HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------
Nguyễn Huy Gô
KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG
TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO
Chuyên nghành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 8.52.02.08
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Hà Nội-2021
Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Tiến Ban
Phản biện 1: TS. Hoàng Mạnh Kha
Phản biện 2: TS. Phạm Xuân Nghĩa
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ
tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: 9 giờ 30 ngày 15 tháng 01 năm 2022
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
1
MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Cuộc cách mạng công nghiệp lần 4 đang diễn ra, yêu cầu các
mạng di động thế hệ tiếp theo (5G, 6G)…phải đáp ứng được các nhu
cầu như: Tốc độ cao hàng Gbps, độ trễ gần như bằng không, thông
lượng cực lớn…Yêu cầu cho việc thông tin và liên lạc ngày càng
tăng cao đặc biệt về dung lượng, hiệu suất và tốc độ truyền nhận dữ
liệu giữa trạm phát sóng và người dùng di động trong mạng không
dây và có dây ngày càng cấp thiết. Vì vậy sự yêu cầu về cải tiến kỹ
thuật trong hệ thống mạng không dây cũng như có dây đòi hỏi ngày
càng nâng cao và cải thiện. Một trong những cải tiến kỹ thuật nổi bật
trong hệ thống mạng viễn thông không dây trong những năm gần đây
là kỹ thuật sử dụng MASSIVE MIMO (Multiple-input multiple-
output) tại trạm phát sóng của mỗi cell (tế bào). Kỹ thuật này mở ra
một hướng đi mới nhằm nâng cao tốc độ truyền nhận dữ liệu cũng
như cải thiện được chất lượng đường truyền từ trạm phát tín hiệu
(base station - BS) đến người dùng di động (mobile users - MUs).
Nội dung của Luận văn này sẽ mang đến cho người đọc một cái nhìn
tổng quan về kỹ thuật MASSIVE MIMO trong mạng viễn thông
không dây, tại sao kỹ thuật này là tương lai cho hệ thống viễn thông
không dây 5G (fifth Generation) và cách thức hoạt động của kỹ thuật
này như thế nào trong mạng viễn thông không dây?
2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Trong các nghiên cứu công nghệ sử dụng cho hệ thống thông
tin di động, hệ thống đa Ăng ten cỡ lớn (MASSIVE MIMO) kết hợp
2
với kỹ thuật định hướng đa búp sóng được coi là một trong những
công nghệ đầy hứa hẹn cho thế hệ thông tin di động 5G, do đem lại
hiệu quả sử dụng phổ vượt trội so với các công nghệ đa Ăng ten cũ.
Hơn thế nữa, bằng cách kết hợp các tín hiệu giữa các Ăng ten với
nhau, hệ thống có thể tạo được các chùm tia hẹp tập trung năng
lượng sóng điện từ hướng về phía người dùng, điều này giúp nâng
cao chất lượng thu của tín hiệu lên nhiều lần, giúp cải thiện vùng phủ
của hệ thống, đặc biệt là đối với các dải tần số cao, vốn còn rất nhiều
băng thông trống có thể sử dụng nhưng suy hao theo khoảng cách
lớn.
3. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống
MASSIVE MIMO trong mạng 5G theo chuẩn New Radio của 3GPP.
Khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của kỹ thuật này lên chất lượng tín
hiệu thu, hiệu quả sử dụng phổ và vùng phủ mạng 5G thông qua mô
phỏng.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Tập trung vào kỹ thuật tạo búp sóng cổ điển cho mảng Ăng
ten. Nghiên cứu hệ thống MASSIVE MIMO trong mạng di động.
5. Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu và thực nghiệm
bằng hình thức thu thập thông tin về các mạng thông tin di động 5G,
phân tích các kỹ thuật tạo búp sóng và ứng dụng của nó vào hệ thống
MASSIVE MIMO, tiến hành đánh giá hiệu quả của hệ thống thông
qua mô phỏng.
3
6. Bố cục của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận, phụ lục và tài liệu tham khảo,
nội dung của luận văn gồm 3 chương:
Chương I: Tổng quan hệ thống di động
Chương II: Kỹ thuật định hướng đa búp sóng
Chương III: Định hướng đa búp sóng trong hệ thống
MASSIVE MIMO
4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
Chương này sẽ trình bày khái quát quá trình phát triển của hệ
thống thông tin di động, các tiêu chuẩn, đặc điểm của hệ thống đã
được ứng dụng trên thế giới cho đến nay. Đồng thời cũng trình bày
tổng quan về kiến trúc mạng, kỹ thuật truyền dẫn và mạng lõi nano
trong hệ thống thông tin di động 5G.
1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động
Thế hệ đầu tiên (1G) khởi đầu từ những năm cuối của thập
kỷ 70 và đầu thập kỷ 80, đây là thệ thống thông tin di động tương tự
chỉ cung cấp dịch vụ thoại. Thế hệ thứ 2 (2G) là công nghệ di động
kỹ thuật số, cung cấp dịch vụ thoại và cả dữ liệu xuất hiện vào thập
kỷ 90. Thế hệ thứ 3(3G) bắt đầu xuất hiện từ năm 2001 với đặc trưng
bởi việc cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ
cao. Thế hệ 4G bắt đấu xuất hiện vào những năm 2009 và được triển
khai thương mại hóa từ năm 2012 trở đi, cung cấp các dịch vụ truyền
dữ liệu với tốc độ cao hơn thế hệ 3G hàng chục lần. Thế hệ 5G bắt
đấu xuất hiện từ năm 2018 đã được công bố trong bản phát hành
3GPP-15. Hình 1.1 cho ta thấy sự thay đổi về công nghệ từ 1G dến
5G.
5
Hình 1.1: Lịch sử phát triển mạng di động
1.1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G)
Hệ mạng di động đầu tiên hay 1G được giới thiệu và ra mắt
tại Tokyo Nhật vào năm 1979. Hệ thống thông tin di động 1G ứng
dụng các công nghệ truyền dẫn tương tự để truyền tín hiệu thoại. Sử
dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và
điều chế tần số (FM).
1.2.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G)
Hệ thống thông tin di động 2G được đăch trưng bởi công
nghệ chuyển mạch kỹ thuật số, sử dụng công nghệ đa truy nhập phân
chia theo thời gian TDMA và đa truy nhập phân chia theo mã
CDMA.
1.1.3 Hệ thống thông tin di động 2,5G
Hệ thống thông tin di động 2,5 G được nâng cấp từ hệ thống
thông tin di động 2G. Sự nâng cấp này đôi khi được coi là sự chuẩn
bị để tiến tới hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G).
1.1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)
Liên minh viễn thông quốc tế ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn
hóa thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) với tên gọi IMT-
2000(InternationalMobile Telecommunications for the Year 2000).
Trong đó có hai hệ thống WCDMA và CDMA-2000 đưa vào hoạt
động vào những năm đầu của thập kỷ 2000. Các hệ thống này đều sử
dụng công nghệ Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code
Division Multiple Access). Điều này cho phép thực hiện tiêu chuẩn
toàn cầu cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động 3G.
6
1.1.5 Hệ thống thông tin di động tiền 4G (pre-4G)
Công nghệ tiền 4G là bước chuẩn bị để nâng cấp từ công
nghệ 3G lên 4G, ở một số nơi, người ta còn gọi đây là mạng 3,9G.
Một số công nghệ tiền 4G có thể kể đến là: LTE (Long Term
Evolution), WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave
Access), UMB (Ultra Mobile Broadband).
3GPP LTE: là hệ thống tiếp theo cần hướng tới của hệ thống
mạng 3G dựa trên công nghệ di động GSM/UMTS, và là một trong
những công nghệ tiềm năng nhất cho truyền thông di động thế hệ thứ
tư (4G). 3GPP LTE có khả năng cấp phát phổ tần linh động và hỗ trợ
các dịch vụ đa phương tiện với tốc độ trên 100 Mb/s khi di chuyển
với tốc độ 3km/h, và đạt 30 Mb/s khi di chuyển với tốc độ cao
khoảng 120km/h, tốc độ này nhanh hơn gấp 7 lần so với tốc độ
truyền dữ liệu của công nghệ HDSPA. Do đó công nghệ này cho
phép sử dụng các dịch vụ đa phương tiện tốc độ cao trong khi di
chuyển. 3GPP LTE sử dụng công nghệ Đa truy nhập phân chia theo
tần số trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple
Access) và kỹ thuật MIMO (Multiinput Multi-output).
1.1.6 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G)
Vào tháng 3 năm 2008, tổ chức ITU-R đã đưa ra các yêu cầu
tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) với tên
gọi IMT – Advanced. Theo IMT –Advanced, hệ thống thông tin di
động 4G phải đáp ứng được các yêu cầu sau:
- Xây dựng dựa hệ thống mạng IP chuyển mạch gói.
7
- Đáp ứng được tốc độ dữ liệu đỉnh lên đến 100 Mb/s khi di
chuyển với tốc độ nhanh, và 1 Gb/s khi di chuyển với tốc độ chậm
(hoặc đứng yên).
- Có thể linh hoạt trong việc sử dụng và chia sẽ tài nguyên
mạng để hỗ trợ số lượng lớn người sử dụng đồng thời trong một Cell.
- Độ rộng băng thông có thể thay đổi được một cách linh
hoạt, phạm vi thay đổi có thể lên đến 40 MHz.
- Có hiệu suất sử dụng phổ tần đỉnh lên đến 15 b/s/Hz đối
với đường xuống và 6,75 b/s/Hz đối với đường lên (tức nếu đường
xuống đạt tốc độ 1Gb/s thì chỉ chiếm dụng khoảng 67 MHz băng
thông).
- Hiệu suất sử dụng phổ tần của hệ thống, trường hợp trong
nhà, là 3b/s/Hz/cell cho đường xuống và 2,25 b/s/Hz/cell cho đường
lên.
- Dễ dàng thực hiện chuyển giao giữa những mạng phức tạp.
- Khả năng cung cấp các dịch vụ chất lượng cao cho thế hệ
đa phương tiện tiếp theo. Hiện nay, chỉ có hai hệ thống đáp ứng được
các yêu cầu trên và được ITU công nhận là hệ thống thông tin di
động 4G, đó là: LTE-Advanced (được phát triển bởi 3GPP) và
WirelessMAN-Advanced (được phát triển bởi IEEE).
1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G)
ITU đưa ra 3 lớp dịch vụ 5G cơ bản gồm: giao tiếp kiểu máy
lớn (mMTC), băng thông rộng di động nâng cao (eMBB) và giao tiếp
siêu đáng tin cậy và độ trễ thấp (URLLC).
8
1.2.1 Kiến trúc mạng 5G
5G có hai chế độ kiến trúc mạng: chế độ độc lập (SA) và chế
độ không độc lập (NSA). Trong cấu trúc SA, 5G NR được kết nối
trực tiếp với lõi 5G của riêng nó có giao diện không dây 5G mới. Ở
chế độ NSA, 5G đang hoạt động dưới lõi gói phát triển 4G / LTE
(EPC).
Triển khai option SA giúp đơn giản hóa kiến trúc mạng và
nâng cao hiệu quả mạng 5G. Option SA cho phép triển khai các dịch
vụ 5G có yêu cầu cao hơn với yêu cầu độ trễ rất thấp (URLLC).
Triển khai mô hình NR NonStand Alone (NSA) hoàn thành
chuẩn hóa vào năm 2017, được giới thiệu qua các option 3, 3a, 3x
tùy theo các phần tử mạng.
1.2.2 Dải tần milimeter-wave (mmWave)
Ngành công nghiệp di động đã phân chia sóng vô tuyến hiện
tại cho các hệ thống di động thành hai loại chính: tần số dưới 6 GHz
và tần số trên 6 GHz. Các tần số trong các băng tần dưới 6 GHz là
những tần số được sử dụng để triển khai các hệ thống di động 2G,
3G, 4G và cả cho mạng 5G, thường chúng nằm trong khoảng từ 600
MHz đến các tần số trong băng tần trung (khoảng từ 2,5 GHz-4
GHz). Các tần số không cần cấp phép ở băng tần 5 GHz - 6 GHz
cũng có thể được sử dụng cho mạng di động để hỗ trợ cho các băng
tần được cấp phép nhằm mang lại hiệu suất cao hơn cho người dùng
di động.
9
1.2.3 Mạng lõi Nano
Để đáp ứng các tiêu chuẩn đặt ra cho hệ thống 5G không
phải là điều dễ dàng, ngoài những phương thức mới trong truyền
dẫn, cần phải có một công nghệ mới làm nền tảng để thiết kế, xây
dựng các thiết bị trong hệ thống. Và xây dựng mạng lõi Nano làm cốt
lõi cho hệ thống 5G chính là một giải pháp được xem là tối ưu nhất
có thể đáp ứng yêu cầu này.
Mạng lõi Nano được định nghĩa một cách đơn giản là sự hội
tụ của 3 công nghệ:
- Công nghệ Nano
- Điện toán đám mây
- Mạng All IP (AIPN)
1.2.4 Ăng ten MASSIVE MIMO
Cùng với sự phát triển của thông tin di động, nhu cầu về
thông tin mọi lúc mọi nơi đang ngày càng trở nên cần thiết. Từ
những nhu cầu đơn giản về thông tin thoại hay điện báo ban đầu, đến
nay nhu cầu truy cập và trao đổi các nguồn thông tin đa phương tiện,
hình ảnh video chất lượng cao đang ngày càng trở nên bức thiết. Bên
cạnh nhu cầu về tốc độ truy cập, tính di động cho phép truy cập mọi
lúc, mọi nơi cũng là một yêu cầu không thể thiếu. Để đáp ứng được
nhu cầu này, công nghệ truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra (MIMO –
Multiple Input Multiple Output) ra đời. MIMO là kỹ thuật truyền dẫn
sử dụng đồng thời nhiều ăng ten phát và thu.
10
1.3 Kết luận chương
Chương này đã trình bày được các nội dung tổng quan về sự
phát triển của mạng thông tin di động, tiếp theo là kiến trúc của
mạng 5G, kỹ thuật truyền dẫn và mạng lõi nano trong mạng di động
5G. qua đó đã cung cấp được một cách nhìn tổng thể về các thế hệ
quá trình hình thành phát triển của các thế hệ mạng thông tin di
động, quá trình tiến hóa của mạng di động trong việc cung cấp, đáp
ứng nhu cầu về dịch vụ của người dùng. Làm rõ các đặc điểm và kỹ
thuật cơ bản áp dụng vào mạng di động
Đối với mạng 5G đã được trình bày đầy đủ đầy đủ các loại
hình kiến trúc mạng cơ bản được đề xuất trong 3GPP để cung cấp
các lựa chọn linh hoạt để triển khai mạng 5G. Đồng thời chương này
cũng trình một cách cơ bản những kỹ thuật về truyền dẫn và mạng
lõi ứng dụng công nghệ nano của mạng 5G.
11
CHƯƠNG II. KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG
2.1 Phân loại định hướng đa búp sóng
Kỹ thuật đa búp sóng được sử dụng trong ăng ten thông
minh để truyền và nhận
tín hiệu. Ăng ten thông minh là các ăng ten mảng với các
thuật toán xử lý tín hiệu nhận biết các định danh tín hiệu không gian,
chẳng hạn như hướng đến (DOA) của tín hiệu và sử dụng chúng để
đánh giá các vectơ định dạng.
Các vectơ này xác định và theo dõi tín hiệu mong muốn
được gửi từ các trạm di động. Các kỹ thuật ăng ten thông minh được
sử dụng đặc biệt trong xử lý tín hiệu âm thanh, thiên văn vô tuyến và
kính thiên văn vô tuyến, radar theo dõi và quét, cũng như trong các
hệ thống truyền thông không dây, như W-CDMA, UMTS, LTE và
LTE Advanced. Một số phương pháp, như kỹ thuật phân loại nhiều
tín hiệu (MUSIC), ước tính các tham số tín hiệu thông qua các kỹ
thuật bất biến xoay vòng (ESPRIT) và phương pháp ma trận bút chì
và các dẫn xuất của nó, đã được xây dựng như một phần của kỹ thuật
đa búp sóng để dự đoán DOA của tín hiệu đến và đã được thực hiện
thông qua hệ
thống ăng ten thông minh. Các phương pháp này sử dụng
phổ tần không gian của dải ăng ten và tính toán DOA dựa trên các
đỉnh của phổ. Ăng ten thông minh có thể được phân loại thành ba
loại: đa dạng, ghép kênh không gian và búp sóng, các phân loại này được trình bày trong hình 2.1
Tạo chùm tia
Định dạng chùm băng hẹp
Định dạng chùm băng rộng
chuyển đổi chùm tia
Tạo chùm thích ứng
tạo chùm tia tương tự
Định dạng chùm tia kỹ thuật số
Tạo chùm kết hợp
thuật toán thích ứng mù
thuật toán tạo dạng chùm thích ứng.
12
LMS
CMA
Ma trận Butler
RLS SMI CGA
LS-CMA LCMV MVDR
LMS: bình phương nhỏ nhất.
RLS: đệ quy-nhỏ nhất-bình phương.
SMI: nghịch đảo ma trận mẫu.
CGA: thuật toán gradient liên hợp.
CMA: thuật toán mô đun không đổi.
LS-CMA: thuật toán môđun hằng số bình phương nhỏ nhất.
LCMV: phương sai tối thiểu hạn chế tuyến tính.
MVDR: phản hồi không biến dạng phương sai tối thiểu.
Hình 2.1: Phân loại định hướng đa búp sóng
13
2.2 Định hướng đa búp sóng băng hẹp và băng rộng
Nhu cầu về các dịch vụ băng rộng trong thời gian gần đây
đòi hỏi phải tăng cường băng thông và tốc độ truyền dữ liệu trong
các hệ thống truyền thông không dây. Phổ hiện có bị hạn chế và do
đó trọng tâm nghiên cứu là đưa ra các kỹ thuật phù hợp để tăng
cường sử dụng phổ để đáp ứng các ứng dụng băng rộng. Hệ thống
ăng ten thông minh là một trong những kỹ thuật như vậy do khả năng
lọc không gian của nó khi nó nhận tín hiệu đến từ các hướng cụ thể
và cung cấp độ suy giảm cho các tín hiệu theo các hướng khác.
Bộ lọc không gian xử lý dữ liệu theo không gian và kết hợp
với bộ lọc tạm thời để xử lý dữ liệu được thu thập theo thời gian.
Điều này làm tăng công suất hệ thống, hiệu quả sử dụng điện và
giảm chi phí chung. Hệ số mảng của bộ định hướng chùm tia được
thiết kế sao cho nó có khả năng lái và định hướng để tăng cường tín
hiệu theo hướng mong muốn và từ chối tín hiệu theo hướng đầu vào.
Ngày nay, định dạng chùm siêu rộng được sử dụng rộng rãi trong các
ứng dụng như điều hướng, radar, thiên văn vô tuyến, hình ảnh không
gian RF, hệ thống thông tin liên lạc không dây băng thông rộng, v.v.
Ăng ten định hướng ngày nay được sử dụng rộng rãi trong
các ứng dụng liên lạc điểm - điểm. Các ăng ten định hướng tập trung
năng lượng RF trong quá trình giao tiếp và do đó giảm tiêu thụ năng
lượng trong quá trình truyền. Đồng thời làm giảm các vấn đề về
nhiễu sóng vô tuyến, do đó làm cho nó phù hợp với các ứng dụng
như Mạng cảm biến không dây (WSN) [6]-[7]. Ăng ten định hướng
được phân loại là ăng ten phân phái có chùm tia khu vực cố định và
14
ăng ten thích ứng liên tục hướng chùm tia đến bất kỳ hướng mong
muốn nào. Một bộ điều khiển chùm lái rỗng với SLL thấp được thực
hiện trong các WSN được phân bố đồng đều trong đó biểu thức dạng
chùm trung bình được suy ra cho hệ thống lái rỗng và cũng làm giảm
mức thùy bên.
2.2.1 Đánh giá bộ định dạng chùm ULA
Trong bộ định dạng chùm dựa trên tổng độ trễ, tín hiệu tại
các phần tử bị trễ và tổng hợp lại với nhau để tạo ra chùm theo một
hướng cụ thể. Khoảng cách giữa các phần tử được thực hiện dưới
dạng các đường trễ được khai thác cho mỗi phần tử ăng ten đối với
một hướng chùm tia nhất định. Sử dụng các bộ lọc kỹ thuật số FIR,
độ trễ thời gian được thực hiện trong định dạng chùm tia FIR
2.2.2 Thiết kế bộ lọc Spatial
Các kỹ thuật định dạng chùm khác nhau để tổng hợp mẫu
mảng Antenna là Legendre, Chebyshev, Chebyshev sửa đổi, chuỗi
hình cầu rời rạc (DPSS), phương pháp Taylor, v.v. Các tính năng của
mảng ăng ten là mẫu bức xạ, một nửa độ rộng chùm tia (HPBW) và
hiệu quả chùm tia.
2.2.3 Mô phỏng và kết quả
Mô phỏng được thực hiện trên máy tạo chùm băng hẹp và
băng rộng sử dụng phương pháp và hiệu suất được đề xuất so với
máy tạo chùm hiện có. Tần số tín hiệu đến cho băng hẹp là 1,5GHz
và băng thông tín hiệu băng rộng là 1GHz ≤ f ≤ 3GHz, SLL mong muốn là -30dB và phạm vi lái là −450 đến 450. Mảng tuyến tính
thống nhất được đề xuất được thiết kế và mô phỏng với các phần tử
15
Ăng ten M nằm trong khoảng từ 17 đến 31 với khoảng cách bằng
nhau liền kề d = 0,5 min đối với bộ định dạng chùm băng hẹp và
băng rộng. Hiệu suất chức năng cửa sổ bộ định dạng chùm được đề
xuất được so sánh với cửa sổ DPSS, Taylor và Kaiser cho các phần
tử Ăng ten khác nhau và SLL mong muốn. Các phép so sánh bộ định
dạng chùm tia được hiển thị trong bảng 2.1 để có chiều rộng chùm
tia tối ưu và mức thuỳ bên đỉnh nhất định.
2.3 Định hướng mảng búp sóng chuyển mạch và búp sóng thích
ứng
2.3.1 Chuyển búp sóng
Ăng ten chuyển búp sóng gồm nhiều búp sóng kề nhau mà
đầu ra của chúng có thể thay đổi để chiếu tới một hoặc nhiều máy thu
nhất định. Do đó, một ô trong hệ thống sẽ được chia nhỏ bởi một
nhóm các búp sóng liên tục. Ăng ten mảng bám pha động cũng có
thể được coi là một loại ăng ten chuyển búp sóng, nhưng nó sử dụng
thêm thông tin hướng tới từ người dùng mong muốn để quay hướng
cực đại búp sóng về phía người đó nên có chỉ tiêu tốt hơn ăng ten
chuyển búp sóng thông thường. Còn đối với ăng ten thích nghi, cấu
trúc búp sóng có thể biến đổi thích nghi với môi trường tín hiệu cao
tần, định hướng búp sóng tới người sử dụng mong muốn, đồng thời
làm suy giảm tăng ích ăng ten ở hướng gây nhiễu. Tuy có chỉ tiêu tốt
hơn, nhưng ăng ten mảng thích nghi thường phải sử dụng những xử
lý số phức tạp nên có chi phí tốn kém hơn hệ thống chuyển búp sóng.
Hệ thống chuyển búp sóng đơn giản chỉ bao gồm một mạch
tạo búp sóng, một chuyển mạch cao tần có điều khiển logic để chọn
16
búp sóng mong muốn. Mỗi máy thu phải có một cơ chế lựa chọn búp
sóng để có thể chọn được búp sóng mong muốn dựa vào các vector
trọng số đã định. Cơ chế để lựa chọn búp sóng hiệu quả là khá phức
tạp và tuỳ thuộc vào phương pháp truy nhập theo CDMA, TDMA
hay FDMA.
2.3.2 Thuật toán tạo chùm tia thích ứng
Thuật toán định dạng chùm thích ứng được sử dụng rộng rãi
trong các mảng ăng-ten, cũng như trong thông tin liên lạc, hệ thống
radar và kỹ thuật y sinh. Có một số loại thuật toán tạo dạng chùm
thích ứng, chẳng hạn như thuật toán bình phương trung bình nhỏ
nhất, thuật toán đảo ngược ma trận mẫu, thuật toán mô đun không
đổi, thuật toán bình phương nhỏ nhất đệ quy, phương pháp gradient
liên hợp, v.v.
2.4 Định hướng đa búp sóng tương tự, số và lai số-tương tự
Một cách phân loại khác về các kỹ thuật định hướng đa búp
sóng đã được thể hiện trong hình 2.1, trong đó chúng được phân
thành hai loại: định hướng đa búp sóng tương tự và định hướng đa
búp sóng kỹ thuật số. Định hướng đa búp sóng tương tự đã được đề
xuất hơn 50 năm trước. Các ăng ten định hướng đa búp sóng tương
tự được cấu tạo bởi ma trận lai và bộ dịch pha cố định. Khái niệm
chính đằng sau định hướng đa búp sóng tương tự là điều khiển pha
của từng tín hiệu truyền bằng cách sử dụng các bộ dịch pha chi phí
thấp. Một bộ chuyển mạch tần số vô tuyến chọn lọc (RF) được sử
dụng để tạo điều kiện cho chức năng định hướng búp sóng (góc định
hướng). Một số ăng ten định hướng đa búp sóng tương tự hiện đại đã
17
được đề xuất và cung cấp định hướng đa búp sóng liên tục.
Venkateswaran và van der Veen (2010) đã đề xuất định hướng đa
búp sóng tương tự trong truyền thông MIMO với các mạng chuyển
pha. Họ đã cố gắng hủy các tín hiệu gây nhiễu trong miền tương tự
và giảm thiểu độ phân giải ADC cần thiết. Ngược lại, định hướng đa
búp sóng kỹ thuật số bao gồm nhiều ưu điểm, bao gồm ước tính
DOA, điều khiển lập trình các mẫu bức xạ ăng ten và điều khiển búp
sóng thích ứng để tăng cường SINR.
18
CHƯƠNG 3: ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG
TRONG HỆ THỐNG MASSIVE MIMO
3.1 Hệ thống MASSIVE MIMO
Các hệ thống MIMO đã nhận được sự chú ý đáng kể do số
lượng người dùng được phục vụ ngày càng tăng và nhu cầu ngày
càng tăng đối với lượng lớn dữ liệu. Các hệ thống MIMO đa người
dùng có thể cung cấp một kỹ thuật đột phá để cải thiện hiệu quả phổ
trong truyền thông không dây. MIMO đã trở thành một công nghệ
chính cho các hệ thống truyền thông trong tương lai khi số lượng yêu
cầu cho các dịch vụ không dây tiếp tục tăng lên, với phổ tần là hữu
hạn. Gần đây, nhiều nghiên cứu chuyên sâu đã được thực hiện trong
lĩnh vực truyền thông MIMO đa người dùng, trong đó các hệ thống
có liên quan được gọi là hệ thống MIMO quy mô lớn (MASSIVE
MIMO).
Các hệ thống MASSIVE MIMO được định nghĩa là sự sắp
xếp của các hệ thống mu-MIMO trong đó một lượng lớn các phần tử
ăng ten tại BS và một lượng lớn Ăng ten tại các thiết bị đầu cuối
được triển khai. Trong các hệ thống MASSIVE MIMO, một lượng
lớn Ăng ten (hàng trăm hoặc hàng nghìn) được kết nối với BS đồng
thời hoạt động với số lượng đáng kể (hàng chục hoặc hàng trăm)
thiết bị đầu cuối sử dụng tài nguyên tần số sóng mang và thời gian
tương tự. Các hệ thống MASSIVE MIMO có thể cải thiện khả năng
của các hệ thống truyền thông không dây từ 10 lần trở lên nhờ các
đặc tính của chúng và hiệu suất năng lượng khoảng 100 lần. Việc
tăng công suất được kích hoạt bởi các hệ thống MASSIVE MIMO là
19
do số lượng lớn ăng ten được triển khai. Tuy nhiên, việc sử dụng một
số lượng lớn ăng ten gây ra các vấn đề nhiễu, có thể được giảm thiểu
bằng cách triển khai các ăng ten dạng chùm thay vì ăng ten thông
thường.
3.2 Vai trò của định hướng đa búp sóng trong hệ
MASSIVE MIMO
Định hướng đa búp sóng là một quá trình được xây dựng để
tạo ra các mẫu chùm bức xạ của ăng ten bằng cách xây dựng hoàn
toàn các tín hiệu được xử lý theo hướng của các cực mong muốn.
Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ lọc đáp ứng
xung hữu hạn (FIR). Bộ lọc FIR có lợi ở chỗ trọng lượng của chúng
có thể được thay đổi một cách thích ứng và được áp dụng để có được
dạng tia tối ưu.
Ứng dụng của kỹ thuật búp sóng trong các hệ thống
MASSIVE MIMO có các ưu điểm sau: tăng cường hiệu quả năng
lượng, cải thiện hiệu suất quang phổ, tăng bảo mật hệ thống và khả
năng ứng dụng cho các dải sóng mm.
3.2.1 Tăng cường hiệu quả năng lượng
Yêu cầu công suất thấp hơn của ăng ten búp sóng để truyền
tín hiệu đến người dùng và giảm chi phí dẫn đến mức tiêu thụ điện
năng thấp hơn và chi phí bộ khuếch đại của các hệ thống MASSIVE
MIMO. Các hệ thống MASSIVE MIMO được hỗ trợ bởi các quy
trình định dạng tia để giảm mức tiêu thụ năng lượng của toàn hệ
thống bằng cách tính toán số lượng phần tử Ăng ten tối ưu đáp ứng
một số tiêu chí thiết yếu để điều khiển các hệ thống MASSIVE
20
MIMO tiết kiệm năng lượng
3.2.2 Cải thiện hiệu suất phổ
Kiểm soát công suất của tín hiệu đường lên và đường xuống,
cải thiện chất lượng tín hiệu bằng các thành phần ăng ten dạng chùm
cho phép cải thiện công suất. Các hệ thống MASSIVE MIMO có
tiềm năng cải thiện hiệu quả phổ của các mảng ăng ten định dạng
chùm không dây với số lượng lớn các phần tử ăng ten phục vụ tại các
BS với quá trình tiền mã hóa và phát hiện kết. Hiệu suất phổ của các
hệ thống tế bào bị ảnh hưởng bởi sự phân bố tỷ lệ sóng mang trên
mạng di động
3.2.3 Tăng cường bảo mật hệ thống
Khái niệm về tạo chum tia là để điều khiển tín hiệu truyền
tới người dùng dự định; do đó, người nhận sẽ là bên duy nhất khôi
phục tín hiệu mong muốn từ tín hiệu lớp phủ. An ninh vật lý có thể
đạt được vì xác suất kẻ nghe trộm nhận được tín hiệu truyền sẽ nhỏ
hơn so với khi sử dụng ăng ten thông thường.
3.2.4 Khả năng ứng dụng cho các dải sóng mm
Một ưu điểm khác của tạo chum tia là nó có thể được áp
dụng cho các dải sóng mm. Do phần lớn phổ tần số phù hợp với
truyền thông di động đô thị dày đặc (ví dụ, dưới 5 GHz) được cấp
phép, cách duy nhất để tăng tốc độ dữ liệu trong miền tần số là sử
dụng các dải tần số không sử dụng gần dải sóng mm. Ưu điểm chính
của các dải tần số này là tính sẵn có băng thông cao. Tuy nhiên, đặc
điểm lan truyền của các dải này là kém, ngay cả đối với khoảng cách
ngắn.
21
3.3 Các bộ tiền mã hóa và tách sóng MASSIVE MIMO
Như đã đề cập ở trên, các hệ thống MASSIVE MIMO có các
lợi ích sau: tăng cường hiệu suất thông lượng, các thành phần chi phí
thấp, năng lượng thấp và bức xạ năng lượng hiệu quả. Tiền mã hóa,
hoặc đồng bộ hóa các tín hiệu truyền đi, là một trong những chức
năng liên quan đến các hệ thống MIMO và được phát triển cho các
hệ thống MASSIVE MIMO phụ thuộc vào tính khả dụng của CSI để
sửa lỗi tín hiệu tại các BS. Các máy tách sóng tại các thiết bị đầu
cuối (trạm di động) sau đó sẽ phục hồi tín hiệu được thiết lập mong
muốn từ các thành phần mảng ăng ten tại BS trong giai đoạn đường
xuống. Thiết kế máy tách sóng với mức tiêu thụ điện năng tăng
cường và độ phức tạp ước tính thấp rất khó thu được nhưng cực kỳ
quan trọng, đặc biệt khi số lượng ăng ten tăng.
3.4 Quản lý chùm tia
3.4.1 Nhu cầu quản lý chùm tia
Trước khi một UE có thể giao tiếp với mạng, nó phải thực hiện các
thủ tục tìm kiếm và lựa chọn ô và có được thông tin hệ thống và
đồng bộ ô ban đầu. Bước đầu tiên trong quá trình đó là thu được
đồng bộ hóa khung, tìm ra danh tính tế bào và giải mã MIB và SIB1.
Xem ví dụ chi tiết minh họa quy trình tìm kiếm ô NR và quy trình
khôi phục MIB và SIB1 Trong trường hợp hệ thống nhiều anten phát
nhiều chùm, việc phát hiện các chùm từ gNB cũng là một phần của
quy trình ban đầu mà UE thường phát hiện tất cả các chùm trong
không gian tìm kiếm
22
3.4.2 Quy trình quản lý chùm tia
a) Quét tia dựa trên SSB (P-1)
Quy trình này tập trung vào việc mua lại ban đầu dựa trên SSB cho
một UE ở chế độ nhàn rỗi. Trong quá trình thu nhận ban đầu, quá
trình quét chùm tia diễn ra ở cả đầu phát và đầu nhận để chọn cặp
chùm tia tốt nhất dựa trên các phép đo RSRP. Nói chung, các chùm
được chọn rộng và có thể không phải là một cặp chùm tối ưu cho
việc truyền và nhận dữ liệu. Sau khi được kết nối, các chùm được
tinh chỉnh thêm bằng cách sử dụng CSI-RS (cho đường xuống) và
SRS (cho đường lên).
b) Tinh chỉnh chùm tia cuối truyền dựa trên CSI-RS (P-2)
Sau khi chùm tia ban đầu được thiết lập, việc truyền dữ liệu
unicast với định hướng cao và độ lợi cao đòi hỏi một chùm tia mịn
hơn nhiều so với chùm SSB. Do đó, một tập hợp các tài nguyên tín
hiệu tham chiếu được cấu hình và truyền theo các hướng khác nhau
bằng cách sử dụng các chùm tia mịn hơn trong phạm vi góc của
chùm tia từ quá trình thu nhận ban đầu. Sau đó, UE đo tất cả các
chùm này bằng cách bắt các tín hiệu với một chùm nhận cố định.
Cuối cùng, chùm phát tốt nhất được chọn dựa trên các phép đo RSRP
trên tất cả các chùm truyền.
3.5 Sử dụng bài toán công suất để khẳng định tính định hướng
đa búp sóng trong hệ MASSIVE MIMO
3.5.1 Xây dựng vấn đề
Trong truyền thông không dây, các bài toán điều khiển công
23
suất thường hướng đến mục tiêu tối ưu hàm lợi ích U(R1,...,RN) trong đó U(·) là một hàm dương và tăng theo đối số của nó (tức là tăng
theo hiệu quả sử dụng phổ). Trong nghiên cứu này, chúng tôi quan
tâm bài toán điều khiển công suất tối đa – tối thiểu (max-min) cho
mục đích cung cấp chất lượng dịch vụ đồng đều cho tất cả người
dùng
3.4.2 Phương pháp
Trong nghiên cứu này đề xuất một thuật toán điều khiển
công suất tối đa – tối thiểu đơn giản
3.5.3 Kết quả mô phỏng
3.5 Kết luận chương
Trong các nghiên cứu công nghệ sử dụng cho hệ thống thông
tin di động tương lai, hệ thống đa ăng ten cỡ lớn (MASSIVE MIMO)
được coi là một trong những công nghệ đầy hứa hẹn cho thế hệ hệ
thống thông tin di động 5G do đem lại hiệu quả sử dụng phổ vượt
trội so với các công nghệ đa ăng ten cũ.
Trong chương này đề xuất một phương pháp phân bổ công
suất tối đa – tối thiểu hiệu quả cho hệ thống đa ăng ten cỡ lớn
(MASSIVE MIMO) trong đường xuống, sử dụng cơ chế MIMO đa
người dùng (MU-MIMO). Mô hình hóa vấn đề như một bài toán tối
ưu với điều kiện ràng buộc bởi tổng công suất tối đa trên toàn bộ
tuyến Ăng ten phát. Kết quả mô phỏng để chứng minh tính hiệu quả
của phương pháp, tập trung vào hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống.
24
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật định hướng đa búp
sóng khi sử dụng mảng ăng ten cỡ lớn (MASSIVE MIMO), là một
công nghệ then chốt trong mạng di động 5G. Luận văn tóm tắt các
lợi ích công nghệ này đem lại nhằm đáp ứng các yêu cầu của mạng
5G.
Kết quả đạt được
Chúng ta có thể đạt được một búp sóng tối ưu cho các hệ
thống MIMO quy mô lớn bằng cách triển khai kết hợp giữa định
hướng đa búp sóng tương tự và kỹ thuật số trong các dải sóng mm
kết hợp với thuật toán tối ưu. Các thuật toán tối ưu có thể là một
trong những thuật toán thích ứng, chẳng hạn như MVDR hoặc kết
hợp hai thuật toán, để ước tính chính xác DOA theo góc phương vị
và góc độ cao (2D-DOA).
Việc triển khai định hướng đa búp sóng tối ưu như vậy sẽ
cung cấp hiệu suất cao nhất trong các hệ thống MIMO quy mô lớn,
đáp ứng các yêu cầu của hệ thống truyền thông không dây thế hệ tiếp
theo.
Hướng phát triển
Đây là đề tài khá sâu và rộng đang được ứng dụng, nghiên
cứu rộng rãi hiện nay. Trong tương lai nếu có điều kiện em sẽ đi sâu
vào tìm hiểu cũng như nghiên cứu sâu hơn về các vấn đề cốt lõi về
định hướng đa búp sóng trong mạnh 5G cũng như nghiên cứu tìm ra
các giải pháp khắc phục những thách thức đối với hệ thống MIMO
quy mô lớn như sự ô nhiễm Pilot, sự bất lợi trong lan truyền sóng…
