Nội dung chương 1 nghiên cứu tổng quan về hệ thống thông tin di động 5G bao gồm các công nghệ lõi sử dụng trong 5G, kiến trúc mạng di động 5G, kiến trúc mạng 5GC, RAN Evolution. Tìm hiểu các kỹ thuật ghép kênh sử dụng trong 4G và 5G như OFDM, OFDM Zero Tail1, DFT-s-OFDM. Từ đó thấy được ưu nhược điểm của các hệ thống. Phần cuối của chương tìm hiểu về lưới tài ngun vơ tuyến cho hệ thống thông tin di động 5G, số lượng RBs khác nhau với mỗi băng thông kênh và SCS khác nhau.
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 26
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN ZERO TAIL DFT-s-OFDM 2.1 Tổng quan về truyền dẫn Zero Tail DFT-s-OFDM
Hiệu quả của cả OFDM và DFT-s-OFDM trong việc giảm thiểu fading được thực hiện thơng qua việc chèn Tiền tố tuần hồn (CP) vào đầu mỗi ký hiệu thời gian, khi độ dài CP lớn hơn độ lan truyền trễ của kênh sẽ tránh được nhiễu giữa các ký hiệu và tín hiệu được xem là tuần hồn tại phía thu.
Tuy nhiên, việc sử dụng CP trong tiêu chuẩn vô tuyến dựa trên OFDM dẫn đến những hạn chế đáng kể. Trước hết, độ dài CP phải được mã hóa cố định để phù hợp với khung thời gian. Ví dụ trong LTE, hai cấu trúc khung con khác nhau đã được xác định: CP ngắn 4,7 với 14 ký hiệu thời gian và CP dài 8,6 với 12 ký tự thời gian, cả hai đều phù hợp với giới hạn của độ dài khung con 1ms. Điều này có thể dẫn đến nhưng hạn chế về thông lượng không cần thiết trong trường hợp thời gian trễ lan truyền thấp hơn đáng kể so với độ dài CP. Ngược lại, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất tỷ lệ lỗi khối (BLER) trong trường hợp độ dài CP không đủ để chống lại độ trễ lớn. Hơn nữa, việc sử dụng chiều dài CP khác nhau (ví dụ LTE với CP dài và CP ngắn) có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của các mạng khác nhau hoạt động gần nhau, vì chúng tạo ra nhiễu không đồng bộ mà máy thu không thể loại bỏ.
Vì vậy, việc sử dụng tín hiệu Zero Tail DFT-s-OFDM [18] như một giải pháp thay thế cho điều chế OFDM và DFT-s-OFDM dựa trên CP truyền thống, để tự động điều chỉnh hệ thống điều này cần thiết để đối phó với sự phân tán thời gian của kênh đến đặc tính kênh tức thời. Nguyên tắc của Zero Tail DFT-s-OFDM là tạo ra các tín hiệu có cơng suất cực kỳ thấp (gần bằng 0) ở đuôi của chúng. Chiều dài của phần đi có thể thiết lập một cách tự động theo khoảng thời gian trễ tức được ước lượng mà không cần sửa đổi numerology của hệ thống. Vì phần đi của hệ thống như một phần của tín hiệu đầu ra Biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT) thay vì được nối thêm như trong trường hợp của CP, các mạng sử dụng độ dài đi khác nhau có thể sử dụng cùng numerology, và sau đó có thể điều phối việc truyền tải của chúng để tránh nhiễu lẫn nhau. Hơn nữa, Zero Tail DFT-s-OFDM cũng có hiệu suất sử dụng phổ tốt hơn kỹ thuật OFDM và DFT-s-OFDM.
2.1.1 Sự thúc đẩy cho tín hiệu Zero Tail DFT-s-OFDM
Trong hệ thống OFDM/ DFT-s-OFDM truyền thống, độ dài CP được thiết lập theo yêu cầu:
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 27
Trong đó: là độ trễ lan truyền của kênh, là độ trễ lan truyền giữa máy phát và máy thu. Trong trường hợp điều kiện phương trình (2.1) được thỏa mãn, tính tuần hồn của tín hiệu tại máy thu được giữ nguyên và cân bằng một lần chạm có thể được áp dụng. Lưu ý rằng trong LTE/ LTE Advanced, độ trễ lan truyền có thể được bù đắp bằng một quy trình nâng cao thời gian [19], và CP có ý nghĩa chủ yếu đối phó với trễ truyền lan.
Như đã đề cập ở trên, trong các tiêu chuẩn vơ tuyến theo lịch trình hiện có độ dài CP được mã hóa cố định. Điều này chắc chắn dẫn đến sự kém hiệu quả của hệ thống cũng như sự tồn tại không tốt với các hệ thống sử dụng độ dài CP khác nhau. Hình 2.1a miêu tả hai hệ thống lân cận nằm gần nhau sẽ tạo ra sự can thiệp không đồng bộ lẫn nhau do sự thiết lập CP khác nhau của chúng, ngay cả khi được đồng bộ hóa ở các mức khung. Các máy thu khả thi về mặt tính tốn như loại bỏ giao thoa kết hợp (Interference Rejection Combining - IRC) [9] hoặc loại bỏ giao thoa liên tiếp (Successive Interference Cancellation - SIC) có thể ngăn chặn nhiễu đồng bộ nhưng không thể loại bỏ sự can thiệp của không đồng bộ, dẫn đến hiệu suất liên kết kém.
Hình 2.1 Tín hiệu dựa trên CP (a) với tín hiệu Zero Tail
Bây giờ, hãy xem xét hai khung chứa các ký hiệu OFDM/ DFT-s-OFDM khơng có CP nhưng có một tập hợp các số 0 nhất định ở đi của chúng, Hình 2.1b cho thấy, các số 0 khác nhau có thể được đặt cho hai khung mà vẫn giữ nguyên độ dài ký hiệu. Giả sử rằng những số 0 này không thu được bằng cách bỏ trống các mẫu cuối cùng của IFFT nhưng có thể tạo ra như là đầu ra tự nhiên của nó. Trong trường hợp, khoảng thời gian của phần số 0 là đáp ứng yêu cầu tương tự của TCP đối với phương trình (2.1), mỗi ký hiệu OFDM/ DFT-s-OFDM khơng tràn năng lượng của nó qua các ký tự liền kề, do đó duy trì tính tuần hồn của tín hiệu tại máy thu. Khi đó các tín hiệu Zero Tail có những thuộc tính thuận lợi sau:
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 28
Khả năng thích ứng với độ trễ lan truyền: có thể thiết lập một cách tự động mà không cần sửa đổi hệ thống numerology. Điều này cho phép tránh tổn thất thông lượng tiềm năng hoặc tăng BLER (tỷ lệ lỗi khối) do CP được mã hóa cứng. Trễ lan truyền có thể ước lượng chẳng hạn như các chuỗi pilot được gửi định kỳ và được thiết lập tương ứng.
Cùng tồn tại với các hệ thống sử dụng khác nhau. Vì các mẫu là một phần của ký hiệu OFDM/ DFT-s-OFDM, các hệ thống hoạt động trên các loại kênh khác nhau có thể sử dụng cùng numerology (ví dụ: độ dài ký hiệu). Trong trường hợp các hệ thống như vậy được đồng bộ hóa ở các mức khung và mức ký hiệu, chúng có thể điều phối việc truyền của chúng để khơng gây nhiễu lẫn nhau. Hơn nữa, ngay cả khi truyền đồng thời, chúng tạo ra nhiễu khơng đồng bộ và có thể bị triệt tiêu bởi bộ dị IRC, SIC, đồng thời tăng hiệu suất thơng lượng.
2.1.2 Sự hình thành tín hiệu Zero Tail
Tín hiệu Zero Tai có thể được tạo bằng một dạng của chuỗi DFT-s-OFDM truyền thống [22]. Vector đầu vào là ma trận cỡ được xác định như sau:
[ ] (2.2)
trong đó thể hiện vector độ dài x của các số 0, là vector ký hiệu dữ liệu có kích
thước ma trận [ ] và biểu thị toán tử chuyển vị. Vector q được đưa đến khối DFT, đầu ra của nó sau đó được ánh xạ qua một tập các tần số sóng mang con và được xử lý IFFT. Kết quả thu được sau q trình IFFT là vector tín hiệu thời gian có kích thước được biểu thị như sau:
s =
√ q (2.3)
trong đó biểu thị ma trận FFT chưa chuẩn hóa có kích thước :
[ ] (2.4) Cho và là ma trận ánh xạ dữ liệu sóng
mang con trên miền tần số có kích thước (ma trận ánh xạ sóng mang con).
Có thể thấy rằng, bằng cách áp dụng phương trình (2.3) trên vector đầu vào , ký hiệu dữ liệu ở vị trí z tập trung hầu hết năng lượng của nó ở vị trí ⌊ ⌋ của vector s
miền thời gian [23], trong đó ⌊ ⌋ là số nguyên gần nhất cao hơn . Do đó, các vector trước DFT và sẽ được trải rộng từ phần đầu và phần đuôi của s. Độ dài của các vector và đại diện cho miền thời gian tương ứng zero-head và zero-tail lần lượt được cho bởi:
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 29
= [ ] (2.5)
= [ ] (2.6)
Trong đó: : độ dài IFFT; N: số sóng mang con; : độ dài zero-head; : độ dài zero-tail.
Hình 2.2 Ảnh chụp tín hiệu Zero Tail DFT-s-OFDM , giả sử N = 1200,
= 2048, = 17 và = 144.
Trong Hình 2.2 mơ tả tín hiệu của miền thời gian đã tạo, và các vector và đã được đánh dấu. Có thể nhận thấy cơng suất của chúng khơng bằng 0 mà thấp hơn đáng kể so với cơng suất phát trung bình. Đi cơng suất thấp khác 0 như vậy là do rò rỉ dữ liệu được ánh xạ trong phần còn lại của các mẫu thời gian. phải được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu của phương trình (2.1), trong khi chỉ nhằm mục đích đảm bảo rằng chu kỳ IFFT không tạo ra năng lượng tái sinh ở các mẫu cuối cùng của phần đuôi.
Trong trường hợp, đáp ứng kênh lý tưởng, vector truyền có thể được xác định như sau:
= √
(2.7)
khi biểu thị tín hiệu nhận được và vector dữ liệu sau đó được cho bởi :
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 30
Với việc truyền qua một kênh fading, cân bằng miền tần số có thể được áp dụng như trong các hệ thống OFDM và DFT-s-OFDM truyền thống.
Lưu ý rằng việc tạo tín hiệu Zero Tail DFT-s-OFDM được mô tả dẫn đến DFT-s- OFDM truyền thống bằng cách đặt , vì hoạt động trong phương trình
(2.2) và (2.8) là không đáng kể, độ phức tạp của bộ thu phát Zero Tail DFT-s-OFDM giống như bộ thu phát LTE đường lên truyền thống [24]. Hơn nữa, việc mở rộng sơ đồ truyền dẫn đa anten cũng đơn giản như trong các sơ đồ OFDM/ DFT-s-OFDM. Nhưng trong DFT-s-OFDM truyền thống các ký hiệu dữ liệu được trải phổ trên tồn bộ băng thơng và điều này ngăn cản việc sử dụng lập lịch chọn lọc tần số hoặc thích ứng liên kết. Tuy nhiên, khả năng áp dụng các thuật tốn chọn lọc tuần số có thể giữ lại trong trường hợp trải rộng DFT được áp dụng.
Điều đáng chú ý là, sự có mặt của cả zero-head và zero-tail làm giảm quá trình chuyển đổi đột ngột giữa các ký hiệu thời gian liền kề, điều này dự kiến sẽ làm giảm lượng phát xạ ngồi băng của các tín hiệu liên quan đến đường cơ sở OFDM/ DFT-s-OFDM.
2.1.3 Phân tích lý thuyết
Trong phần này lý thuyết về các tín hiệu Zero Tail DFT-s-OFDM sẽ được cung cấp. Ta ký hiệu là tổng độ dài phần không trong miền thời gian, tức là
. Để đơn giản, khơng mất đi tính tổng qt, ta giả sử rằng và chỉ tập
trung vào việc tạo ra . Xét ma trận :
√
(2.9)
Sau đó, vectơ miền thời gian có thể được viết lại thành:
(2.10)
có thể được viết dưới dạng:
̃ (2.11)
Trong đó ̃ đại điện cho ma trận phân vùng sau của ma trận :
̃ (2.12)
Khi đó vectơ cơng suất trung bình của được cho bởi:
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 31
Trong đó biểu thị phép tốn kỳ vọng, là toán tử Hamilton và trả về đường chéo của ma trận nơi nó được áp dụng. Vì số hạng ngẫu nhiên duy nhất trong phương trình (2.13) cho bởi vector dữ liệu nó có thể được viết lại như sau:
̃ { } ̃ (2.14)
Các chòm sao ký hiệu dữ liệu truyền thống được xác định theo cách mà cơng suất trung bình của chúng là đơn nhất, tức là { } trong đó biểu thị ma trận có kích thước . Các thành phần của có thể được biểu diễn như sau:
| | = ∑ | ̃ | (2.15) cho 1. Bằng các phép tính đơn giản phương trình (2.15) có thể được
biểu diễn dưới dạng tích của hàm độc lập:
(2.16) Với (2.17) ∑ ( ) (2.18)
Hình 2.3 Phần dao động và đường bao của Zero Tail, giả sử = 1200, ,
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 32
Cả hai hàm và được thể hiện trong Hình 2.3 đại diện cho phần dao động của đi, là đường bao của nó và do đó đại diện cho tính phi tuyến của zero-tail. là hàm lồi và gần như đối xứng với mức tối thiểu của nó. Cơng suất phát lại ở các mẫu cuối cùng là do tính tuần hồn của IFFT xuất hiện trong phương trình (2.9). Bằng cách đặt một vector không ở đầu vecto dữ liệu, các mẫu cuối cùng của được chuyển lên đầu như trong Hình 2.2. có thể được biểu hiện bằng tham số như sau: (2.19)
Trong đó đại diện cho phần lũy thừa có thể chấp nhận được đối với giá trị nhỏ nhất của hàm , và là viết tắt hàm ngược của hàm . Hình 2.4 cho thấy lợi thế
của dưới dạng hàm của tổng số sóng mang con dữ liệu, giả sử = 2048, cho các giá trị khác nhau của . Rõ ràng, giảm khi tăng, cần có zero-head ngắn hơn trong trường hợp có thể chịu đựng được cơng suất phát lại lớn hơn. Lưu ý rằng, hệ số góc của các đường cong giảm dần theo .
Hình 2.4 với các giá trị khác nhau của
2.2 Phân tích mơ hình kênh đường lên 5G
Để có thể truyền dữ liệu qua mạng truy cập vô tuyến 5G, dữ liệu và thông tin được tổ chức thành một số kênh dữ liệu. Bằng cách tổ chức dữ liệu thành các kênh khác nhau, hệ thống truyền thơng 5G có thể hiểu dữ liệu nào đang đến và do đó có thể xử lý theo cách thức cần thiết.
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 33
Vì có nhiều loại dữ liệu khác nhau cần được truyền như dữ liệu người dùng, thông tin điều khiển để quản lý liên kết truyền thông vô tuyến, dữ liệu để cung cấp đồng bộ hóa, truy cập… Tất cả các chức năng này đều cần thiết và yêu cầu truyền dữ liệu qua mạng.
Hệ thống thông tin di động 5G sử dụng tầng truy cập tương tự như được sử dụng bởi 4G LTE, mơ hình kênh đường xuống và đường lên 5G NR được minh họa trong Hình 2.5:
Hình 2.5 Mơ hình kênh đường xuống và đường lên 5G NR
Mặc dù có hai ngăn xếp giao thức: mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển, chúng vẫn áp dụng mơ hình tham chiếu OSI quen thuộc. Kết quả là có nhiều lớp giao thức khác nhau và do đó có một số lớp kênh dữ liệu được xác định cho truyền thông vô tuyến.
2.2.1 Hệ thống phân cấp kênh 5G
Để nhóm dữ liệu được gửi qua mạng truy cập vô tuyến 5G NR, dữ liệu được tổ chức một cách rất hợp lý. Vì có nhiều chức năng khác nhau được gửi qua liên kết thông tin vô tuyến, chúng cần được đánh dấu rõ ràng và có vị trí và định dạng xác định. Để đảm bảo điều này xảy ra, có một số dạng kênh dữ liệu khác nhau được sử dụng. Những kênh cấp cao hơn được ánh xạ hoặc chứa trong những kênh khác cho đến khi cuối cùng ở lớp vật lý, kênh chứa dữ liệu từ các kênh cấp cao hơn.
Bằng cách này, luồng dữ liệu logic và luồng dữ liệu quản lý từ các cấp cao hơn của ngăn xếp xuống đến lớp vật lý. Mơ hình phân cấp kênh 5G NR như trong Hình 2.6.
Có 3 loại kênh dữ liệu chính được sử dụng trong hệ thống thơng tin di động . Điều này đúng với các hệ thống 5G và theo đó, hệ thống phân cấp được đưa ra:
Kênh logic: Các kênh logic có thể là một trong hai nhóm: kênh điều khiển và
kênh lưu lượng.
Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 34
Hình 2.6 Mơ hình phân cấp kênh 5G NR
Các kênh lưu lượng: được sử dụng để truyền dữ liệu từ mặt phẳng người dùng.
Kênh truyền tải: là sự ghép kênh của dữ liệu logic được vận chuyển bởi lớp vật lý
và các kênh của nó qua giao diện vơ tuyến.
Kênh vật lý: các kênh vật lý là những kênh gần nhất với việc truyền dữ liệu thực
tế qua mạng truy cập vô tuyến hoặc tín hiệu 5G RF. Chúng được sử dụng để truyền dữ liệu qua giao diện vô tuyến.
Các kênh vật lý thường có các kênh cấp cao hơn được ánh xạ vào chúng để cung cấp một dịch vụ cụ thể. Ngoài ra, các kênh vật lý mạng dữ liệu payload hoặc chi tiết về các đặc tính truyền dữ liệu cụ thể như điều chế, ghép kênh tín hiệu tham chiếu, cơng