Khi các trạm di động có mặt ở các vị trí hoặc góc độ khác nhau, mỗi trạm di động được cung cấp một búp sóng riêng biệt. Nếu các trạm di động ở cùng một vị trí thì chúng sử dụng một búp sóng đơn lẻ. Bằng cách sử dụng tần số và thời
gian khả dụng cho đa truy cập, trạm gốc có thể thay đổi hướng, số lượng búp sóng và độ rộng của búp sóng tùy theo vị trí và tốc độ của trạm di động. Các bước tiếp theo cho thiết lập kết nối như sau:
Ban đầu, trạm gốc và trạm di động chưa được biết đến với nhau, trạm di động xác định vị trí và tốc độ của nó và truyền thơng tin này về mọi hướng để đến được trạm gốc.
Trạm gốc xác định hướng và độ rộng của búp sóng tùy thuộc vào thơng tin nhận được từ trạm di động. Búp sóng này được gọi là búp sóng đường xuống vì nó đi từ trạm gốc đến trạm di động.
Bây giờ trạm gốc truyền búp sóng đường xuống này tới trạm di động.
Trạm di động khi nhận búp sóng đường xuống này, theo dõi hướng của búp sóng này để gửi một búp sóng đường lên theo hướng đã định.
Trạm gốc khi nhận được búp sóng đường lên này sẽ thiết lập một liên lạc. Việc cập nhật búp sóng định kỳ phải được thực hiện để thông tin liên lạc diễn ra thuận lợi.
1.5. Kết luận chương 1
Trong chương 1, đồ án đã trình bày các nội dung tổng quan về mạng 5G và hệ thống Massive MIMO.
Ngồi việc trình bày các thơng số thiết kế kỹ thuật của mạng 5G, đồ án còn nêu ra các lợi ích và tiềm năng của mạng 5G. Qua đó cho thấy được tầm quan trọng của mạng 5G trong cuộc sống. Mạng 5G sẽ tạo ra một sự thay đổi rất lớn trong cuộc sống hàng ngày khi các công nghệ liên kết với mạng 5G được triển khai phổ biến như: internet vạn vật, thực tế tăng cường, thực tế ảo, xe tự hành,… Nội dung cịn nêu ra những cơng nghệ quan trọng được áp sụng trong mạng 5G như: Sóng milimet, định dạng búp sóng, Massive MIMO song cơng hồn tồn, ơ phủ sóng nhỏ.
Về hệ thống Massive MIMO, đồ án đã nêu ra nội dung tổng quan, cách thức hoạt động và những lợi ích của Massive MIMO mang lại trong mạng 5G. Từ đó biết được rằng Massive MIMO đóng vai trị rất quan trọng trong mạng 5G. Đặc biệt có đề cập đến kỹ thuật định dạng búp sóng. Đây là một kỹ thuật rất quan trọng trong Massive MIMO cũng như trong mạng 5G, sẽ được trình bày chi tiết hơn trong chương 2.
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT ĐỊNH DẠNG BÚP SÓNG TRONG MẠNG 5G
2.1. Anten mảng
Trong hệ thống thơng tin liên lạc sóng milimet, cần sử dụng các anten có đặc tính định hướng cao (độ lợi lớn) để đáp ứng nhu cầu về khoảng cách liên lạc. Độ lợi bổ sung có thể được thực hiện bằng bằng cách thiết lập sự sắp xếp của các phần tử bức xạ trong một cấu hình điện và hình học. Anten mới này, được tạo thành bởi nhiều phần tử, được gọi là một mảng. Trong một mảng các phần tử giống hệt nhau, một số cách có thể được sử dụng để định hình mẫu tổng thể của anten. Các phương pháp này bao gồm cấu hình hình học của mảng tổng thể (tuyến tính, hình trịn, hình chữ nhật, hình cầu), sự dịch chuyển tương đối giữa các phần tử, biên độ tín hiệu và pha kích thích của các anten riêng biệt và dạng tương ứng của các phần tử riêng lẻ.
2.1.1. Cấu trúc hình học của các loại anten mảng
Anten mảng có các kích thước khác nhau được sử dụng để giảm thiểu suy hao đường truyền. Các loại mảng khác nhau được sử dụng để khai thác đặc tính hình học tốt nhất của anten. Mảng được sử dụng nhiều nhất là mảng tuyến tính đồng nhất, mảng hình chữ nhật đồng nhất và mảng hình trịn đồng nhất. Số lượng phần tử anten được sử dụng trong mảng xác định độ lợi mảng. Số lượng phần tử anten càng nhiều thì độ lợi mảng càng tăng. Hình 2.1 miêu tả các hình dạng anten mảng khác nhau và kích cỡ. Với d là khoảng cách giữa các phần tử anten và là bước sóng của tần số hoạt động, khoảng cách giữa các phần tử anten thơng thường được tính theo cơng thức sau:
2
d
(2.1) Trong hệ thống sóng milimet 5G, diện tích của anten mảng giảm tương ứng với bước sóng của tần số hoạt động. Vì khi tần số tăng, bước sóng sẽ giảm. Điều này cho phép sản xuất anten mảng với kích thước nhỏ hơn nhiều so với các hệ thống khác. Ví dụ, anten mảng sóng milimet có thể nhỏ hơn 100 lần so với sóng micro. Hình 2.2 diễn tả sự khác nhau về số lượng phần tử mảng anten (N), diện tích của một anten mảng tuyến tính đồng nhất (D) giảm vì tần số tăng từ 30GHz lên 300GHz.
Diện tích của một anten mảng tuyến tính đồng nhất có thể dược xác định bằng cơng thức sau: 1 2 D N (2.2) Hình 2.1 Các loại hình dạng anten mảng
Hình 2.2 Kích thước anten mảng giảm tương ứng với tần số cao
Tương tự kết quả cũng có thể đạt được cho mảng hình chữ nhật đồng nhất. Điều này cho phép đặt vào số lượng lớn các phần tử anten trong một diện tích mảng nhỏ hơn.
2.1.2. Mảng tuyến tính đồng nhất.
Mảng tuyến tính đồng nhất là mảng đơn giản nhất và là một trong những mảng thiết thực nhất được hình thành bằng cách đặt các phần tử anten theo một đường thẳng. Tổng điện trường của mảng bằng điện trường của một phần tử đơn lẻ được đặt ở vị trí gốc làm điểm tham chiếu nhân với một hệ số mà thường được gọi là hệ số mảng.
E(tổng) = E(phần tử anten tại điểm tham chiếu) × Hệ số mảng (2.3) Hệ số mảng là một hàm của dạng hình học của mảng và pha kích thích. Bằng cách thay đổi pha giữa các phần tử hoặc các đặc tính của phần tử, tổng điện trường của anten mảng có thể được kiểm sốt. Mỗi một mảng có hệ số mảng của nó. Nói chung, hệ số mảng là một hàm của số lượng phần tử, cách sắp xếp hình học của mảng, quan hệ về kích cỡ, quan hệ về pha của các phần tử và khoảng cách giữa các phần tử. Một mảng gồm các phần tử giống nhau với kích cỡ của các phần tử bằng nhau và độ dịch pha bằng nhau giữa các phần tử liền kề.
Đề cập đến hình học của hình 2.3, chúng ta hãy giả sử rằng tất cả các phần tử có biên độ bằng nhau, sự khác biệt trong pha kích thích giữa các phần tử kề nhau là ε.
Hệ số mảng có thể nhận được bằng cách coi các phần tử là nguồn điểm. Nếu các phần tử thực tế không phải là các nguồn đẳng hướng, trường tổng có thể được tính bằng cách nhân hệ số mảng của nguồn đẳng hướng với trường của một phần tử đơn tham chiếu. Hệ số mảng, ∇, cho mảng N phần tử được cho bởi:
( cos ) 2( cos ) ( 1)( cos )
1 ej kd ej kd ... ej N kd (2.4) ( 1)( cos ) 1 N j n kd n e (2.5) Với k 2
là một đại lượng vơ hướng được gọi là số sóng và d là khoảng
cách giữa các phần tử. Hệ số mảng có thể viết lại như sau: ( 1) 1 N j n n e (2.6) Với kdcos .
Hệ số mảng có thể được sử dụng để xác định hướng của thùy chính, thùy phụ và nulls trong búp sóng
Hình 2.3 Hình học trường xa của mảng có số lượng N phần tử đẳng hướng.
2.1.3. Lái hướng mảng
Trong nhiều ứng dụng, người ta mong muốn có bức xạ cực đại của một mảng hướng về một hướng cụ thể. Để tối ưu hóa thiết kế, bức xạ tối đa của phần tử đơn lẻ và giá trị tối đa của hệ số mảng đều phải được hướng về hướng cần thiết.
Tham chiếu đến (2.4) - (2.6), giá trị lớn nhất của hệ số mảng xảy ra khi:
cos 0
kd
(2.7)
Giả sử rằng bức xạ lớn nhất của mảng được yêu cầu phải được định hướng theo góc 0(00 180). Để có được hướng này, độ dịch pha giữa các phần tử
kề nhau ε phải được điều chỉnh sao cho:
0 cos | kd kdcos 0 0 0 cos kd (2.8)
Do đó, bằng cách kiểm sốt độ dịch pha giữa các phần tử kề nhau, bức xạ tối đa có thể được thu lại theo bất kỳ hướng mong muốn nào.
2.2. Mơ hình kênh MIMO sóng milimet trong 5G
Hệ thống MIMO sẽ được sử dụng trong đồ án để điều hướng búp sóng tín hiệu và cung cấp độ lợi bổ sung. Mơ hình kênh hình học được áp dụng là mơ hình SalehValenzuela mở rộng. Trong đó kênh được giả định là tổng của các cụm tán xạ P, mỗi cụm đóng góp L đường truyền cho kênh.
Với các phần tử anten mảng tuyến tính đồng nhất cách nhau nửa sóng được sử dụng ở máy phát và máy thu, ma trận kênh H có thể được biểu thị bằng:
* 1 1 ( , ) ( , ) P L r r t t r t pl r pl pl t pl pl p l N N H h a a PL (2.9)
Với Nt,Nrlà kích thước anten mảng tại máy phát và máy thu,hpl là độ lợi phức của kênh truyền pha đinh của đường phụ thứ l trong cụm thứ p. ( rpl, plr )
và ( tpl, plt ) là góc phương vị và góc độ cao của tín hiệu thu và tín hiệu phát tương ứng. Độ lợi hpllà các biến ngẫu nhiên Gaussian phức với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai 2
. Góc trung bình được liên kết với mỗi cụm được phân bố đồng đều trên khoảng [0;2π]. Các vector ar( rpl, rpl) và at ( tpl, plt )lần lượt là các vectơ đáp ứng mảng tại máy thu và máy phát.
Các vectơ đáp ứng mảng at và ar tương ứng với góc đến và góc khởi hành
trong phương vị của khung được cho là:
2 sin( ) 2 ( 1) sin( ) 1 1 e ... e r r r T d d j j N r r a N (2.10) 2 sin( ) 2 ( 1) sin( ) 1 1 e ... e t t t T d d j j N t t a N (2.11)
Với d là khoảng cách giữa các phần tử anten, là bước sóng và mảng đang
trỏ theo trục x.
2.3. Các kỹ thuật định dạng búp sóng trong mạng 5G
Trong mạng 5G các tần số sóng milimet sẽ được sử dụng chủ yếu. Suy hao lan truyền ở các tần số sóng milimet là rất lớn bởi đặc tính của sóng sóng milimet, do đó cần phải thêm một hệ số khuếch đại bổ sung vào hệ thống để bù suy hao,
sao cho phù hợp với việc áp dụng cho các giao tiếp không dây trong mạng 5G. Một cách tiếp cận quan trọng là sử dụng anten mảng kết hợp với kỹ thuật định dạng búp sóng. Nguyên tắc cơ bản của định dạng búp sóng là truyền thơng tin giống hệt nhau trên mỗi phần tử của mảng trong khi thay đổi biên độ và/hoặc pha của tín hiệu tại mỗi anten. Hướng và hình dạng của búp sóng hiệu quả của mảng được kiểm sốt bởi sự thay đổi của các pha và biên độ của các anten riêng lẻ trong mảng. Trong các hệ thống MIMO thơng thường với số lượng phần tử các anten ít, định dạng búp sóng được thực hiện ở mức băng tần cơ sở, còn được gọi là định dạng búp sóng kỹ thuật số. Xử lý tín hiệu kỹ thuật số được thực hiện khi mỗi phần tử anten được kết nối với một chuỗi RF riêng biệt, như được minh họa trong hình 2.4. Chuỗi RF thường là sự kết hợp của bộ khuếch đại tạp âm thấp, bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số hoặc bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự và bộ khuếch đại cơng suất anten,...
Hình 2.4 Kiến trúc định dạng búp sóng kỹ thuật số. Mỗi chuỗi RF được kết nối với mỗi phần tử anten trong mảng.
Tuy nhiên, ở các dải tần số sóng milimet, thực tế rất khó triển khai kỹ thuật định dạng búp sóng kỹ thuật số. Việc sử dụng số lượng bộ thu phát với số lượng anten lớn sẽ vừa tốn kém vừa tiêu tốn điện năng. Giải pháp đáng tin cậy duy nhất là sử dụng ít chuỗi RF hơn kích thước mảng anten ví dụ như hệ thống Massive MIMO sử dụng định dạng búp sóng tương tự hoặc định dạng búp sóng hỗn hợp.
Dựa trên kiến trúc và phần cứng thực hiện, định dạng búp sóng có thể được phân loại chủ yếu thành 3 loại: định dạng búp sóng tương tự, định dạng búp sóng
đỏ và tính phực tạp cao nên trong thực tế hầu như kỹ thuật định dạng búp sóng kỹ thuật số khơng được sử dụng. Vì thế nên trong đồ án này chỉ đề cấp đến hai kỹ thuật chính là định dạng búp sóng tương tự và định dạng búp sóng hỗn hợp.
2.3.1. Định dạng búp sóng tương tự
Một trong những cách tiếp cận đơn giản nhất để cải thiện độ lợi định hướng trong hệ thống sóng milimet là định dạng búp sóng tương tự trong đó chỉ một chuỗi RF đơn được sử dụng. Bộ định dạng búp sóng tương tự được xây dựng với một chuỗi RF và nhiều bộ dịch pha đi qua các phần tử của anten. Pha của mỗi phần tử anten được kiểm sốt bởi thuật tốn tiền mã hóa. Bộ dịch pha chịu trách nhiệm điều khiển búp sóng. Một mạng các bộ dịch pha được sử dụng để điều khiển pha của tín hiệu được cấp cho anten mảng, như thể hiện trong hình 2.5. Hệ thống định dạng búp sóng tương tự được sử dụng để cung cấp búp sóng hẹp cần thiết.
Hình 2.5 Hệ thống định dạng búp sóng tương tự đa anten tại máy phát và máy thu
Xem xét hệ thống truyền thông MIMO với vectơ định dạng búp sóng phát f
và một vectơ định dạng búp sóng nhận hay cịn được gọi và vector kết hợp w, tín hiệu thơng tin s ,.mối quan hệ đầu vào và đầu ra của hệ thống có thể được viết là:
* *
y w Hfsw n (2.12)
Trong đó H là ma trận kênh sóng milimet và n là vector nhiễu. Lựa chọn chính xác vector f và vectơ w dẫn đến tăng và tối ưu độ lợi kênh.
Trong anten mảng, các phần tử được đặt cách nhau một khoảng cách nhỏ thông thường có độ lớn bằng một nửa bước sóng. Dẫn đến mối quan hệ giữa tín hiệu thu được tại từng phần tử anten cụ thể, liên quan đến kỹ thuật ước tính góc đến và góc khởi hành.
Giả định với với một đường truyền duy nhất và một anten mảng tuyến tính đồng nhất (trong đó các phần tử anten cách đều nhau bằng nửa bước sóng). Mơ hình kênh trong (2.9) có thể được viết thành H har(r) ( )at* t ,trong đó h là độ lợi phức của đường truyền đơn. Trong ví dụ này, các vectơ định dạng búp sóng tối ưu có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ dịch pha bằng cách thiết lập
( )t
f a và wa(r).
Số lượng lớn các phần tử anten trong hệ thống cũng làm cho việc thu thập thơng tin kênh khó khăn hơn bằng cách sử dụng các kỹ thuật ước tính truyền thống. Một số nghiên cứu ủng hộ việc sử dụng thăm dò kênh để xác định các vectơ trọng số tốt nhất cho mảng theo từng giai đoạn bằng cách sử dụng một sách mã bao gồm các mẫu búp sóng ở các độ phân giải khác nhau đã được đề cập trong mục 2.4.
Định dạng búp sóng tương tự với một chuỗi RF đơn chỉ hỗ trợ truyền một luồng và một người dùng. Điều này có nghĩa là khơng có lợi ích đa luồng hoặc đa người dùng liên quan đến MIMO. Ngồi ra, việc điều khiển búp sóng khơng phải là chuyện dễ dàng, đặc biệt là khi một liên kết thông tin liên lạc chưa được thiết lập.
2.3.2. Định dạng búp sóng hỗn hợp
Hệ thống định dạng búp sóng tương tự có một số hạn chế trong việc điều khiển biên độ tín hiệu và độ phân giải điều khiển pha tín hiệu và một số hạn chế khác. Các kiến trúc định dạng búp sóng hỗn hợp được đề xuất để cải thiện độ lợi định dạng búp sóng và nâng cao lợi ích truyền thơng MIMO bằng cách cho phép