5G được xác định là có băng thơng tối đa 100 MHz cho các dải tần số dưới 6 GHz. Cần lưu ý rằng băng thông lớn mang lại tốc độ dữ liệu cao, nhưng băng thơng thấp hơn cũng có thể cung cấp dịch vụ 5G. Điều này cùng với việc phân bổ phổ tần phân mảnh là một lý do để hỗ trợ nhu cầu về tính linh hoạt trong các tham số OFDMA đã thảo luận ở trên. Một tùy chọn khác bên cạnh việc sử dụng phổ tần được cấp phép và không được cấp phép (5-5.9, 64-71 GHz) là sử dụng phổ tần dịch vụ vô tuyến băng rộng của băng dân sự (CBRS). Phạm vi phổ tần CBRS là 3.55-3.7 GHz (tổng băng thông 150 MHz) và được điều chỉnh bởi khung ủy quyền phổ ba tầng để phù hợp với người dùng trên cơ sở chia sẻ với người dùng liên bang và
không liên bang của băng tần này. Một bản tóm tắt các mục cần được xem xét khi sử dụng các dải tần 5G được thể hiện trong Hình 2.6.
Trong các tần số mới này, có thể sử dụng tần số mới được hỗ trợ tập trung vào việc triển khai TDD. Do đó, chúng ta khơng chỉ mong đợi tính khả dụng của băng thơng thay đổi ở các dải tần số thấp (< 1 GHz), trung bình (< 6 GHz) và cao (> 6 GHz), mà chúng ta mong muốn phương pháp song công cũng thay đổi.
Một số nhà khai thác đang tập trung vào truy cập không dây để cung cấp dịch vụ 5G tốc độ cao (khoảng 1Gb/giây) trong việc triển khai cáp/sợi thay vì triển khai 5G ban đầu trong các dải sóng mm, ngồi ra cịn hỗ trợ các ứng dụng băng rộng di động. Cách tiếp cận này sẽ giúp phát triển hệ sinh thái dựa trên sóng
mm cho phép các công nghệ 5G được sử dụng với các thiết bị chạy bằng pin. Các tập hợp phổ tần không đồng nhất được nghiên cứu cho đến nay cho rằng phổ tần được cấp phép luôn được sử dụng, và đã có một sáng kiến hỗ trợ các dịch vụ chỉ sử dụng phổ tần không được cấp phép (như WiFi ngày nay). Liên minh MulteFire cho phép công nghệ LTE (và 5G) được sử dụng riêng (theo cách độc lập) trong phổ tần dùng chung và không được cấp phép để cho phép các dịch vụ riêng, kiến trúc mạng máy chủ trung lập, mạng công nghiệp, v.v.
Bảng 2.2: Các băng tần số 5G mới.
Khu vực Băng tần (<6 Băng thông < Băng tần (> 6 Băng thông >
GHz 6 GHz GHz) 6 GHz Châu Âu 3.4-3.8 400 MHz 24.25-27.35 3.1 GHz Trung Quốc 3.3-3.6 300 MHz Nhật Bản 3.6-4.2 800 MHZ 27.5-29.5 2 GHz Hàn Quốc 3.4-3.7 300 MHz 26.5-29.5 3 GHz Mỹ 3.55-3.7 150 MHz 27.5-28.35 0.85 GHz
Phổ tần cho dịch vụ 5G sẽ là một thách thức. Một số dải tần số mới được xem xét trong NR 5G theo vùng được thể hiện trong bảng 2.2. Các nhà khai thác và nhà sản xuất thiết bị phải đối mặt với các tùy chọn khác nhau để xác định phổ
2.5 Thiết kế dạng sóng cho 5G
Như đã thảo luận trong mục 1.2.5, CP-OFDM có một số hạn chế nhất định khiến nó khơng phải là dạng sóng phù hợp nhất cho tất cả các ứng dụng 5G. Tuy nhiên, do những ưu điểm của nó và vì lý do tương thích ngược, OFDM vẫn sẽ là dạng sóng chính cho các hệ thống 5G. Mặt khác, do những hạn chế của nó thì một số sửa đổi nhất định đã được đề xuất trong đồ án để làm cho nó phù hợp với ứng dụng 5G. Trong số những hạn chế này thì SCS cố định (trong 4G LTE), chi phí CP và sự phát xạ OOB cao là quan trọng nhất.
Internet vạn vật (IoT) là đóng góp chính cho sự tăng trưởng theo cấp số nhân của người dùng trong 5G. Các thiết bị IoT, ví dụ như các cảm biến thường gửi các gói dữ liệu ngắn đơn lẻ và có cơng suất giới hạn. Mặt khác, đối với eMBB thì một khối lượng dữ liệu lớn sẽ được truyền đi trong một khoảng thời gian ngắn. Các đặc điểm khác nhau của các xung đột được vận chuyển làm cho CP-OFDM với SCS cố định tạo thành một dạng sóng khơng chính xác. Đối với các ứng dụng IoT, dạng sóng 5G được yêu cầu để hỗ trợ chế độ truyền với độ trễ giao diện vô tuyến rất thấp được kích hoạt bởi các khung rất ngắn. Để cho phép truyền độ trễ thấp thì cần có TTI rất ngắn, để truyền thơng hiệu quả năng lượng thì cần giảm thiểu thời gian của các thiết bị giá rẻ. Phát xạ OOB có thể được giảm bằng cách áp dụng cửa sổ miền thời gian để làm trơn tru quá trình chuyển đổi từ symbol này sang symbol khác.
Như đã thảo luận trước đó, các tham số OFDM đã được tạo ra để có thể hỗ trợ việc triển khai phổ tần khác nhau. Đặc biệt, giá trị SCS hiện tại là 15, 30, 60, 120, 240 và 480 kHz. Kích thước FFT tối đa hiện được đặt thành 4096 và số khối tài nguyên (RB) tối đa có thể được truyền cũng tăng lên đến 275 (hoặc 3300 sóng mang con). Bên cạnh những lợi thế triển khai phổ tần, các lựa chọn này cũng cho phép truyền hiệu quả hơn. Ví dụ, trong LTE thì chúng ta sử dụng 18 MHz của phổ tần 20 MHz có sẵn, với việc áp dụng bộ số liệu mới, chúng ta có khả năng sử dụng tới 99 MHz của phổ tần 100 MHz có sẵn. Khi xem xét một ví dụ triển khai 100 MHz, một tập hợp các tham số có thể bao gồm SCS = 30
kHz và kích thước FFT = 4096 do đó dẫn đến tần số lấy mẫu là 122.88 MHz (lớn hơn 4 lần so với LTE trong khi sử dụng phổ tần gấp 5 lần).
Việc có một hệ thống OFDMA linh hoạt là rất quan trọng để triển khai hiệu quả một loạt các dịch vụ 5G. Dựa trên các đặc tính lan truyền, dự kiến các dải tần số thấp hơn sẽ được sử dụng cho các triển khai trên diện rộng với SCS nhỏ hơn và độ dài khung phụ lớn hơn, trong khi các dải tần số cao hơn dự kiến sẽ được sử dụng cho các triển khai dày đặc với SCS lớn hơn và liên kết của chúng nhỏ hơn thời gian khung con. Có thể thấy, khả năng triển khai này có thể dễ dàng bắt nguồn từ một hệ thống số học linh hoạt. Để giảm phát xạ OOB, các giải pháp dựa trên cửa sổ và lọc khác nhau được áp dụng cho OFDM. OFDM đã lọc (F-OFDM), OFDM cửa sổ (còn được gọi là chồng lấn có trọng số hoặc Wola- OFDM), OFDM được lọc phổ biến (UF-OFDM), các bộ lọc đa sóng mang (FBMC) và các giải pháp khác đã được đề xuất cho dạng sóng mới trong 5G và hơn thế nữa.
2.6 Công nghệ đa truy cập từ 1G đến 5G
Chúng ta hãy nhớ lại nhiều kỹ thuật đa truy cập được triển khai trong các hệ thống tế bào cho đến nay. Ở thế hệ đầu tiên, các hệ thống tế bào đã sử dụng FDMA trong đó dải tần số được chia thành các kênh tần số và người dùng được chỉ định ở các kênh. Ở thế hệ thứ hai, TDMA và CDMA đã được sử dụng và trong cả hai trường hợp, dải tần số được chia thành các kênh tần số nhỏ hơn. Trong TDMA, độ dài thời gian mới được sử dụng làm tài nguyên (khe thời gian) và trong CDMA, kích thước miền mã mới (chuỗi PN) đã được sử dụng. Độ phức tạp của máy thu TDMA tăng theo cấp số nhân khi tốc độ dữ liệu được tăng lên, thứ tự điều chế tăng và số lượng anten tăng. Ở thế hệ thứ ba, CDMA đã được triển khai sử dụng băng thông lớn hơn và quan trọng hơn là đưa ra khái niệm về kênh chia sẻ. Ở đây, tài nguyên vật lý được phân bổ cho người dùng là: khe thời gian và mã PN. Độ phức tạp công nghệ CDMA tăng khi tốc độ dữ liệu tăng. Kết quả là băng thơng trải rộng WCDMA địi hỏi mức tăng xử lý lớn hơn để có khả năng triệt tiêu nhiễu liên đường hiệu quả.
Hình 2.7. Kỹ thuật thơng tin đường lên và đường xuống.
Thế hệ thứ tư của các hệ thống tế bào đã triển khai OFDMA và giữ nguyên khái niệm kênh chia sẻ. Ở đây, tài nguyên vật lý là các khe thời gian và sóng mang con tần số. Cơng nghệ OFDMA duy trì tính khả dụng của tài ngun và giữ cho băng thơng thơng tin có sẵn ở giá trị mong muốn. Do việc sử dụng xử lý tín hiệu miền tần số và tần số tuần hoàn, độ phức tạp của máy thu có thể quản lý được. Đó cũng là một lý do tại sao thế hệ thứ năm đã quyết định tiếp tục với OFDMA.
Hình 2.8. Miền tốc độ của hai người dùng DL và UL.
Hình 2.7 thể hiện sự khác biệt giữa các liên kết thông tin DL và UL. DL bắt đầu với một tín hiệu chung được truyền đi bao gồm tổng của tất cả các UE trong tế bào đó. Mỗi UE được đặt vật lý ở một vị trí tế bào khác nhau và do đó trải qua quá trình pha đinh đa đường khác nhau, ký hiệu là hi. Mỗi UE có tạp âm cộng tính riêng, ký hiệu là ni. UL bắt đầu với việc truyền tín hiệu riêng lẻ bị suy hao bởi pha đinh khác nhau do các vị trí vật lý trong một tế bào. Những tín hiệu riêng lẻ này được tổng hợp tại ăng ten thu trạm gốc, trong đó trạm gốc thêm tạp âm cộng tính. Các vùng tốc độ của đa truy cập DL và UL được thể hiện trong Hình 2.8, cho các
trường hợp hai người dùng. Các phép đo so sánh OMA thì được thể hiện bằng đường liền nét, cịn sự chống lại mã hóa chồng chất thì được thể hiện bằng đường đứt nét. Đường cong bên trái được sử dụng để thể hiện dung lượng DL còn đường cong bên phải được sử dụng để thể hiện dung lượng UL.
2.7 Đa truy cập khơng trực giao là gì?
Trong một hệ thống đa truy cập trực giao (OMA), chẳng hạn như TDMA và FDMA, sự phân bổ tài nguyên trực giao được sử dụng giữa những người dùng để tránh nhiễu nội bào (giữa người dùng). Số lượng người dùng có thể được hỗ trợ sau đó bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên trực giao có sẵn. Đa truy cập khơng trực giao (NOMA) cho phép và sử dụng nhiễu nội bào trong phân bổ tài nguyên của người dùng. Các kỹ thuật loại bỏ nhiễu, như sự loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) hoặc bộ tách nhiều người dùng (MUD) được sử dụng để giảm thiểu nhiễu này. NOMA là một kỹ thuật đang được 3GPP xem xét trong Phiên bản 16.
Hình 2.9. Sự phân bố phổ và công suất của NOMA và OMA.
NOMA đề cập đến MA khơng trực giao có thể hỗ trợ nhiều người dùng trong một tài nguyên và do đó có thể cải thiện thông lượng của người dùng và tồn bộ hệ thống. Nó có thể được thực hiện trong miền cơng suất, miền mã hoặc các miền khác.
Miền công suất NOMA khai thác sự khác biệt cường độ kênh giữa người dùng và là kỹ thuật đa truy cập đạt được lưu lượng tối ưu trong mạng đơn bào, được thể hiện trong Hình 2.7 và 2.8. Phân bổ phổ tần và công suất cho miền công suất NOMA được so sánh bằng đồ họa với OMA trong Hình 2.9. Trong các hệ thống dựa trên NOMA, hai người dùng có thể chia sẻ cùng một dải phổ tần, trong đó mỗi người dùng có một cơng suất khác nhau được phân bổ cho nó.
Các sơ đồ NOMA miền mã thường khai thác các sơ đồ phát hiện đa người dùng có độ phức tạp thấp. Đa truy cập mã thưa (SCMA), đa truy nhập phân chia xen kẽ (IDMA) và phân tán mật độ thấp (LDS)-CDMA là những ví dụ đáng chú ý của miền mã NOMA.
Một số lợi ích có thể có khi sử dụng NOMA là:
Kết nối lớn: Trong khi OMA bị giới hạn bởi số lượng tài ngun trực giao cịn NOMA thì khơng. Về mặt lý thuyết, NOMA có thể hỗ trợ số lượng người dùng không giới hạn.
Độ trễ thấp hơn: OMA chờ các khối tài nguyên có sẵn để truyền đi, được thực hiện bằng cách chờ cấp quyền truy cập trong khi NOMA có thể hỗ trợ truyền lịch biểu linh hoạt và truyền miễn phí.
Hiệu suất phổ tần được cải thiện (bps/Hz): Mỗi người dùng NOMA có thể sử dụng tồn bộ băng thơng, trong khi người dùng OMA có thể sử dụng một lượng hạn chế. Tốc độ dữ liệu của người dùng được phân nhóm đúng có thể được tăng lên khi so sánh với OMA.
Các thành phần hệ thống tế bào của NOMA là:
Nhóm nhiều người dùng, tức là quyết định những người dùng nào sẽ được nhóm lại với nhau để triển khai NOMA.
Phân bổ tài nguyên (công suất, mã, v.v.), ví dụ đối với trường hợp NOMA miền cơng suất, người dùng có chênh lệch cơng suất lớn là thuận lợi.
Các kỹ thuật khử nhiễu SIC hoặc MUD để loại bỏ sự thêm vào NOMA được điều khiển.
Với SIC hoặc MUD, NOMA có thể hỗ trợ khái niệm đa truy cập này.
Chúng ta hy vọng sẽ hỗ trợ sự tăng lên theo cấp số nhân về dung lượng hệ thống và thông lượng người dùng trong các hệ thống tương lai. Lượng tăng lên này đưa ra những thách thức buộc chúng ta phải nghiên cứu các giải pháp mới. Sự lựa chọn của công nghệ truy cập vơ tuyến đóng một vai trị quan trọng. NOMA là một lựa chọn đề xuất để giải quyết các nhu cầu hệ thống trong tương lai.
2.8 Kết luận chương 2
Trong chương này, chúng ta tìm hiểu tổng quan mạng tế bào 5G ở các khía cạnh khác nhau. Một sự nhấn mạnh đặc biệt đã được đặt vào các kỹ thuật đa truy cập trực giao và không trực giao và kiến trúc mạng trong các thế hệ công nghệ tế bào khác nhau. Yêu cầu IMT-2020 cho 5G bao gồm tăng băng thông rộng di động, kỹ thuật thông tin từ máy cỡ lớn đến máy và độ tin cậy cao và kỹ thuật thông tin với độ trễ thấp đã được thảo luận và các sửa đổi có thể có, chẳng hạn như OFDM linh hoạt, cần thiết để giải quyết các yêu cầu này đã được xem xét. Một vài thành phần kỹ thuật chính cho mạng khơng dây 5G, bao gồm massive MIMO, RAN và SDN, đã được giải quyết. Các ưu điểm và vấn đề của CP- OFDM đã được liệt kê và hướng khả thi cho thiết kế dạng sóng mới đã được vạch ra.
Chương 3
MẠNG TRUY CẬP VÔ TUYẾN MỚI NR 3.1 GIỚI THIỆU
Chương này giới thiệu mạng truy cập vô tuyến mới NR (RAN), đảm nhiệm phát qua khơng khí và thu thơng tin mặt phẳng người dùng (tức là dữ liệu) và mặt phẳng điều khiển (tức là quản lý thiết bị và các thông số bảo mật). Các thực thể RAN chính là những thiết bị người dùng (UEs) và các nút truy cập vô tuyến thế hệ tiếp theo (NG-RAN) hoặc các trạm gốc. Nút NG-RAN là một NodeB mở rộng (gNB), để kết cuối giao thức mặt phẳng người dùng NR và mặt phẳng điều khiển đối với UE hoặc ng-eNB, kết cuối giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng truy cập vô tuyến mặt đất phổ biến (E-UTRA) về phía UE. Phần cịn lại của chương này tập trung vào gNB NR, các chức năng khác của gNB bao gồm quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), lập lịch và truyền dẫn tìm gọi và thơng tin hệ thống, phát hành và thiết lập kết nối, tương tác với E-UTRA, điều khiển di động, v.v.
Cả mặt phẳng người dùng NR và mặt phẳng điều khiển NR đều có một ngăn xếp giao thức mơ-đun, tương tự như LTE. Ngăn xếp giao thức lớp 2 cho mặt phẳng người dùng NR được thể hiện trong Hình 3.1 (a) và bao gồm các (phân) lớp và chức năng sau:
Giao thức tương thích dữ liệu dịch vụ (SDAP): Thực hiện ánh xạ giữa một
luồng chất lượng dịch vụ (QoS) và thiết bị mang dữ liệu vô tuyến.
Giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP): Đánh số thứ tự, nén/giải nén tiêu đề, mã
hóa và bảo vệ tính tồn vẹn.
Điều khiển kết nối vô tuyến (RLC): Đánh số thứ tự, phân đoạn và ghép đoạn.
Điều khiển truy cập môi trường (MAC): Ánh xạ các kênh logic để truyền các
kênh và thực hiện sửa lỗi thông qua yêu cầu phát lại tự động lai (HARQ).
Lớp vật lý: Truyền dẫn và tiếp nhận qua khơng khí. Ngăn xếp giao thức mặt