51 3.1.6.3 Mạng di chuyển MN 53 3.1.7 Hoạt động nâng cao cho Multicell 55 3.1.8 Cell nhỏ, siêu dày đặc 56 3.1.9 Băng tần rộng RF chùm tia 3D 57 3.1.10 Tăng cường công nghệ nhiều anten và Massive MIMO 59 3.1.11 Nâng cao IoT và dạng sóng mới 63 3.2 Dịch vụ 66 3.2.1 Dịch vụ IoT (Internet of Things) 66 3.2.2 Hình ba chiều và dịch vụ gọi 3D hologram 67 3.2.3 Dịch vụ AR VR hấp dẫn quy mô lớn 68 3.2.4 Dịch vụ trễ cực thấp 69 3.2.5 Dịch vụ thông minh dựa trên phân tích dữ liệu 71 3.2.6 An toàn công cộng và dịch vụ cứu trợ tai hoạ 72 3.3 Phổ 73 3.3.1 Các băng tần số yêu cầu của 5G 73 3.3.2 Dự báo nhu cầu tương lai đối với băng tần 5G 74 3.4 Kết luận chương 3 75 CHƯƠNG 4: Đa truy cập không trực giao (NOMA) cho mạng 5G 76 4.1 Giới thiệu 76 4.2 Đa truy cập không trực giao (NOMA) 77 4.2.1 NOMA cho đường xuống 78 4.2.2 NOMA cho đường lên 81 4.3 Hiệu quả quang phổ và hiệu suất năng lượng 83 4.4 Kết quả 84 4.5 Kết luận chương 4 85 KẾT LUẬN 86 PHỤ LỤC 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 LỜI NÓI ĐẦU Hệ thống thông tin di động hiện tại đã đạt được nhiều thành tựu to lớn. Cho đến bây giờ mạng 4G đã được triển khai khắp cả nước, nhờ đó mà cuộc cách mạng công nghê thông tin ngày càng bùng nổ. Nhiều thiết bị thông minh đã gắn liến với công việc hay cuộc sống mỗi người như đồng hồ, tivi, đồ gia dụng, nhà thông minh... Mạng 4G đã đáp ứng được tốc độ dữ liệu nhanh hơn, lên đến chục thậm chí hàng trăm Mbps, khối lượng dữ liệu lớn hơn. Mặc dù vậy, với tốc độ phát triển các công nghệ phần cứng tăng lên chóng mặt về tốc độ xử lý và số lượng thiết bị hiện nay thì tương lai không xa mạng 4G vẫn sẽ không đáp ứng nổi. Đó là một thách thức lớn đối với nhà mạng, điều đó đặt ra hệ thống thông tin di động tiếp theo gọi tắt là 5G, phải đạt tốc độ nhanh hơn gấp nhiều lần so với 4G, độ trễ thấp, hiệu suất hoạt động cao hơn và mang đến những trải nghiệm tiến tiến hơn cho người dùng. 5G (Thế hệ mạng di động thứ 5 hoặc hệ thống không dây thứ 5) là thế hệ tiếp theo của công nghệ truyền thông di động sau thế hệ 4G. Theo các nhà phát minh, mạng 5G sẽ có tốc độ nhanh hơn khoảng 100 lần so với mạng 4G hiện nay, giúp mở ra nhiều khả năng mới và hấp dẫn. Lúc đó, xe tự lái có thể đưa ra những quyết định quan trọng tùy theo thời gian và hoàn cảnh. Tính năng chat video sẽ có hình ảnh mượt mà và trôi chảy hơn, làm cho chúng ta cảm thấy như đang ở trong cùng một mạng nội bộ. Các cơ quan chức năng trong thành phố có thể theo dõi tình trạng tắc nghẽn giao thông, mức độ ô nhiễm và nhu cầu tại các bãi đậu xe, do đó có thể gửi những thông tin này đến những chiếc xe thông minh của mọi người dân theo thời gian thực. Mạng 5G được xem là chìa khóa để chúng ta đi vào thế giới mạng lưới vạn vật kết nối internet, trong đó các bộ cảm biến là những yếu tố quan trọng để trích xuất dữ liệu từ các đối tượng và từ môi trường. Hàng tỷ bộ cảm biến sẽ được tích hợp vào các thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, thiết bị theo dõi sức khỏe, khóa cửa, xe hơi và thiết bị đeo. Tuy nhiên, để cung cấp 5G, các nhà mạng sẽ cần phải tăng cường hạ tầng cơ sở hạ tầng (gọi là trạm gốc). Họ có thể bắt đầu bằng cách khai thác dải phổ hiện còn trống. Sóng tín hiệu với tần số đo MHz sẽ được nâng cao lên thành GHz hay thậm chí nhanh hơn. Mạng 5G được tung ra vào năm 2020 để đáp ứng nhu cầu kinh doanh và người tiêu dùng. Trên đây là những khó khăn thách thức thực sự cho các nhà mạng, và đây cũng lý do mà em chọn đề tài “NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp đại học. Nội dung đồ án gồm: Chương 1: Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động Chương 2: Kiến trúc của hệ thống thông tin di động 5G Chương 3: Công nghệ cho phép và các dịch vụ 5G Chương 4: Đa truy cập không trực giao (NOMA) cho mạng 5G Em cảm ơn các thầy cô trong khoa Kỹ thuật và Công nghệ đã tạo điều kiện, giúp đỡ và trang bị cho em những kiến thức quý báu. Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy ThS. Phạm Hồng Thịnh đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ em hoàn thành tốt đồ án này. Tuy nhiên, do hạn chế về mặt thời gian cũng như năng lực bản thân nên nội dung của đồ án không tránh khỏi những thiếu sót. Kính mong thầy cô nhiệt tình đóng góp ý kiến thêm để đồ án này được hoàn thiện hơn.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh MỤC LỤC Trang DANH MỤC HÌNH ẢNH IV DANH MỤC CÁC BẢNG VI DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .VI LỜI NÓI ĐẦU XII CHƯƠNG 1: Q trình phát triển hệ thống thơng tin di động .14 1.1 Hệ thống thông tin di động hệ thứ (1G) 15 1.2 Hệ thống thông tin di động hệ thứ hai (2G) 16 1.3 Hệ thống thông tin di động 2,5G 18 1.4 Hệ thống thông tin di động hệ thứ ba (3G) .19 1.5 Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G) .21 1.6 Hệ thống thông tin di động hệ thứ tư (4G) .23 1.7 Hệ thống thông tin di động hệ thứ năm (5G) 24 1.8 Kết luận chương 26 CHƯƠNG 2: Kiến trúc hệ thống thông tin di động 5G 27 2.1 Số liệu thực tế thách thức 27 2.1.1 Những số liệu thực tế 27 2.1.2 Thách thức hệ thống thông tin di động thứ .29 2.2 Các yêu cầu cho hệ thống thông tin di động 5G 30 2.3 Khái niệm Kiến trúc 33 2.3.1 Dịch vụ đổi 34 2.3.2 Nền tảng cho phép (Enabling Platform) 35 2.3.3 Cơ sở hạ tầng siêu kết nối .36 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh 2.4 Các công nghệ cho phép 38 2.5 Kết luận chương 40 CHƯƠNG 3: Công nghệ cho phép dịch vụ 5G 41 3.1 Các công nghệ 5G 41 3.1.1 Trải nghiệm người dùng thực tế xử lý nội dung 5G 41 3.1.2 Xử lý hiệu truyền tải đa phương tiện 43 3.1.3 Mạng toàn cầu dựa tảng đám mây 45 3.1.4 Mạng thông minh tối ưu hóa mạng dựa phân tích 46 3.1.5 Mạng lưới vận tải linh hoạt / nhanh 47 3.1.6 Kiến trúc mạng 49 3.1.6.1 Truyền thông Trực tiếp D2D 49 3.1.6.2 Multi-RAT 51 3.1.6.3 Mạng di chuyển MN .53 3.1.7 Hoạt động nâng cao cho Multi-cell .55 3.1.8 Cell nhỏ, siêu dày đặc 56 3.1.9 Băng tần rộng RF & chùm tia 3D 57 3.1.10 Tăng cường công nghệ nhiều anten Massive MIMO 59 3.1.11 Nâng cao IoT dạng sóng 63 3.2 Dịch vụ 66 3.2.1 Dịch vụ IoT (Internet of Things) 66 3.2.2 Hình ba chiều dịch vụ gọi 3D hologram 67 3.2.3 Dịch vụ AR / VR hấp dẫn quy mô lớn 68 3.2.4 Dịch vụ trễ cực thấp 69 3.2.5 Dịch vụ thơng minh dựa phân tích liệu .71 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh 3.2.6 An toàn công cộng dịch vụ cứu trợ tai hoạ .72 3.3 Phổ 73 3.3.1 Các băng tần số yêu cầu 5G 73 3.3.2 Dự báo nhu cầu tương lai băng tần 5G .74 3.4 Kết luận chương 75 CHƯƠNG 4: Đa truy cập không trực giao (NOMA) cho mạng 5G .76 4.1 Giới thiệu .76 4.2 Đa truy cập không trực giao (NOMA) 77 4.2.1 NOMA cho đường xuống .78 4.2.2 NOMA cho đường lên 81 4.3 Hiệu quang phổ hiệu suất lượng .83 4.4 Kết 84 4.5 Kết luận chương 85 KẾT LUẬN 86 PHỤ LỤC 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 2.1 2.2 Tên hình ảnh Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động Số lượng người dùng smartphone tồn giới từ 2014 đến 2020 (tính tỷ) Các lơ hàng điện thoại thơng minh tồn cầu dự báo từ năm 2010 đến năm 2021 (triệu đơn vị) Trang 14 27 28 2.3 Tổng băng thông kết nối internet nước năm 2017 (Mbps) 28 2.4 Tổng băng thông kết nối internet quốc tế năm 2017 (Mbps) 29 2.5 Các nhóm ứng dụng 5G (theo ITU) 31 2.6 Cấu trúc tổng quát hệ thống 5G 34 2.7 Ví dụ dịch vụ 5G 35 2.8 Nền tảng cho phép 5G dựa phần mềm 36 2.9 Cơ sở hạ tầng 5G hỗ trợ tốc độ liệu cực cao kết nối lớn 37 2.10 Kiến trúc 4G 38 2.11 Các loại cơng nghệ từ kiến trúc / giá trị 5G 39 3.1 Công nghệ UX thực tế xử lý nội dung 5G 43 3.2 Sự phát triển mạng lưới phần mềm dựa NFV / SDN 46 3.3 Sự phát triển phân tích số liệu cho mạng viễn thơng 47 3.4 Các trường hợp can thiệp lẫn truyền thông D2D 51 3.5 Mạng phủ tế bào nhỏ mmWave tích hợp với hệ thống Underlay 4G 53 3.6 Mạng di chuyển MN 54 3.7 Kết hợp tế bào người dùng làm trung tâm hoạt động mạng 56 3.8 Mơ hình mạng lưới 5G mạng nhỏ dựa cell nhỏ 57 3.9 3.10 Nhận phân phối điện trường cho phương pháp chùm tia 3D khác Mô hình kênh MIMO với Anten phát Anten thu 4 59 59 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC 3.11 GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh Chế độ hoạt động chùm beam MU-MIMO (UE-specific 63 beamforming) 3.12 Sự tiến triển công nghệ đa truy cập truyền thông di động 64 3.13 Phương thức song công tần số truyền thông di động 65 3.14 Truyền thông song công băng tần đầy đủ 65 3.15 Kỷ nguyên vật kết nối internet 66 3.16 Khối lượng liệu yêu cầu theo loại hình ảnh 67 3.17 Cơng nghệ AR 68 3.18 Dịch vụ VR live streaming 69 3.19 Ví dụ robot cứu hộ điều khiển từ xa 70 3.20 Dịch vụ y tế từ xa cần kiểm soát độ trễ thấp 70 3.21 Các dịch vụ xe kết nối 71 3.22 Dịch vụ nhận thức ngữ cảnh thời gian thực thông minh nhân tạo 72 3.23 Sự tiến triển dịch vụ cứu trợ thiên tai 5G 73 4.1 Phổ chia sẻ cho OFDMA NOMA cho hai người dùng 77 4.2 Lọc can thiệp nhiễu (SIC) 78 4.3 Downlink NOMA cho người dùng K 79 4.4 Uplink NOMA cho người dùng K 82 4.5 Đồ thị EE - SE cho NOMA OFDMA 85 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang 1.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động 25 3.1 So sánh công nghệ công nghệ mmW 57 3.2 Dự báo yêu cầu phổ tần theo ITU-R 74 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT ENGLISH TIẾNG VIỆT 3GPP 3rd Generation Partnership Project Dự án đối tác hệ thứ AMPS Advanced Mobile Phone System Dịch vụ điện thoại di động cao cấp API Application Interface Giao diện lập trình ứng dụng AR Augmented Reality Thực tế tăng cường BI Business Intelligence Kinh doanh thông minh BS Base Station Trạm gốc BTS Base Tranceiver Station Trạm thu phát gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CDN Content Distribution Network Mạng phân phối nội dung CQI Channel Quality Indicator Chỉ số chất lượng kênh C-RAN Cloud Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến đám mây CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh D2D Divice to Divice Communication Truyền thông thiết bị thiết bị DoS Denial of Service Từ chối dịch vụ DU Digital Unit Đơn vị số EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution Cải tiến tốc độ liệu cho phát triển GSM EE Energy Efficiency Hiệu suất lượng eMBB Enhanced Mobile Broadband Băng rộng di động nâng cao FBMC Filter Bank Multi-Carrier Đa sóng mang lọc băng tần FDD Frequency Division Duplex Ghép song công phân chia Programming 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh theo tần số FDMA Frequency Access Division Multiple GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gói tổng hợp GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GPU Graphics Processing Unit Bộ xử lý đồ họa GSM Global System Communication HSDPA High Speed Downlink Packet Access Truy nhập gói xuống tốc độ cao HSUPA High Speed Uplink Packet Access Truy nhập gói đường lên tốc độ cao IEEE Institute of Electrical Electronics Engineers and Viện kỹ nghệ điện điện tử IMT International Telecommunications Mobile Viễn thông di động quốc tế ITM Intelligent Traffic Management Quản lý lưu lượng thông minh IoT Internet of Things Mọi vật kết nối internet IP Internet Protocol Giao thức internet IS Interim Standard Tiêu chuẩn tạm thời ISDN Integrated Network Digital Mạng số tích hợp đa dịch vụ ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông quốc tế LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn MAC Medium Access Control Lớp điều khiển truy cập môi trường METIS Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty (2020) Thông tin di động truyền thông không dây ứng dụng vào năm 2020 for Services Mobile 7 Đa truy nhập phân chia theo tần số Hệ thống thơng tin di động tồn cầu đường ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh Information Society MIMO Multi-input Multi-output Đa đầu vào – đa đầu MMS Multimedia Messaging Service Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện MMT MPEG Media Transport Công nghệ xử lý hình ảnh kỹ thuật số mMTC Massive Machine Communications Type MN Moving Network Mạng di chuyển MRN Moving Relay Node Điểm chuyển tiếp di động MS Mobile Station Trạm di động MVC Multi-view Video Encoding Mã hóa đa video NFV Network Functions Virtualization Ảo hóa mạng NI Network Intelligence Mạng thông minh NOMA Non-Orthogonal Multiple Access Đa truy nhập không trực giao OAM Operation and Management Tổ chức quản lý OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao PHY Physical Layer Lớp vật lý POTN Packet Optical Transport Network Mạng truyền tải quang packet QAM Quadrature Modulation Điều chế biên độ cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RAT Radio Access Technology Công nghệ truy cập vô Amplitude 8 Truyền thông lượng lớn máy số ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh tuyến SDMA Space Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo không gian SDN Software Defined Networks Công nghệ mạng xác định phần mềm SE Spectral Efficiency Hiệu quang phổ SIC Self – Interference Cancellation Kỹ thuật tự hủy nhiễu SIM Subcriber Indentification Module Mô-đun nhật thực thuê bao SINR Signal to Interference plus Noise Ratio Tín hiệu nhiễu cộng với tạp âm SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn ngắn SON Self - Organizing Network Mạng tự tổ chức TACS Total Access System Hệ thống thơng tin truy nhập tồn TCP Transmission Control Protocol Giao thức truyền vận TDD Time Division Duplex Ghép song công phân chia theo thời gian TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian uCTN Unified Converged Network Mạng vận tải hội tụ hợp UE User Equipment Thiết bị người sử dụng UMB Ultra Mobile Broadband Siêu băng thông rộng di động UMTS Universal Mobile Telecommunications System Hệ thống viễn thông di động toàn cầu URLLC Ultra-Reliable and Low-Latency Communications Truyền thông thời gian trễ thấp tin cậy cực cao UX User Experience Trải nghiệm người dùng VR Virtual Reality Thực tế ảo WCDMA Wideband Code Division Multiple Đa truy nhập phân chia Communications Transport 9 điều khiển ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh Access WiMax theo mã băng rộng Worldwide Interoperability Microwave Access for  10  Tương tác toàn cầu truy nhập viba ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh CHƯƠNG ĐA TRUY CẬP KHÔNG TRỰC GIAO (NOMA) CHO MẠNG 5G Giới thiệu chương Trong chương này, đồ án tìm hiểu khái niệm sơ đồ đa cuy cập không trực giao NOMA để truy cập vô tuyến tương lai cho 5G Đầu tiên đồ án cung cấp nguyên tắc kỹ thuật cho hai kênh đường lên đường xuống sau thảo luận thảo luận hiệu quang phổ (SE - Spectral Efficiency) mạng sử dụng NOMA với mối quan hệ hiệu suất lượng (EE Energy Efficiency) Kết chứng minh mạng có NOMA tốt chương trình đa truy cập khác EE SE 4.1 Giới thiệu Trong chương tìm hiểu khái niệm phương pháp tiếp cận đa truy cập không trực giao (NOMA) cho mạng 5G tới Tất mạng di động thực kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy cập phân chia mã (CDMA) đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) với Tuy nhiên, kỹ thuật đáp ứng nhu cầu cao hệ thống truy cập vô tuyến tương lai Trong TDMA, thông tin cho người dùng gửi khe thời gian khơng trùng lặp, mạng dựa TDMA u cầu đồng hóa xác thời gian Chẳng hạn OFDMA phân chia theo tần số trực giao, thông tin cho người dùng gán cho tập sóng mang phụ CDMA sử dụng mã để tách người dùng kênh NOMA khác với chương trình đa truy cập cung cấp truy cập trực tiếp tới người dùng theo thời gian, tần số, mã không gian Trong NOMA, người sử dụng hoạt động dải tần lúc, phân biệt mức lượng chúng NOMA sử dụng chồng chéo mã hóa máy phát để máy thu thực kỹ thuật tự hủy nhiễu (SIC – Self - Interference Cancellation)  76  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh NOMA đề xuất công nghệ truy cập vô tuyến cho hệ thống cell 5G Việc thực thực tế NOMA mạng di động địi hỏi cơng suất tốn cao để thực phân bổ lượng theo thời gian thực thuật toán hủy liên tục Đến năm 2020, mạng 5G triển khai, khả tính toán thiết bị cầm tay điểm truy cập dự kiến đủ cao để chạy thuật toán NOMA Trong chương này, đồ án giới thiệu nguyên tắc giới hạn lượng NOMA công nghệ truy cập vô tuyến tương lai So sánh lượng hiệu quang phổ cải thiện với NOMA OFDMA 4.2 Đa truy cập không trực giao (NOMA) Việc ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) sơ đồ điều chế NOMA sơ đồ đa truy cập Trong mạng 4G, đa truy nhập phân chia tần số trực giao (OFDMA) sử dụng cách gán tập sóng mang phụ cho người dùng cá nhân Điều cho phép truyền đồng thời tốc độ liệu thấp từ nhiều người dùng Mặt khác NOMA, tất sóng mang sử dụng người dùng Hình 4.1 minh hoạ việc chia sẻ phổ tần cho OFDMA NOMA cho hai người sử dụng, điều áp dụng đường lên đường xuống Hình 4.1: Phổ chia sẻ cho OFDMA NOMA cho hai người dùng  77  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh Việc xếp chồng mã hóa máy phát tự hủy nhiễu (SIC) máy thu làm cho sử dụng phổ cho tất người dùng Tại vị trí máy phát, tất tín hiệu chồng vào dạng sóng nhất, máy thu, SIC giải mã tín hiệu tìm tín hiệu mong muốn Hình 4.2 minh hoạ khái niệm SIC Trong minh hoạ, ba tín hiệu thơng tin với màu sắc khác đặt chồng lên máy phát Tín hiệu nhận tiếp nhận SIC bao gồm tất ba tín hiệu Tín hiệu mà SIC giải mã tín hiệu mạnh tín hiệu khác nhiễu Tín hiệu giải mã sau trừ từ tín hiệu nhận giải mã hồn hảo khơng lỗi, dạng sóng với phần cịn lại tín hiệu thu xác SIC lặp lại q trình tìm thấy tín hiệu mong muốn Hình 4.2: Kỹ thuật tự hủy nhiễu (SIC) Sự thành công SIC phụ thuộc vào lọc hồn hảo tín hiệu bước lặp Máy phát phải phân chia xác lượng dạng sóng thơng tin người dùng chồng lên chúng Phương pháp chia lượng khác với kênh đường lên đường xuống 4.2.1 NOMA cho đường xuống Trong đường xuống NOMA, trạm gốc xếp chồng lên dạng sóng thơng tin cho người sử dụng dịch vụ Mỗi thiết bị người sử dụng (UE) sử dụng SIC để phát tín hiệu riêng Hình 4.3 cho thấy BS K lần UE với máy thu SIC Trong mạng, giả sử UE1 gần với trạm gốc (BS), UEK xa  78  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh Thách thức BS định làm để phân bổ lượng dạng sóng thơng tin cá nhân, điều quan trọng SIC Trong downlink NOMA, nhiều lượng phân bổ cho UE nằm xa BS lượng cho UE gần BS Trong mạng này, tất UE nhận tín hiệu chứa thơng tin cho tất người dùng Mỗi UE giải mã tín hiệu mạnh trước tiên, sau trừ tín hiệu giải mã từ tín hiệu nhận Máy thu SIC lặp lại phép trừ tìm thấy tín hiệu riêng UE nằm gần BS lọc bỏ tín hiệu tín hiệu UE xa Tín hiệu UE xa tham gia nhiều vào tín hiệu nhận được, giải mã tín hiệu Hình 4.3: Downlink NOMA cho người dùng K Tín hiệu truyền qua BS viết như: (1) Trong đó: - xk(t) thông tin cá nhân truyền tải dạng sóng OFDM - α - PT tổng cơng suất có sẵn BS k hệ số phân bổ lượng cho UEk  79  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh Công suất phân bổ cho UEk trở thành Pk = αk PT Công suất phân bổ theo khoảng cách UE đến BS: UE gần với BS hơn, phân bổ lượng nhất, UE K xa nhất, có cơng suất cao Tín hiệu nhận UEK là: yk (t) = x(t) gk + ωk(t) (2) gk yếu tố suy giảm kênh cho liên kết BS UEk ωk (t) nhiễu tạp âm trắng Gaussian UEk không mật độ N0 (W / Hz) Xét UE xa trước tiên Tín hiệu giải mã tín hiệu riêng phân bổ lượng cao so với tín hiệu khác Các tín hiệu cho UE khác xem can thiệp Do đó, tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SNR) cho UEk viết như: SNRk = (3) W băng thông truyền tải Đối với UE1 gần nhất, tín hiệu cuối mà giải mã tín hiệu Giả sử lọc hồn hảo, SNR cho UE1 trở thành: SNR1 = (4) Đối với UEk, SNR trở thành: SNRk = (5) Khi NOMA sử dụng, thơng lượng (bps) cho UE viết: Rk = log2 (6) Mặt khác OFDMA, tín hiệu UE gán cho nhóm sóng mang nhỏ để nhận thơng tin họ Khi tổng băng thông công suất chia sẻ UE tương đương, thông lượng cho UE cho OFDMA là: Rk = Wk log2 (7)  80  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh Wk = Nk =N0Wk Tổng công suất cho OFDMA NOMA viết: RT = (8) Xác định thêm số công F= (9) Điều cho thấy công suất hệ thống chia sẻ UE nào, tức F gần 1, cơng suất cho UE gần Chúng ta đặt mục tiêu chế phân bổ lượng để tối đa hóa tổng cơng suất RT ràng buộc công cho hệ thống NOMA Vấn đề tối ưu hóa hình thành sau Max W log (10) Tùy thuộc vào , F = F’ F' mục tiêu công mạng Hệ số phân bổ lượng αk cho UEk thu với tìm kiếm đầy đủ 4.2.2 NOMA cho đường lên Việc thực NOMA cho Uplink khác so với đường xuống Hình 4.4 miêu tả mạng lưới K tín hiệu UE đường lên NOMA Lần này, BS sử dụng SIC để phân biệt tín hiệu người dùng  81  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh Hình 4.4: Uplink NOMA cho người dùng K Trong đường lên, tín hiệu nhận BS bao gồm tất tín hiệu UE viết sau: = (11) gk độ suy giảm kênh cho liên kết BS UEk , xk(t) dạng sóng thông tin k UE, ω(t) nhiễu tạp âm trắng Gaussian cộng hưởng BS có nghĩa mật độ N0 (W / Hz) Tại máy thu, BS thực SIC Tín hiệu mà giải mã tín hiệu từ UE gần SNR cho tín hiệu cho UE1 viết sau, bao gồm tín hiệu khác nhiễu: R1 = (12) Trong P công suất truyền dẫn UE N = N0W Tín hiệu cuối mà BS giải mã tín hiệu UE xa UE K Giả sử lọc hồn hảo, SNR cho UEK viết SNRK = (13) Nói chung, k lần UE, SNR trở thành: SNRK = 1+ (14) Thông lượng (bps) cho UE viết: Rk = W log2 (15) Trong OFDMA, UE phân bổ đường truyền trực giao để nhận thơng tin Khi tổng băng thông công suất chia sẻ UE tương đương, thông lượng cho UE cho OFDMA trở thành: Rk = W log2 (16) Wk= Nk =N0Wk Tổng công suất cho OFDMA NOMA:  82  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC RT GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh = (17) 4.3 Hiệu quang phổ hiệu suất lượng Ngoài hiệu suất quang phổ (SE) NOMA, phần này, đồ án phân tích hiệu suất lượng (EE) hệ thống NOMA Trong phần này, ta kết hợp điện tiêu thụ tĩnh mạng khuếch đại điện tiêu thụ cho dạng sóng thơng tin Tổng lượng công suất tiêu thụ máy phát biểu diễn tổng cơng suất tín hiệu thơng tin cơng suất tiêu thụ mạch (chủ yếu khuếch đại công suất) Xem xét đường xuống, tổng công suất tiêu thụ BS ghi sau Ptotal= PT + Pstatic (18) Ptotal tổng cơng suất tín hiệu đề cập trước đó, Pstatic công suất tiêu thụ mạch điện Hiệu lượng (EE) xác định tổng tỷ lệ tổng công suất tiêu thụ trạm gốc EE = SE (19) Trong SE hiệu suất quang phổ (RT / W) mặt bps/Hz W băng thông truyền tải Hiệu suất lượng mối quan hệ hiệu suất quang phổ (EE - SE) lý thuyết Shannon không xem xét việc công suất tiêu thụ mạch đơn điệu, nghĩa SE tăng luôn dẫn đến EE giảm Khi mạch điện xem xét, EE tăng khu vực SE thấp giảm khu vực SE cao Đỉnh đường cong (hoặc dẫn xuất tương ứng mối quan hệ EE - SE) nơi mà hệ thống có hiệu suất lượng tối đa Điểm gọi "điểm xanh" Đối với Ptotal , mối quan hệ EE SE tuyến tính với độ dốc dương RT / Ptotal nơi có gia tăng SE đồng thời kết tương tự việc tăng EE  83  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh 4.4 Kết Sự thay đổi SE - EE với NOMA So sánh hiệu quang phổ hiệu suất lượng NOMA với OFDMA Xét đường xuống, băng thông hệ thống lấy khoảng W = 5MHz, độ tăng kênh cho UE1 UE2 tương ứng g12 = -120dB, g22= -140 dB Mật độ nhiễu N0 vào khoảng -150 dBW/Hz Giả sử mức tiêu thụ lượng tĩnh BS Pstatic = 100W Hình 4.7 cho thấy kết thu từ thiết lập NOMA đạt mức EE SE cao hệ thống OFDMA Các đỉnh xảy NOMA OFDMA PT mức 17W 18W Tại đỉnh, hai hệ thống đạt mức EE tối đa Rõ ràng NOMA hoạt động tốt OFDMA đỉnh xa EE SE Hình 4.5: Đồ thị EE - SE cho NOMA OFDMA 4.5 Kết luận chương Chương trình bày nguyên tắc NOMA chứng minh hiệu suất vượt trội so với OFDMA thông qua hiệu suất lượng hiệu quang phổ Với tính khác biệt, NOMA ứng cử viên mạnh cho mạng 5G  84  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh tương lai Tuy nhiên, số thách thức để thực thành cơng NOMA Trước hết, địi hỏi khả tính tốn cao để chạy thuật tốn SIC đặc biệt số lượng người dùng lớn với tốc độ liệu cao Thứ hai, tối ưu hóa phân bổ lượng vấn đề đầy thách thức, đặc biệt UE di chuyển nhanh mạng Cuối cùng, kỹ thuật SIC cịn nhạy cảm với lỗi trừ mà dễ dàng xảy kênh fading Nó thực số kỹ thuật đa dạng khác MIMO với lược đồ mã hóa để tăng độ tin cậy giảm thiểu lỗi giải mã Tuy nhiên, trạng NOMA cịn xa tiềm cần phải nghiên cứu thêm  85  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh KẾT LUẬN Với đề tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin di động 5G”, đồ án trình bày tổng quan q trình phát triển hệ thống thơng tin di động từ trước đến đặc biệt hệ thống thông tin di động thứ (5G) Trong 5G, từ yêu cầu kỹ thuật tối thiểu cho 5G mà ITU đặt ra, đồ án phân tích đưa kiến trúc cấp cao hệ thống 5G, sau tổng hợp 11 cơng nghệ đặc trưng cho kiến trúc Bên cạnh 11 công nghệ kỹ thuật tương ứng tiêu biểu, kỹ thuật công nghệ kỹ thuật có cần phải nâng cấp lên Cuối cùng, đồ án đưa kỹ thuật kỹ thuật đa truy cập khơng trực giao NOMA chứng minh kỹ thuật NOMA vượt trội so với đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao OFDMA 4G Với cơng trình nghiên cứu cho 5G tại, hệ thống thông tin di động 5G triển khai vài năm tới, dự kiến năm 2020 triển khai Việt Nam cần sớm xác định dải tần số để đăng ký sử dụng 5G hoàn thành triển khai xong Việt Nam  86  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh PHỤ LỤC [1] Thống kê số lượng người sử dụng smartphone https://www.statista.com/statistics/330695/number-of-smartphone-users-worldwide/ [2] Thống kê lô hàng điện thoại thông minh https://www.statista.com/statistics/263441/global-smartphone-shipments-forecast/ [3] Tổng băng thông kết nối internet nước năm 2017 (Mbps) http://vnta.gov.vn/thongke/Trang/dulieuthongke.aspx# [4] Tổng băng thông kết nối internet quốc tế năm 2017 (Mbps) http://vnta.gov.vn/thongke/Trang/dulieuthongke.aspx# [5] Draft new Report ITU-R M.[IMT-2020.TECH PERF REQ] - Minimum requirements related to technical performance for IMT-2020 radio interface(s) https://www.itu.int/md/R15-SG05-C-0040/en [6] OAM https://en.wikipedia.org/wiki/Operations,_administration_and_management [7] ITM http://ieeexplore.ieee.org/document/6089337/ [8] Context-Aware https://en.wikipedia.org/wiki/Context-aware_pervasive_systems [9] https://hucotu.com/2015/06/25/ang-ten-thong-minh-va-dai-tan-so-moi-cho-cong- nghe-di-dong-5g/ [10] Phần mềm mô phỏng: MATLAB  87  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh Code MATLAB cho hình 4.5: clear all; clc; B = 5*10^6; %bandwidth Hz N0 = 10^-21; %-150 dBw/Hz N = N0*B; % dBW G1 = 10^-12; %-120 dB G2 = 10^-14; %-140 dB Pcircuit = 100; %wat %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% NOMA count = 1; for p = 1:1:100 %W P1 = p*0.1; %%phân bổ lượng cho UE1 P2 = p - P1; R1 = B*log2(1 + P1*G1/N); R2 = B*log2(1 + P2*G2/(P1*G2 + N)); R = R1 + R2; SE(count) = R/B; % bit/sec/Hz EE(count) = (R/(Pcircuit + p)); %%% bit/wat.sec count = count + 1; end hold on; plot(SE,EE,'k'); xlabel('SE (bit/sec/Hz)'); ylabel('EE (bit/joule)'); grid on; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% OFDMA  88  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh count = 1; greenpoint = 0; maxEE = -1000; for p = 1:1:100 %Wat P1 = p/2; P2 = p/2; R1 = (B/2)*log2(1 + P1*G1/(N0*B/2)); R2 = (B/2)*log2(1 + P2*G2/(N0*B/2)); R = R1 + R2; SE_line(count) = R/B; %%% bit/sec/Hz EE_line(count) = (R/(Pcircuit + p)); %%% bit/wat.sec = Mbit/joule count = count + 1; end hold on; plot(SE_line,EE_line,'g-'); xlabel('SE (bit/sec/Hz)'); ylabel('EE (bit/joule)'); legend('NOMA','OFDMA') grid on;  89  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC GVHD: ThS Phạm Hồng Thịnh TÀI LIỆU THAM KHẢO - ITU-T Focus Group IMT-2020 Deliverables www.itu.int/dms_pub/itu-t/opb/tut/T-TUT-IMT-2017-2020-PDF-E.pdf - ITU towards “IMT for 2020 and beyond” www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/rsg5/rwp5d/imt-2020/Pages/default.aspx - 5G PPP architecture 5g-ppp.eu/wp-content/uploads/2017/07/5G-PPP-5G-Architecture-White-Paper-2Summer-2017_For-Public-Consultation.pdf - 5G SKT 5g.co.uk/white-papers/sk-telecom-5g-whitepaper/ - ITU www.itu.int - 5G PPP of Huawei 5g-ppp.eu - Trường Đại học Quy Nhơn, Khoa Kỹ thuật Công nghệ, Giáo trình Thơng tin di động, năm 2014 - IEEE – 5G www.ieeexplore.ieee.org  90  ... cho hệ thống thông tin di động 2G khơng thống nhất, việc chuyển giao tồn cầu khó thực 1.3 Hệ thống thơng tin di động 2 ,5G Hệ thống thông tin di động 2 ,5G nâng cấp từ hệ thống thông tin di động. .. Thịnh 1.1 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 công nghệ truyền... TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G  Giới thiệu chương: Chương đưa yêu cầu tối thiểu hệ thống thông tin di động hệ thứ (5G) từ tập trung phân tích nhu cầu cuối hệ thống di động 5G đưa đến