Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO 1.1 Giới thiệu Chương này cung cấp một cái nhìn tổng quan về sự phát triển của các hệ thống thông tin di động. Chúng ta bắt đầu với một trích dẫn từ một cuộc trò chuyện được tổ chức qua mạng di động từ Martin Cooper vào ngày 3 tháng 4 năm 1973. “Tôi gọi cho bạn từ một điện thoại di động, một điện thoại di động cầm tay thực sự”. Thiết bị di động được sử dụng trong suốt cuộc trò chuyện này là Motorola DynaTAC có trọng lượng khoảng 2.5 lbs với chi phí khoảng 9.
Sự kiện lịch sử này đã kích hoạt một phong trào thay đổi cuộc sống của rất nhiều người. Sự thay đổi cuộc sống này là rất lớn, lớn hơn nhiều so với việc hỗ trợ người dùng di động, nó thúc đẩy việc tạo ra các thiết bị cực kỳ phức tạp (điện thoại thông minh hiện nay) giúp chúng ta kết nối với thế giới. Các thiết bị này không chỉ thực hiện các nhu cầu liên lạc dữ liệu và giọng nói rất cần thiết với chúng ta mà còn có rất nhiều ứng dụng hỗ trợ như thông báo cho bạn bè thông qua phương tiện truyền thông xã hội, cạnh tranh với trò chơi trực tuyến, tiêu thụ và sản xuất nội dung video, thực hiện các phép đo y tế, sử dụng các dịch vụ dựa trên định vị, v. Khi các thiết bị không dây này được thừa hưởng từ định luật Moore, các công nghệ di động tế bào có thể vẫn là tâm điểm để giới thiệu các tính năng mới và những đặc điểm thú vị mang lại lợi ích cho người dùng cuối.
Chương này nhằm giải quyết các công nghệ điều khiển quan trọng đằng sau các thiết kế hệ thống vô tuyến mới (NR) 5G, tập trung vào các giải pháp hỗ trợ các dịch vụ mới 5G trong truyền dẫn đường lên (UL) với các yêu cầu như độ trễ thấp và độ tin cậy cao, tiết kiệm năng lượng và các ứng dụng gói nhỏ. Các tài nguyên không cần sự cho phép (GF) trong UL NR được gọi là “cho phép trước”, có nghĩa là các thông số kỹ thuật được cấu hình trước sẽ được sử dụng để truyền LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 4 UE UL mà không cần lập lịch/cho phép. Ngoài ra trạm gốc (BS) trong mạng NR 5G được gọi là “NodeB thế hệ tiếp theo” hoặc “gNB”.2 Thông tin di động tế bào: Nhập môn Các tiêu chuẩn di động sử dụng nhiều kỹ thuật đa truy cập (MA) được nhấn mạnh trong bảng 1. Những kỹ thuật này bao gồm đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) và đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA).
Chúng ta cũng đề cập phương pháp song công liên quan được sử dụng cho thông tin hai chiều và các tài nguyên vật lý thực tế có sẵn để gán cho mỗi người dùng. Các phương pháp song công là song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD).1: Đa truy cập trong các thế hệ của các mạng tế bào khác nhau. Phương pháp Tài nguyên Ví dụ đáng Thế hệ tế bào Kỹ thuật MA song công vật lý chú ý 1G FDMA FDD Tần số AMPS, NMT Các khe thời 2G TDMA FDD GSM, IS-54 gian Các khe thời 3G CDMA FDD/TDD gian/Các mã WCDMA PN Thời gian/tần 4G OFDMA FDD/TDD LTE, LTE-A số Thời gian/tần 5G OFDMA FDD/TDD 5G-NR số Tất cả các kỹ thuật đa truy cập ở trên có thể được xem như một dạng của đa truy cập “trực giao” (OMA), trong đó về mặt lý thuyết thì sự truy cập của người dùng không gây nhiễu cho nhau khi họ chia sẻ phương tiện không dây. Tuy nhiên chúng được giới hạn bởi số lượng tài nguyên có sẵn, điều này làm cho chúng trực giao với nhau.
Đối với CDMA thì ngược lại, việc truyền từ thiết bị không dây đến đế trạm gốc vốn đã không trực giao. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Trong FDMA, tần số được chia thành các kênh được sử dụng bởi nhiều người dùng khác nhau. Trong TDMA, thời gian được phân chia thành các khe LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 thời gian tức là cho phép nhiều người dùng khác nhau có thể truy cập hệ thống tế bào. Trong CDMA, các người dùng được phân biệt với nhau bằng các mã PN và truyền tất cả cùng một lúc trên toàn bộ kênh tần số.
Trong OFDMA các người dùng được phân bổ cho các kênh tần số khác nhau (các nhóm sóng mang con) tại các khe thời gian khác nhau. Đối với hệ thống tế bào số thế hệ tiếp theo 5G, vẫn sử dụng OFDMA trong đó khoảng cách giữa các sóng mang con và độ dài khe thời gian thì mềm dẻo và có thể hỗ trợ các yêu cầu thay đổi rộng rãi khác nhau. 5G dự kiến sẽ sử dụng NOMA. Một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật đa truy cập khác nhau.1 cung cấp một cái nhìn tổng quan để giới thiệu các kỹ thuật truy cập khác nhau sẽ được thảo luận trong phần này.
Chúng được so sánh theo ba chiều hoặc miền: công suất, thời gian và tần số. Một chỉ số hiệu suất hệ thống tiếp tục được cải thiện trong các thế hệ là hiệu quả phổ.2 cho thấy hiệu quả phổ DL của các chuẩn di động số 2G, 3G, 4G và 5G so với tốc độ dữ liệu đỉnh theo lý thuyết. Lưu ý rằng với mỗi tiêu chuẩn mới, nhu cầu về tốc độ dữ liệu cao hơn và cao hơn trong một thời gian dài dẫn đến nhu cầu tăng hiệu quả phổ trở nên rõ rệt hơn. Với mỗi thế hệ tế bào, không chỉ có sự kỳ vọng về hiệu suất tăng mà còn có thêm các tính năng mới.3 cho thấy khả năng của người dùng (và các LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 tính năng dự kiến) đã tăng theo cấp số nhân qua sự phát triển của các thế hệ di động.
Chúng ta bắt đầu chỉ bằng tiếng nói và sau đó chuyển sang khả năng dịch vụ thoại và tin nhắn ngắn (SMS) trong 2G. Khả năng dữ liệu được cải thiện trong 3G bao gồm các dịch vụ chuyển mạch gói. Hiệu quả phổ (bps/Hz) của sự phát triển tế bào số. Các khả năng người dùng trong các thế hệ tế bào.
4G cung cấp Internet di động với các trường hợp sử dụng được mở rộng cho Internet vạn vật (IoT), phương tiện đến mọi thứ (V2X), thiết bị đến thiết bị (D2D), v. Hệ thống di động thế hệ tiếp theo 5G dự kiến sẽ chỉ tăng các khả năng trường hợp sử dụng, do đó mở ra nhiều cánh cửa cho việc cung cấp các sản phẩm sáng tạo. DL là hướng giao tiếp từ BS đến thiết bị cầm tay hoặc thiết bị người dùng (UE). UL là hướng giao tiếp từ các UE đến BS.
UL cũng bao gồm quyền truy LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 cập ngẫu nhiên trong đó các UE cố gắng truy cập tài nguyên của hệ thống thông tin từ trạng thái bật nguồn hoặc bắt đầu một giao dịch mới. Phương pháp được sử dụng để phân tách giao tiếp DL và UL được gọi là song công. Ví dụ: thao tác này có thể được thực hiện trong miền thời gian (TDD)/hoặc tần số (FDD). Trong TDD, các khe thời gian nhất định được phân bổ cho DL và các khe thời gian khác cho UL.
Trong FDD, việc truyền UL và DL xảy ra đồng thời ở các dải tần số khác nhau. Các ưu điểm của TDD là chỉ cần một phổ duy nhất và được chia sẻ (không cần phổ ghép) và có các chế độ xem kênh đối xứng (các phép đo UL có thể được sử dụng cho kỹ thuật thông tin DL và ngược lại). Ưu điểm của FDD là cần ít các yêu cầu đồng bộ thời gian hơn; tuy nhiên do sự phân tách tần số giữa DL và UL, các phép đo UL có thể không hữu ích cho kỹ thuật thông tin DL vì không thể đảm bảo tính tương hỗ. Dù sử dụng phương pháp nào, độ trễ (thời gian để truy cập tài nguyên mạng) ngày càng trở nên quan trọng như là một chỉ số hiệu suất hệ thống.1 Sự phát triển của công nghệ di động Trong phần này, chúng ta sẽ giới thiệu các công nghệ truy cập vô tuyến di động (RATs) và hiểu được ưu điểm và lợi thế phát triển của chúng.1 cho thấy sự phát triển tiêu chuẩn của mạng tế bào từ 1G đến 4G.
Chúng ta nhận thấy khi 2G và 3G phát triển đã có sự gia tăng độ phức tạp của hệ thống theo nhiều tiêu chuẩn. Điều này đã thay đổi khi ngành công nghiệp hội tụ thành một tiêu chuẩn 4G duy nhất với độ phức tạp gia tăng. Các kỹ thuật đa truy cập trực giao: FDMA (đa truy cập phân chia theo tần số) Việc gán nhiều sóng mang trên cùng một kênh là khó khăn Các kênh băng hẹp (có băng thông nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh không dây) đang mong đợi Các băng bảo vệ trong miền tần số là cần thiết để giảm sự phát xạ phổ đến các băng tần lân cận Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 TDMA (đa truy cập phân chia theo thời gian) Việc bù (cân bằng) nhiễu xuyên symbol là cần thiết Sử dụng các băng bảo vệ trong miền thời gian cho phép sự biến thiên độ trễ thời gian của truyền dẫn UL Đồng bộ hóa các khe thời gian trên tất cả mục đích sử dụng là rất quan trọng để không phá hủy nguyên tắc OMA Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn.
CDMA (đa truy cập phân chia theo mã) Sử dụng toàn bộ băng thông cùng lúc bằng cách sử dụng mã trải phổ Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn. OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao) Gán nhiều sóng mang con khác nhau cho nhiều người dùng khác nhau (tại các khe thời gian khác nhau) Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn. Phổ tần là rất có giá trị đối với các nhà khai thác và vẫn cần thiết để đáp ứng thông lượng hệ thống và người dùng tăng lên. Có một phong trào toàn ngành công nghiệp là không chỉ sử dụng phổ tần được cấp phép truyền thống, mà còn sử dụng phổ không được cấp phép (theo truyền thống được sử dụng bởi các thiết bị WiFi) và phổ dùng chung bất cứ khi nào có thể.