5. Phương pháp nghiên cứu
2.5.4 Hiệu quả năng lượng
Hiệu quả năng lượng là một trong những khía cạnh hệ thống mong muốn để 5G sắp được triển khai trên toàn cầu. Trong số nhiều dự án giai đoạn 1 của 5GPPP, một là thiết lập một hệ thống truyền thông không dây tiết kiệm năng lượng (Truyền thông xanh) nhằm giảm chi phí hoạt động của các nhà sản xuất và phát thải CO2. Hầu hết công suất
38
tiêu thụ trong giao tiếp không dây được liên kết với BS, gần 80%. Ở chế độ hoạt động, công suất tiêu thụ của một BS được tính bằng
1 2 ( ) (1 )(1 ) tx pb bs bs pa active d m P B P P N N P P (2.10)
Trong đó 𝜔 là tỷ lệ của băng thông, B là băng thông của mạng, 𝑁bs là số lượng ăng ten tại BS. 𝑃1, 𝑃2, 𝑃pb biểu thị công suất được tiêu thụ bởi ADC, bộ lọc và bộ phận chuyển tiếp khác tương ứng. 𝜂pa biểu thị hiệu suất của bộ khuếch đại công suất và 𝑃tx
biểu thị công suất truyền của BS trong mạng. 𝛽d và 𝛽m lần lượt biểu thị hệ số tổn thất do nguồn điện trực tiếp và nguồn điện chính. Định dạng chùm kết hợp có thể giảm công suất tiêu thụ bằng cách sử dụng số lượng tối ưu ADC, bộ khuếch đại công suất (PA) và các thiết bị khác trong xử lý băng tần cơ sở trong BS theo yêu cầu hệ thống của 5G.
Tạo chùm tia cũng có thể giảm thiểu tổng công suất tiêu thụ của một BS bằng cách xác định số lượng tối ưu của các phần tử ăng ten. Định dạng chùm đa cấp có thể cải thiện dung lượng của tế bào và giảm điện năng tiêu thụ. Định dạng chùm đa cấp được thực hiện bằng cách sử dụng một sổ mã đa cấp phù hợp với một kịch bản nhất định, ví dụ, thành thị hoặc nông thôn. Hiệu quả năng lượng của một mạng lưới là một khái niệm so sánh và có thể được biểu thị bằng công thức
Hiệu quả năng lượng =Tổng tốc độ dữ liệu (bit/s)/Tổng điện năng tiêu
thụ (watt) (2.11) Ngay cả với tạo chùm tia, có thể giảm tiêu thụ năng lượng 50% trong khi cung cấp công suất gấp 10 lần. Beamforming có thể làm giảm số lượng BS cần thiết được triển khai riêng lẻ hoặc phối hợp với sự truyền không liên tục của tế bào (Cell-DTX) ở một vùng nông thôn. Cell-DTX là một triển khai phần cứng vô hiệu hóa một số chức năng của BS để bảo toàn năng lượng ở chế độ nghỉ hoặc chế độ nghỉ khi không có truyền. Mô hình khu vực nông thôn gồm những người dùng được phân bổ không đồng đều được tạo ra bởi thuật toán Lloyd. Hai tần số sóng mang đã được chọn: 0,8 GHz (LTE) và 28 GHz (5G). Ý tưởng là xác định số lượng BS cần thiết để phục vụ 95% người dùng đó vào giờ
39
bận rộn với tốc độ dữ liệu 50Mbps. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng trong cả hai trường hợp (LTE và 5G), định dạng chùm tia (với DTX / không có DTX) làm giảm công suất tiêu thụ trung bình ở mức độ lớn. Hơn nữa, định dạng chùm cũng làm giảm số lượng BS yêu cầu, tăng cường độ tín hiệu và triệt tiêu nhiễu cho phép hệ thống tiết kiệm năng lượng. Bảng 2.1 mô tả các kết quả thu được.
Bảng 2.1: Tiêu thụ năng lượng trong các điều kiện khác nhau
Hệ thống (Tần số)
Tiêu thụ công suất khu vực khi không có tạo tia hoặc cell DTX (KW / Km2) Khu vực tiêu thụ điện năng khi chỉ có cell DTX (KW / Km2) Khu vực tiêu thụ điện năng khi chỉ có tạo tia Khu vực tiêu thụ điện năng khi có cả định dạng chùm và cell- DTX (KW/Km2) LTE (0.8GHz) 115.60 34.90 6.70 3.10 5G (28GHz) 4.10 2.20 0.70 0.60 2.5.5 Bảo mật hệ thống
Truyền an toàn qua kênh không dây là một tính năng khác có thể được thêm vào danh sách lợi ích của tạo chùm. Nhiều hệ thống coi tính bí mật và hiệu quả năng lượng là một chỉ số biểu hiện giống như hiệu quả năng lượng bí mật (SEE), có thể được biểu thị bằng số bit bí mật trên mỗi jun. Tạo chùm tia có thể tăng cường bảo mật hệ thống bằng cách điều khiển thùy chính đến các UE mong muốn và nulls đối với UE gây nhiễu. Đây là một tính năng giải quyết vấn đề phổ biến khi thiết bị gây nhiễu không nằm trong tầm ngắm (LOS) với UE mong muốn. Nhưng có những vấn đề khác có thể làm giảm khả năng truyền giữa BS và UE. Đối với toàn bộ kỳ thi, kẻ nghe trộm có thể lấy cắp thông tin hoặc nghe tín hiệu không có trong LOS. Bộ gây nhiễu có thể làm nhiễu tín hiệu để đến được UE đã định. Thuật toán tạo chùm tia mạnh mẽ và tiền mã hóa nhiều lớp có thể giải quyết loại vấn đề này. Một sơ đồ tạo chùm tia hỗn hợp đã được đề xuất với tiếng ồn
40
được tạo ra nhân tạo để chống lại vấn đề nghe trộm trong hệ thống chuyển tiếp. Thuật toán lai hai giai đoạn (Giai đoạn 1: nguồn-sang-rơle và giai đoạn 2: chuyển tiếp-nguồn) được sử dụng để cải thiện bảo mật lớp vật lý của MIMO. Có đầy đủ CSI giữa BS và UE, vectơ tạo chùm tia có thể được thiết kế để truyền nhiễu tới người nghe trộm trong khi truyền tín hiệu chính tới UE tương ứng trong trường hợp thay đổi kênh hoặc tính di động của người dùng. Theo kênh tĩnh, tốc độ bí mật, 𝑅𝑠 của UE và người nghe trộm có thể được tính theo SINR như sau
log(1 ) log(1 )
s u e
R SINR SINR (2.12) Trong đó 𝑆𝐼𝑁𝑅u và 𝑆𝐼𝑁𝑅e là SINR tương ứng của UE và người nghe trộm. Nó được chỉ ra sự kết hợp với các kỹ thuật và quy trình tính toán khác, tạo chùm tia có thể giải quyết các vấn đề về kẻ nghe trộm và gây nhiễu trong các kênh thay đổi thời gian trong giao tiếp không dây và có thể nâng cao tính bí mật của toàn hệ thống.
2.5.6 Giảm chênh lệch độ trễ
Do sự lan truyền đa đường, một tín hiệu truyền đi những khoảng cách khác nhau để đến máy thu gây ra độ trễ. Điều này gây ra sự lan truyền chậm trễ. Bằng cách tập trung năng lượng theo một hướng nhất định, định dạng chùm tia có thể làm giảm phản xạ đa đường và do đó độ trễ lan truyền. Ở phía máy thu, độ trễ được bù bằng sự kết hợp tối ưu của các vectơ. Sự chậm trễ không được đền bù sẽ bị hủy bỏ bằng cách lái vô hiệu về hướng của họ.
Tạo chùm tia cũng kiểm soát sự lan truyền của các tần số Doppler xảy ra ở phía UE do sự lan truyền góc nhỏ hơn. Trong trường hợp đô thị, khi tín hiệu nhận được là siêu vị trí của nhiều sóng theo hướng ngẫu nhiên, phổ Jake’s Doppler có thể được tính bằng [30] 2 1 , 1 ( ) ( ) 0, m m r m m f f f f S f f f f (2.13)
41
Trong đó f là dịch chuyển doppler và fm là dịch chuyển doppler tối đa. Tuy nhiên, đối với ăng ten định hướng tại trạm gốc, nếu | f | <fm, thì phổ Doppler được đưa ra bởi:
2 1 1 2 ( ) .[ ( | cos ( / ) | ( | cos ( / ) |)] 1 ( / ) o r v m v m m m A S f f f f f f f f f f (2.14)
Trong đó 𝐴o là công suất truyền trung bình, 𝜙v là góc giữa hướng chuyển động của UE so với hướng của BS và f (.) là hàm mật độ xác suất (PDF) của DoA của các thành phần đa đường tại UE như được cho bởi
2 1 1 2 1 2 2 2 2 2 , - ( tan ) , | |
(sin cos tan ) , R I D f I R I (2.15) Transmitter beam Velocity, v1 Receiver beam Velocity, v2 v2 >> v1
Hình 2.19: Sự trải Doppler tối đa có thể được kiểm soát bằng cách điều chỉnh độ rộng chùm tia thu [31]
2 2 2 2
1 2
2 ( ) 4 sin sin
I R D R D (2.16)
Ở đây 𝑅 là bán kính của vùng tròn chứa tất cả các tán xạ, 𝐷 là khoảng cách giữa BS và UE, 𝛼 là nửa độ rộng chùm tia của ăng ten định hướng. 𝜃1 và 𝜃2 là hằng số. Hình 23 thể hiện một ví dụ minh họa về dạng chùm được sử dụng trong hệ thống từ Xe đến
42
cơ sở hạ tầng (V2I). Bằng cách điều chỉnh độ rộng chùm tia của máy thu, có thể kiểm soát độ trải Doppler tối đa. Độ rộng chùm tia của máy thu được cung cấp bởi công thức:
4 1, 4. 10 ( ). ( / ) RX H c f GHz v km h (2.17)
Trong đó HRX là độ rộng chùm tia của máy thu, 𝑓C là tần số sóng mang tính bằng GHz và 𝑣 là vận tốc của UE tính bằng km /h. Đối với tàu tốc độ thấp (50 km /h), độ rộng chùm tia của máy thu có thể là 100 nhưng đối với tàu tốc độ cao (500 km /h), độ rộng chùm tia của máy thu phải là 10 để kiểm soát độ trải Doppler tối đa.
2.5.7 Hiệu suất quang phổ tổng thể
Hiệu quả phổ của hệ thống không dây được định nghĩa là lượng thông tin được cung cấp hoặc người dùng được phục vụ dưới một băng thông nhất định trong mỗi khu vực. Nó thường được biểu thị bằng (bit /s)/Hz. Nếu một hệ thống có tốc độ dữ liệu thực là 15Mbps và băng thông là 2MHz, thì hiệu suất phổ của hệ thống đó được đo như sau
Hiệu suất phổ=Tốc độ dữ liệu (bit/s)/ băng thông (hertz)=15Mbps/2MHz=7.5 bit/s/Hz
Tạo chùm tia cải thiện hiệu quả phổ của kênh giữa BS và UE theo nhiều cách khác nhau như sau:
- Kiểm soát sức mạnh của tín hiệu đường lên và đường xuống dựa trên AoA / DoA.
- Sử dụng thông tin của trình tự đào tạo.
- Cải thiện chất lượng tín hiệu bằng ăng ten định dạng chùm tia bằng cách triệt tiêu nhiễu và do đó cung cấp SNR tốt hơn.
- Hệ thống MIMO với các ăng ten định dạng chùm tại BS có thể cải thiện dung lượng hệ thống và hiệu quả phổ với tiền mã hóa mạch lạc.
- Tốc độ dữ liệu của hệ thống có thể được cải thiện bằng cách định dạng chùm vì tốc độ tải xuống và tải lên phụ thuộc vào độ lợi của ăng ten.
43
Hình 2.20: Phép đo hiệu suất phổ của tạo chùm tia lai
Với các yêu cầu cần thiết được đáp ứng, định dạng chùm có thể hoạt động tốt hơn các kỹ thuật phân tập truyền khác. Beamforming có thể đạt được dung lượng kênh và hiệu suất phổ tối đa trong các điều kiện nhất định như kịch bản chuyển giao của người dùng, trải rộng góc nhỏ hơn và chất lượng phản hồi tốt hơn với tín hiệu tham chiếu thông tin trạng thái kênh (CSI-RS). Một trong những thước đo hệ thống của 5G là hiệu quả quang phổ. Hình 2.20 cho thấy hiệu quả phổ như một hàm của SNR trong trường hợp tạo dạng chùm lai và dạng chùm tối ưu. Trong định dạng chùm tối ưu, các vectơ trọng số được chọn để đạt được hiệu suất tối ưu bằng cách lập đường chéo ma trận kênh. Một mạng bao gồm 64 × 64 MIMO với 4 chuỗi RF cả ở máy phát và máy thu có thể hỗ trợ tối đa 4 luồng dữ liệu. Tần số sóng mang được đặt thành 30 GHz và AoD từ máy phát là 600 góc phương vị và 200 góc nâng. Máy thu có thể thu sóng từ bất kỳ hướng nào. Môi
44
trường tán xạ được xem xét sử dụng 8 cụm và trong mỗi cụm có 10 máy tán xạ với góc trải rộng 6,50. Độ lợi đường đi của mỗi bộ tán xạ được tính toán bằng cách sử dụng phân bố Gauss đối xứng tròn phức tạp. Hiệu suất quang phổ được tính toán trong khoảng SNR là -40: 5: 0. 3 luồng dữ liệu và 50 lần lặp monte-carlo đã được sử dụng cho mô phỏng. Nó có thể được nhìn thấy từ hình 2.20 rằng định dạng chùm lai có thể đạt được hiệu quả phổ gần so với định dạng chùm tối ưu với yêu cầu ít phần cứng hơn.
2.6 Quản lý chùm tia
Một tính năng chính của thiết kế 5G-New Radio (NR) là khả năng hoạt động ở hai dải tần số khác nhau: tần số dưới 6 GHz và sóng milimet (mmWave). Khi khả năng cung cấp của dải tần dưới 6 GHz trở nên hạn chế hơn, các dải tần mmWave có băng thông rộng hơn sẽ trở nên chiếm ưu thế hơn. mmWave là sóng tần số cao, tầm ngắn hoạt động trên phổ tần 24 GHz, mang lại dung lượng cao hơn.
Các đặc điểm như suy hao lan truyền, tắc nghẽn tín hiệu và hiệu ứng mờ dần khác với mmWave ở dải tần phụ 6Ghz, điều này đưa ra những thách thức mới đối với thiết kế hệ thống và ảnh hưởng đến chất lượng và thông lượng đầu cuối của trải nghiệm người dùng. Thông lượng là một trong những yếu tố quan trọng làm nên thành công của 5G.
Để giải quyết những hạn chế này, các tiêu chuẩn 3GPP 5G NR xác định các tính năng mới của lớp Kiểm soát truy cập trung bình (PHY) và Lớp kiểm soát truy cập trung bình (MAC) để hỗ trợ truyền thông định hướng. Trong số các tính năng quan trọng là quản lý chùm tia, được sử dụng để thu nhận và duy trì chùm tia. Nó cũng định nghĩa các thủ tục truy cập ban đầu mới để đảm bảo truyền dẫn theo hướng thành công.
2.6.1 Nhu cầu quản lý chùm tia
Thiết bị người dùng 4G LTE (UE) giám sát định kỳ liên kết vô tuyến để thu được chất lượng kênh của eNodeB đang phục vụ. Cách tiếp cận này cho phép nó xác định liệu mạng có thể tiếp cận UE với chất lượng liên kết chấp nhận được hay không. Nếu chất
45
lượng liên kết được tìm thấy quá thấp so với ngưỡng, UE sẽ báo cáo lỗi liên kết vô tuyến (RLF) và kích hoạt quá trình kết nối lại ở lớp cao hơn.
Quá trình này bao gồm việc bắt đầu quy trình chọn lại ô mới, tốn nhiều thời gian hơn và do đó dẫn đến giảm tốc độ dữ liệu tổng thể.
Với sự tiến bộ của 5G NR vào chế độ mmWave, nơi định dạng chùm tia lai thường được ưu tiên ở cả trạm gốc và thiết bị của người dùng, việc quản lý mạng trở nên phức tạp hơn. Mặt khác, kiến trúc tạo chùm định hướng cao với số lượng phần tử ăng ten lớn hơn trở nên rất quan trọng để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn. Các thủ tục đặc biệt là cần thiết để UE thiết lập kết nối và duy trì liên kết ngay cả trong các tình huống di động.
mmWave cho phép giao tiếp định hướng với số lượng phần tử ăng ten lớn hơn và cung cấp độ lợi định dạng chùm bổ sung, bù đắp cho sự suy hao lan truyền. Tuy nhiên, các liên kết định hướng sẽ cần sự liên kết chính xác của các chùm tại gNodeB (gNB) và UE. Điều này dẫn đến nhu cầu quản lý hiệu quả các dầm trong đó UE và gNB thường xuyên xác định các dầm tối ưu để làm việc tại bất kỳ thời điểm nào.
3GPP đã xác định một bộ quy trình quản lý chùm tia cho 5G NR có thể áp dụng cho cả hai phương thức hoạt động:
• Chế độ chờ: Đây là khi UE không có hoạt động truyền dữ liệu. Quy trình ở chế độ không hoạt động được sử dụng khi UE đang cố gắng kết nối với mạng lần đầu tiên trong khi bật hoặc khởi động lại kết nối sau khi thức dậy. Quản lý chùm tia ở chế độ nhàn rỗi sẽ giúp thiết lập một truy cập ban đầu có định hướng.
• Chế độ kết nối: Đây là khi quá trình trao đổi dữ liệu đang diễn ra giữa UE và gNB và UE đang di chuyển trong ô. Trong chế độ này, có nhiều khả năng tín hiệu bị suy giảm nhanh chóng do các đặc tính của mmWave, vì vậy việc quản lý chùm theo thời gian thực sẽ giúp duy trì một liên kết lành mạnh.
Các trường hợp sử dụng cho 5G như băng thông rộng di động nâng cao (eMBB), giao tiếp siêu đáng tin cậy và độ trễ thấp (URLLC) và giao tiếp kiểu máy lớn (mMTC) sẽ cần những cải tiến kỹ thuật và quản lý chùm tia 5G trở nên không thể thiếu.