Thông số Mô tả Giá trị
trans
P Công suất tiêu thụ bộ thu phát RF trên mỗi nhánh anten 1.5 W
Hiệu suất khuếch đại 50%
bhl
P Công suất tiêu thụ của liên kết backhaul 10W
cool
P Công suất tiêu thụ của bộ tản nhiệt 200W
rect
P Công suất tiêu thụ của bộ chỉnh lưu 50W
dsp
3.2.2.4. Chỉ số về hiệu quả năng lượng.
Trong nghiên cứu này, sử dụng chỉ số hiệu quả năng lượng (EE) có tính đến nhiều thơng số hiệu suất mạng như băng thơng, tốc độ bit, vùng phủ sóng, dung lượng, số lượng người dùng.
2 ( . / W) el ABU EE km Mbps P (3.18)
Với A là diện tích vùng phủ sóng bởi trạm gốc (đơn vị 2
km ), U là số lượng người dùng được phục vụ, B là tốc độ bit được cung cấp bởi trạm gốc ( đơn vị Mbps) và Pel là công suất tiêu thụ của trạm gốc ( đơn vị W). Giá trị EE càng cao
thì mạng càng tiết kiệm năng lượng.
3.2.3. Kết quả.
3.2.3.1. So sánh hiệu suất mạng 5G khơng có định dạng búp sóng với 4G.
Trong phần này, đánh giá hiệu suất mạng thu được với kịch bản tham chiếu 4G và kịch bản 5G II.a được mơ tả trong mục 3.8.2.1, theo đó định dạng búp sóng hồn tồn khơng được sử dụng (cả trên trạm gốc và trạm di động). Hình 3.9 cho thấy kịch bản 5G yêu cầu nhiều trạm gốc hơn mạng tham chiếu 4G (92 trạm gốc so với 33 trạm gốc). Điều này được giải thích là do phạm vi của ơ phủ sóng trong 5G nhỏ hơn 39,6% so với ơ phủ sóng 4G dựa trên các giả định của nghiên cứu này. Tuy nhiên, các trạm gốc 5G tiêu thụ ít điện năng hơn các trạm gốc 4G. Tiêu thụ điện năng giảm 50%, mặc dù số lượng trạm gốc trong mạng 5G cao hơn, được thể hiện ở hình 3.9. Điều này có thể là do các cơng nghệ mới được phát triển bởi các nhà sản xuất để xây dựng các thành phần đầu cuối RF chi phí thấp và tiết kiệm điện.
Đối với toàn bộ dung lượng mạng (dựa trên trạm gốc), kịch bản 5G được xem xét cung cấp dung lượng cao hơn mạng 4G: 1032,6 Mbps cho 5G kịch bản II.a, trong khi 4G cung cấp 449,5 Mbps, như trong hình 3.9.
Hình 3.10 cho thấy mạng tham chiếu 4G ít tiết kiệm năng lượng hơn vì nó có giá trị EE nhỏ hơn so với kịch bản 5G được xem xét (14,6 [ 2
. / W
km Mbps ] cho 4G và 30,6 [ 2
. / W
km Mbps ] cho kịch bản 5G II.a). Hiệu suất tốt hơn về mặt giá trị EE này được duy trì nhờ mức tiêu thụ điện năng của mạng 5G thấp hơn 50% so với mạng tham chiếu 4G, hình 3.10.
3.2.3.2. Tác động về hiệu suất của việc sử dụng định dạng búp sóng.
Ở đây, kiểm tra hoạt động của các kịch bản 5G II.b và II.c được mô tả trong mục 3.2.2.1, khi định dạng búp sóng được sử dụng. So sánh hiệu suất của các loại kiến trúc định dạng búp sóng khác nhau. Kết quả của các mơ phỏng được trình bày trong hình 3.9.
Vùng phủ sóng được cải thiện có nghĩa là số lượng trạm gốc yêu cầu sẽ giảm. Khi sử dụng kiến trúc định dạng búp sóng, kết quả cho thấy rằng càng sử dụng nhiều phần tử anten, vùng phủ sóng được cung cấp bởi mạng càng tốt. Được thể hiện bởi số lượng trạm gốc yêu cầu giảm khi số lượng anten tăng trong kết quả hình 3.9 với các kiến trúc định dạng búp sóng kỹ thuật số, định dạng búp sóng tương tự, định dạng búp sóng hỗn hợp.
Hình 3.9 cho thấy rằng mạng 5G với định dạng búp sóng kỹ thuật số yêu cầu nhiều trạm gốc hơn so với kịch bản tham chiếu 4G: + 75,4% cho kịch bản II.b 64x1, + 36,4% cho kịch bản II.b 256x1, + 36,1% cho kịch bản II.c 64x4 và + 6,2% cho kịch bản II.c 256x4.
Hình 3.9 So sánh các thông số khác nhau khi sử dụng định dạng búp sóng: số lượng trạm gốc, tỷ lệ phần trăm người dùng được phục vụ, mức tiêu thụ điện năng và cơng
Hình 3.10 Thơng số hiệu suất năng lượng (EE) cho các kiến trúc định dạng búp sóng khác nhau
Nhiều anten cung cấp độ lợi bổ sung và giúp nó có thể vượt qua các hạn chế về lan truyền trong sóng milimet. Điều này dẫn đến suy hao đường truyền tối đa cho phép cao hơn dẫn đến giá trị cao hơn của phạm vi ơ phủ sóng. Vì vậy, khi áp dụng định dạng búp sóng ở cả hai phía, số lượng trạm gốc của mạng 5G sẽ tiệm cận gần bằng với số lượng trạm gốc của mạng 4G, đặc biệt khi số lượng phần tử anten ngày càng lớn hơn. Định dạng búp sóng cải thiện hiệu suất của mạng 5G, về cả khu vực được bao phủ và người dùng được phục vụ nhờ vào độ lợi bổ sung được cung cấp bởi nhiều phần tử anten mà các trạm gốc được trang bị. Trên thực tế về số lượng người dùng được phục vụ, hiệu suất của mạng 5G tiệm cận với mạng 4G (99% người dùng được phục vụ): 99,6% người dùng được phục vụ trong kịch bản II.b (16x1) và 100% trong kịch bản II.c (256x4) với định dạng búp sóng kỹ thuật số.
Về mức tiêu thụ điện năng được thể hiện trong hình 3.9, khi sử dụng nhiều anten ở phía trạm gốc, mạng 5G tiêu thụ điện năng chỉ bằng 25% (định dạng búp sóng hỗn hợp kịch bản II.c 256x4) so với mạng tham chiếu 4G. Điều này được hiện thực hóa nhờ việc mở rộng quy mơ công nghệ cho phép sản xuất các linh kiện công suất rất thấp được sử dụng trong các chuỗi RF: bộ thu phát, bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số, bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự, bộ trộn,… Khi xem xét kiến trúc định dạng búp sóng tương tự và định dạng búp sóng kỹ thuật số, thu được kết quả hiệu suất định dạng búp sóng kỹ thuật số tốt hơn so với định dạng búp sóng tương tự: 91,4% khu vực được xem xét được bao phủ và
100% người dùng được phục vụ (kịch bản II.c 256x4), trong khi định định dạng búp sóng tương tự chỉ bao phủ 81,9% diện tích tương tự. Các hiệu suất này đạt được do chức năng định dạng búp sóng được thực hiện trong giai đoạn băng tần cơ sở nơi bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao tính tốn các thuật tốn phức tạp để xác định pha và biên độ yêu cầu của tín hiệu truyền. Điều này làm cho định dạng búp sóng kỹ thuật số linh hoạt hơn vì dễ dàng lập trình lại các thuật tốn. Tuy nhiên, có một đặc điểm hạn chế, về mức tiêu thụ điện năng và chi phí thực hiện, điều này làm hạn chế khả năng mở rộng của kiến trúc. Trên thực tế, định dạng búp sóng kỹ thuật số có thể tiêu thụ điện năng nhiều hơn 2 lần so với định dạng búp sóng tương tự để đạt được hiệu suất của nó, hình 3.9. Sự gia tăng mức tiêu thụ điện năng chủ yếu là do quá nhiều chuỗi RF được sự dụng và bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số và bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự được yêu cầu, trong khi định dạng búp sóng tương tự chỉ sử dụng một chuỗi RF để điều khiển các anten mảng. Tuy nhiên, định dạng búp sóng tương tự mang lại kết quả tiêu thụ điện năng hấp dẫn có một số hạn chế: các bộ dịch pha được sử dụng có các đặc tính khơng lý tưởng dẫn đến nhiễu và suy hao, ngăn cản kiến trúc này cung cấp các hiệu suất tương tự như kiến trúc kỹ thuật số. Khi đó, điều hiển nhiên là cân nhắc sự cân bằng giữa việc đạt được hiệu suất tốt hơn trong khi đáp ứng các yêu cầu tiêu thụ điện năng. Với mục đích này, kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp được đề xuất. Với kiến trúc này, tiền mã hóa MIMO và định dạng búp sóng lần lượt được thực hiện tương ứng trên băng tần cơ sở và phía chuỗi RF, để cho phép số lượng chuỗi RF hợp lý cần thiết bằng cách sử dụng từ 2 đến 8 bộ thu phát. Trong nghiên cứu này, xem xét một kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp với hai bộ thu phát. Hình 3.9 cho thấy kết quả gần như tương tự, khơng có sự khác biệt lớn của định dạng búp sóng hỗn hợp so với định dạng búp sóng kỹ thuật số về số lượng trạm gốc, vùng phủ sóng và người dùng được phục vụ. Yêu cầu về tiêu thụ điện năng cũng được đáp ứng khi sử dụng kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp. Định dạng búp sóng hỗn hợp tiêu thụ điện năng ít hơn gần gấp 2 lần so với định dạng búp sóng kỹ thuật số (kịch bản II.b 256x1 và II.c 256x4).
Hình 3.10 cho thấy các kịch bản II.b và II.c với định dạng búp sóng đang thể hiện hiệu suất năng lượng cao so với mạng tham chiếu 4G: 14,6 [ 2
. / W
km Mbps ] cho 4G, 22,5 [ 2
. / W
km Mbps ] cho 5G kịch bản định dạng búp sóng kỹ thuật số II.b 256x1 và 25,1 [ 2
. / W
sóng hỗn hợp tiết kiệm năng lượng hơn so với định dạng búp sóng kỹ thuật số: 56,6 [ 2
km .Mbps/W] cho định dạng búp sóng tương tự II.c 256x4, 52,6 [
2
. / W
km Mbps ] cho định dạng búp sóng hỗn hợp 256x4 II.c và 25,1 [ 2
. / W
km Mbps
] cho định dạng búp sóng kỹ thuật số II.c 256x4. Đối với cùng một phạm vi bao phủ người dùng, định dạng búp sóng kỹ thuật số đang hoạt động tốt hơn về số lượng trạm gốc, nó u cầu trạm gốc ít hơn 17% so với định dạng búp sóng tương tự và định dạng búp sóng hỗn hợp tương ứng cho các kịch bản II.c 256x4. Mặc dù kiến trúc định dạng búp sóng tương tự là kiến trúc tiết kiệm năng lượng nhất, dựa trên chỉ số EE được xem xét, nó có vẻ khơng phải là ứng cử viên tốt nhất vì nó khơng bao phủ khu vực tốt như định dạng búp sóng kỹ thuật số (81,9% diện tích được bao phủ cho định dạng búp sóng tương tự 256x4 và 91% diện tích được bao phủ cho định dạng búp sóng kỹ thuật số 256x4). Hiệu suất kém hơn về vùng phủ sóng này có thể dẫn đến tình trạng ngừng hoạt động trong quá trình di chuyển của người dùng trong khu vực được xem xét. Vì vậy, cần phải cân nhắc sự đánh đổi giữa hai kiến trúc. Thay vào đó, kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp sẽ được khuyến nghị vì nó đạt được hiệu suất chấp nhận được ở mức tiêu thụ điện năng thấp mà khơng cần có quá nhiều chuỗi RF.
3.3. Kết luận chương 3
Trong chương này thông số hiệu năng hệ thống và đánh giá hiệu năng của kỹ thuật định dạng búp sóng đã được trình bày. Các thơng số hệ thống kỹ thuật định dạng búp sóng đã nêu ra sự cải thiện đáng kể hiệu cho mạng. Các thông số được liệt kê lại như sau:
Phân tập truyền dẫn.
Độ lợi định dạng búp sóng.
Ngăn chặn nhiễu.
Hiệu suất năng lượng.
Bảo mật hệ thống.
Giảm trễ lan truyền.
Hiệu suất phổ tổng thể.
Qua đó có thể thấy rằng khi kỹ thuật định dạng búp sóng được áp dụng cho 5G và khi 5G được triển khai phổ biến. Chất lượng các dịch vụ và trải nghiệm người dùng sẽ tăng lên rất cao so với 4G.
Qua kết quả của mơ phỏng có thể thấy hiệu năng của mạng 4G và mạng 5G khơng có định dạng búp sóng và có định dạng búp sóng đã được mơ phỏng và
đánh giá. Các kết quả thu được đã chỉ ra rằng về tổng thể dựa trên chỉ số EE, 5G với các kiến trúc định dạng búp sóng mang lại hiệu suất vượt trội so với 4G. Đối với kết quả số liệu thu được của các kiến trúc định dạng búp sóng kỹ thuật số, định dạng búp sóng tương tự và định dạng búp sóng hỗn hợp, ta có thể thấy rằng kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp là phù hợp nhất đối với triển khai trong thực tế.
KẾT LUẬN
Trên đây, em đã hoàn thành nội dung đồ án tốt nghiệp, tuy chưa thực sự hoàn hảo song đã đạt được những kết quả theo đề cương đã đề ra, được tóm tắt lại như sau:
Chương 1 giới thiệu và trình bày tổng quan về mạng 5G và công nghệ Massive MIMO. Về mạng 5G, nội dung chương đã đưa ra các ứng dụng của mạng 5G đối với cuộc sống, tiêu chuẩn thiết kế và kiên trúc của mạng 5G. Từ đó ta thấy được lợi ích của 5G là rất lớn đối với cuộc sống và hiệu suất được cải thiện rất lớn so với mạng 4G. Về Massive MIMO, nội dung chương đã đưa ra được khái niệm tổng quan, cách thức hoạt động và tầm quan trọng của Massive MIMO đối với mạng 5G. Đặc biệt là kỹ thuật định dạng búp sóng trong Massive MIMO.
Chương 2 trình bày về kỹ thuật định dạng búp sóng trong 5G. Các cơng nghệ, thuật toán cơ bản được sử dụng trong kỹ thuật định dạng búp sóng đã được trình bày như: Anten mảng, mơ hình kênh MIMO sóng milimet, thủ tục định dạng búp sóng, giao thức và thuật tốn đào tạo búp sóng. Kỹ thuật định dạng búp sóng được chia thành 3 loại: Định dạng búp sóng tương tự, định dạng búp sóng kỹ thuật số, định dạng búp sóng hỗn hợp.
Chương 3 trình bày về đánh giá hiệu năng của kỹ thuật định dạng búp sóng. Các khía cạnh thơng số hiệu suất được liệt kê lại như sau: phân tập truyền dẫn, độ lợi định dạng búp sóng, ngăn chặn nhiễu, hiệu suất năng lượng, bảo mật hệ thống, giảm trễ lan truyền, hiệu suất phổ tổng thể. Thông qua kết quả mô phỏng và đánh giá dựa trên nhiều chỉ số và dựa theo chỉ số EE có thể kết luận rằng định dạng búp sóng hỗn hợp là phù hợp nhất trong triển khai trong thực tế.
Nội dung đồ án mới chỉ tập trung tìm hiểu một số khía cạnh cơ bản của kỹ thuật định dạng búp sóng. Bản thân em cần phải cố gắng hơn nữa và mong nhận được nhiều đóng góp của các thầy cơ, các bạn để nội dung đồ án tốt nghiệp này hoàn thiện hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] - Samir Ahmed - “Beamforming Management And Beam Training In 5G
System” - Master of Science Thesis Faculty of Information Technology and
Communication Science - Tampere University - November 2019.
[2] - Hatem H. Abbas - “Beamforming Techniques For Millimeter Wave Relay
Networks” - Doctoral thesis - University Manchester – 2017.
[3] - Hien Quoc Ngo – “Massive MIMO: Fundamentals and System Designs” - Dissertations, No. 1642 - Linköping University – 2015.
[4] - Paul Harris and Mark Beach - “ From MIMO to Massive MIMO” - Article in Microwave Journal - September 2017.
[5] - Robin Chataut and Robert Akl – “Massive MIMO Systems for 5G and
Beyond Networks” - Article in Sensors Journal – 2020.
[6] - Koushik Barman – “An overview of massive mimo system in 5G” - Article in ReseachGate Journal – 2016.
[7] - Nguyễn Hoàng Hiệp – “Kỹ thuật tạo búp sóng số cho anten mảng” – Khóa luận tốt nghiệp - Đại học quốc gia Hà Nội – 2011.
[8] - TS. Nguyễn Phạm Anh Dũng – “Cơ sở kỹ thuật thông tin vô tuyến” – Bài giảng môn học tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thơng – 2013.