Đồ án tốt nghiệp ngành điện tử truyền thông 5g tổng quan về các tiêu chuẩn thí nghiệm thách thức phát triển và thực hiện

Đồ án tốt nghiệp ngành điện tử truyền thông 5G phân tích tổng quan tiêu chuẩn thí nghiệm, thách thức phát triển và quá trình triển khai công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Hồ Hải Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Mai Văn Lập
• Trường học: Trường Đại học Dân lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện tử truyền thông
• Đề tài: 5G – Tổng quan về các tiêu chuẩn, thí nghiệm, thách thức, phát triển và thực hiện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG
• 1.1. Giới thiệu chung
• 1.2. Lịch sử ra đời và phát triển
• 1.3. Phân loại hệ thống thông tin di động
• 1.3.1. Phân loại theo đặc tính tín hiệu
• 1.3.2. Phân loại theo cấu trúc hệ thống
• 1.3.3. Phân loại theo phương thức đa truy nhập vô tuyến
• 1.3.3.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
• 1.3.3.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
• 1.3.3.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA
• 1.3.4. Phân loại theo phương thức song song
• 1.3.4.1. FDD (Frequency Division Duplex)
• 1.4. Một số thế hệ mạng di động
• 1.5. Hệ thống thông tin di động thế hệ 1G (First Generation)

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án tốt nghiệp ngành điện tử truyền thông 5G

Đồ án tốt nghiệp này tập trung vào việc nghiên cứu và phân tích các tiêu chuẩn 5G, thách thức phát triển 5G, và giải pháp phát triển 5G trong lĩnh vực điện tử truyền thông. Đồ án được thực hiện bởi sinh viên Hồ Hải Hoàng dưới sự hướng dẫn của TS. Mai Văn Lập tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng. Mục tiêu chính của đồ án là cung cấp một cái nhìn tổng quan về công nghệ 5G, từ các tiêu chuẩn kỹ thuật đến các ứng dụng thực tiễn trong truyền thông không dây.

1.1. Mục tiêu và nhiệm vụ của đồ án

Đồ án đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu các tiêu chuẩn 5G, bao gồm các yêu cầu kỹ thuật và thử nghiệm liên quan. Ngoài ra, đồ án cũng phân tích các thách thức phát triển 5G như vấn đề về tối ưu hóa mạng 5G, hiệu suất năng lượng, và bảo mật thông tin. Cuối cùng, đồ án đề xuất các giải pháp phát triển 5G nhằm nâng cao hiệu quả và khả năng ứng dụng của mạng 5G trong thực tế.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong đồ án bao gồm phân tích tài liệu, thử nghiệm mô phỏng, và đánh giá thực tiễn. Các số liệu cần thiết được thu thập từ các nguồn uy tín và được tính toán để đưa ra các kết luận chính xác. Đồ án cũng sử dụng các công cụ mô phỏng để kiểm tra hiệu quả của các giải pháp phát triển 5G được đề xuất.

II. Tiêu chuẩn và công nghệ 5G

Tiêu chuẩn 5G là một trong những trọng tâm chính của đồ án. Các tiêu chuẩn này bao gồm các yêu cầu về băng thông, độ trễ, và khả năng kết nối của mạng 5G. Đồ án cũng nghiên cứu các công nghệ 5G tiên tiến như MIMO, OFDM, và SDN, nhằm đảm bảo hiệu suất tối ưu của mạng.

2.1. Các tiêu chuẩn kỹ thuật 5G

Các tiêu chuẩn 5G được nghiên cứu bao gồm các yêu cầu về băng thông rộng, độ trễ thấp, và khả năng kết nối lớn. Đồ án cũng phân tích các tiêu chuẩn quốc tế như 3GPP và ITU, nhằm đảm bảo tính tương thích và hiệu quả của mạng 5G trên toàn cầu.

2.2. Công nghệ nền tảng 5G

Các công nghệ 5G như MIMO, OFDM, và SDN được nghiên cứu kỹ lưỡng trong đồ án. Những công nghệ này giúp tăng cường hiệu suất và khả năng mở rộng của mạng 5G, đồng thời giảm thiểu các vấn đề về nhiễu tín hiệu và tiêu thụ năng lượng.

III. Thách thức và giải pháp phát triển 5G

Đồ án đã chỉ ra nhiều thách thức phát triển 5G, bao gồm vấn đề về tối ưu hóa mạng, hiệu suất năng lượng, và bảo mật thông tin. Để giải quyết các thách thức này, đồ án đề xuất các giải pháp phát triển 5G như sử dụng công nghệ đám mây, trí tuệ nhân tạo, và mạng tự tổ chức.

3.1. Thách thức trong phát triển 5G

Các thách thức phát triển 5G bao gồm vấn đề về tối ưu hóa mạng, hiệu suất năng lượng, và bảo mật thông tin. Đồ án phân tích các thách thức này thông qua các nghiên cứu thực tiễn và đưa ra các giải pháp cụ thể để khắc phục.

3.2. Giải pháp phát triển 5G

Các giải pháp phát triển 5G được đề xuất bao gồm sử dụng công nghệ đám mây, trí tuệ nhân tạo, và mạng tự tổ chức. Những giải pháp này giúp tăng cường hiệu suất và khả năng mở rộng của mạng 5G, đồng thời giảm thiểu các vấn đề về nhiễu tín hiệu và tiêu thụ năng lượng.

IV. Ứng dụng và tương lai của 5G

Đồ án cũng nghiên cứu các ứng dụng 5G trong thực tế, bao gồm truyền thông không dây, IoT, và thực tế ảo. Ngoài ra, đồ án dự đoán tương lai của 5G với sự phát triển của các công nghệ mới như AI và blockchain.

4.1. Ứng dụng thực tiễn của 5G

Các ứng dụng 5G được nghiên cứu bao gồm truyền thông không dây, IoT, và thực tế ảo. Những ứng dụng này giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và tăng cường hiệu quả trong các lĩnh vực như y tế, giáo dục, và công nghiệp.

4.2. Tương lai của công nghệ 5G

Đồ án dự đoán tương lai của 5G với sự phát triển của các công nghệ mới như AI và blockchain. Những công nghệ này sẽ giúp mạng 5G trở nên thông minh hơn và có khả năng ứng dụng rộng rãi hơn trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình phát triển của mạng viễn thông toàn cầu, sự bùng nổ nhu cầu truyền tải dữ liệu đa phương tiện, cùng với sự gia tăng số lượng thiết bị thông minh (smartphone, máy tính bảng), đã đặt ra thách thức lớn đối với hạ tầng mạng di động. Tình trạng quá tải lưu lượng thông tin được dự báo sẽ diễn ra liên tục khi mạng 4G đạt tới giới hạn năng lực phục vụ. Để chuẩn bị cho lộ trình chuyển dịch công nghệ sang thế hệ thứ 5 (5G), việc nghiên cứu toàn diện từ các thế hệ mạng tiền nhiệm đến các tiêu chuẩn kỹ thuật mới là yêu cầu cấp thiết.

Đồ án tốt nghiệp đại học hệ chính quy ngành Điện tử Truyền thông tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng (thực hiện năm 2019) tập trung giải quyết các nhiệm vụ nghiên cứu sau:

1. Nghiên cứu lịch sử hình thành, kiến trúc mạng và các phương thức đa truy nhập cơ bản của các thế hệ thông tin di động từ 1G đến 3G.
2. Khảo sát cấu trúc mạng, các yêu cầu kỹ thuật và các giải pháp vô tuyến nâng cao trong hệ thống 4G (chuẩn LTE và phiên bản cải tiến LTE-Advanced).
3. Đánh giá các số liệu thực tế về lưu lượng, sự gia tăng thiết bị người dùng và phân tích những thách thức công nghệ đặt ra đối với kiến trúc hệ thống mạng di động 5G.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các tiêu chuẩn kỹ thuật viễn thông, kiến trúc mạng lõi và mạng truy nhập vô tuyến, các phương thức đa truy nhập (FDMA, TDMA, CDMA, OFDMA), kỹ thuật đa anten MIMO, kỹ thuật kết hợp sóng mang (Carrier Aggregation) và kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống thông tin di động từ 1G đến 5G.
• Phạm vi không gian: Đề tài nghiên cứu lý thuyết tổng quan công nghệ viễn thông theo các chuẩn quốc tế; thực hiện tại Khoa Điện tử Truyền thông, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng.
• Phạm vi thời gian: Đề tài được giao ngày 15/10/2018 và hoàn thành ngày 07/01/2019. Số liệu thống kê thị trường viễn thông được cập nhật giai đoạn 2010–2018 và dự báo đến năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu kỹ thuật

Đồ án sử dụng các khung lý thuyết, công thức tính toán và mô hình chuẩn hóa trong lĩnh vực thông tin vô tuyến:

• Định luật dung lượng kênh truyền Shannon: Được sử dụng làm cơ sở toán học để tính toán dung lượng kênh truyền tối đa lý thuyết: $$\mathcal{C} = B \cdot \log_2\left(1 + \frac{S}{N}\right)$$ Trong đó $\mathcal{C}$ là dung lượng kênh (bit/s), $B$ là băng thông hệ thống (Hz), và $S/N$ là tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm (theo chuẩn ITU, tỉ số $S/N$ đạt mức khoảng 12 dB).
• Mô hình kiến trúc mạng di động tế bào (Cellular Network): Nguyên lý chia vùng phủ sóng thành các cell độc lập, cơ chế tái sử dụng tần số để tăng dung lượng phổ và giảm nhiễu liên cell.
• Các tiêu chuẩn vô tuyến quốc tế: Các bộ tiêu chuẩn do Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU), Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3 (3GPP - các phiên bản Release 8, 9, 10, 11), Tổ chức 3GPP2 và Viện Kỹ nghệ Điện và Điện tử (IEEE - chuẩn 802.16m) ban hành.
• Mô hình xử lý tín hiệu lớp vật lý: Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), điều chế và mã hóa thích ứng (AMC), ghép kênh không gian V-BLAST, hệ thống đa anten đơn người dùng (SU-MIMO) và đa người dùng (MU-MIMO).

Phương pháp nghiên cứu: Tác giả sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu học thuật, đối sánh tham số kỹ thuật định lượng giữa các thế hệ mạng (băng thông, tốc độ đỉnh, độ trễ, cấu hình anten) và phân tích kiến trúc mạng phân lớp.

Nguồn dữ liệu: Văn bản kế thừa và tổng hợp số liệu từ các tài liệu kỹ thuật chuẩn của 3GPP, ITU, GSMA Intelligence, cổng thống kê Statista.com và dữ liệu từ Cục Viễn thông Việt Nam.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Chương 1 hệ thống hóa lịch sử phát triển của mạng di động từ những năm 1895 (thí nghiệm truyền tin của Marconi), sự phát triển mạng vô tuyến cảnh sát Bayone (Mỹ, 1928), ý tưởng mạng tế bào của Bell Labs (1947) đến mạng di động tế bào thương mại đầu tiên (1979) nhờ sự hỗ trợ của kỹ thuật vi mạch tích hợp mật độ cao (VLSI với $10^6$ transistor).

Tác giả phân loại hệ thống theo:

• Đặc tính tín hiệu: Hệ thống tương tự (Analog - 1G) và hệ thống số (Digital - 2G trở lên).
• Cấu trúc hệ thống: Mạng vô tuyến tế bào (Cellular), mạng vô tuyến viễn thông không dây phạm vi hẹp (CT - Cordless Telecom) và vành vô tuyến địa phương (WLL - Wireless Local Loop).
• Phương thức đa truy nhập: FDMA (phân chia theo tần số), TDMA (phân chia theo thời gian), CDMA (phân chia theo mã trải phổ).
• Phương thức song công: FDD (song công phân chia theo tần số) và TDD (song công phân chia theo thời gian).

Khảo sát cấu trúc mạng GSM chi tiết gồm các khối: Trạm di động (MS = TE + MT), Trạm thu phát gốc (BTS), Đài điều khiển trạm gốc (BSC), Trung tâm chuyển mạch di động (MSC), Trung tâm nhận thực (AUC), Bộ ghi định vị thường trú (HLR), Bộ ghi định vị tạm trú (VLR), Bộ ghi nhận thiết bị (EIR), Tổng đài cổng (GMSC), Trung tâm quản lý mạng (NMC), Trung tâm khai thác và bảo trì (OMC).

Tham số công nghệ	Thế hệ 1G	Thế hệ 2G	Thế hệ 3G
Năm thiết kế / thực hiện	1970 / 1984	1980 / 1991	1990 / 2002
Dịch vụ chính	Thoại tương tự	Thoại, SMS, dữ liệu hình ảnh đen trắng	Thoại, đa phương tiện (email, chat, video clips, TV online)
Tín hiệu & Chuyển mạch	Tương tự; Chuyển mạch kênh (vật lý)	Kỹ thuật số; Chuyển mạch kênh (vật lý)	Tín hiệu số; Chuyển mạch kênh + Chuyển mạch gói
Tốc độ truyền dẫn	1,4 Kbps	2 Mbps (tối đa theo phát triển)	144 Kbps – 2 Mbps (HSDPA đạt 14,4 Mbps lý thuyết)
Băng thông kênh	10 – 30 KHz	200 KHz	5 MHz
Tiêu chuẩn tiêu biểu	AMPS, TACS, NMT	GSM, IS-95 (CdmaOne), IS-136 (D-AMPS), PDC	UMTS (WCDMA), CDMA2000 (1xRTT, EV-DO, EV-DV), HSDPA, HSUPA
Đa truy nhập	FDMA	TDMA, CDMA	CDMA
Mạng lõi (Core)	PSTN	PSTN	Packet network

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 4G

Chương 2 phân tích chuyên sâu về hệ thống 4G – công nghệ đưa vào khai thác thương mại từ năm 2012 với mục tiêu đạt tốc độ 100 Mbps cho người dùng di động và 1 Gbps cho người dùng cố định.

1. Yêu cầu kiến trúc mạng 4G: Cấu trúc mạng phải có tính tích hợp cao (hội tụ các mạng ISDN, PSTN, Internet, WLAN, WiMAX trên nền giao thức IP), tính mở, đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các luồng dữ liệu thời gian thực, đảm bảo an toàn bảo mật và hỗ trợ tính di động ở vận tốc cao.
2. Các kỹ thuật lớp vật lý cốt lõi:
   • Anten thông minh: Tăng độ lợi tín hiệu, phân tập không gian, nâng cao hiệu quả công suất và loại bỏ can nhiễu đồng kênh.
   • Điều chế và mã hóa thích ứng (AMC): Điều chỉnh tỷ lệ mã hóa và bậc điều chế theo trạng thái kênh thay vì điều chỉnh công suất truyền.
   • OFDM và OFDMA: Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao với khoảng cách sóng mang $\Delta f = 1/T$, triệt tiêu hoàn toàn xuyên nhiễu ký hiệu (ISI) khi chuỗi bảo vệ lớn hơn độ trễ truyền dẫn đa đường, tiết kiệm băng thông thông qua chồng lấn phổ. Trong công nghệ LTE, OFDM được áp dụng cho đường xuống (Downlink), còn OFDMA được triển khai cho đường lên (Uplink).
3. Mô hình kiến trúc phân lớp 4G:
   • Lớp truy nhập vô tuyến (RAN): Bao gồm Điểm truy nhập vô tuyến (RAP) xử lý lớp vật lý và Thiết bị đầu cuối (UE) đa chế độ.
   • Lớp mạng lõi (Core Network): Hoạt động hoàn toàn trên nền IPv6, sử dụng các cổng đa phương tiện MGW (Multimedia Gateway) để định tuyến và chuyển đổi gói dữ liệu.
   • Lớp chức năng: Đảm nhiệm chức năng Báo hiệu tập trung, Bảo mật thông tin, Tính cước (Billing), Quản lý di động (Mobility) và Điều khiển phiên IP Đa phương tiện (IP Multimedia).
   • Lớp dịch vụ: Cung cấp các dịch vụ đa phương tiện chất lượng cao, định vị và điều khiển từ xa.
4. Hệ thống tiền 4G (Pre-4G / 3.9G):
   • So sánh giữa chuẩn WiMAX2 (IEEE 802.16m) và LTE (3GPP).
   • Cấu trúc mạng LTE rút gọn thành hệ thống chuyển mạch gói EPS (gồm mạng lõi EPC và mạng truy nhập E-UTRAN). Loại bỏ bộ điều khiển RNC, chuyển chức năng về các trạm evolved Node-B (eNB). Mạng lõi EPC bao gồm các nút chính: MME (quản lý di động, báo hiệu), S-GW (chuyển tiếp dữ liệu), P-GW (giao tiếp mạng dữ liệu gói ngoài PDN) và HSS (cơ sở dữ liệu thuê bao).
   • Hai kiến trúc Roaming: P-GW đặt tại mạng chủ (dễ quản lý cước, trễ cao) và P-GW đặt tại mạng khách (giảm độ trễ, khó quản lý cước).
5. Công nghệ LTE-Advanced (Release 10, 11) và các cải tiến vượt bậc:

Thông số kỹ thuật	LTE (Release 8/9)	LTE-Advanced (Release 10/11)
Tốc độ đỉnh đường xuống (Downlink)	326 Mbps	1 Gbps (1000 Mbps)
Tốc độ đỉnh đường lên (Uplink)	86 Mbps	500 Mbps
Băng thông tối đa	$\le 20\text{ MHz}$	$\le 100\text{ MHz}$ (kết hợp tối đa 5 sóng mang)
Hiệu quả phổ đỉnh (Downlink / Uplink)	16,32 b/s/Hz / 4,32 b/s/Hz	30 b/s/Hz / 15 b/s/Hz
Độ trễ truyền dẫn	$\sim 10\text{ ms}$	$\sim 5\text{ ms}$ ($< 50\text{ ms}$ từ rỗi sang kết nối)
Cấu hình đa anten MIMO (Downlink)	$4 \times 4\text{ MIMO}$	$8 \times 8\text{ MIMO}$
Cấu hình đa anten MIMO (Uplink)	$2 \times 4\text{ MIMO}$	$4 \times 4\text{ MIMO}$

6. Các kỹ thuật nâng cao trên LTE-Advanced:
   • Kết hợp sóng mang (Carrier Aggregation): Ghép tối đa 5 sóng mang thành phần (băng thông mỗi thành phần: 1,4; 3; 5; 10; 15 hoặc 20 MHz) để mở rộng độ rộng băng lên 100 MHz (Downlink) và 40 MHz (Uplink). Hỗ trợ 3 cấu hình: Intra-band contiguous (liên tục trong cùng băng), Intra-band non-contiguous (không liên tục trong cùng băng) và Inter-band non-contiguous (khác băng tần).
   • Đa anten MIMO cải tiến: Ghép kênh không gian V-BLAST (tăng tốc độ dữ liệu lên $n_T$ lần), cấu hình SU-MIMO và MU-MIMO (gồm kênh MIMO Broadcast cho đường xuống và MIMO Multiple Access cho đường lên). Ở Release 8, tín hiệu tham chiếu CRS được thêm sau bộ precoding; trong khi ở Release 10, tín hiệu DM RSS được thêm vào trước bộ precoding giúp máy thu giải điều chế độc lập.
   • Truyền dẫn đa điểm phối hợp (CoMP) & Nút chuyển tiếp (Relay Nodes): Mở rộng vùng phủ và cải thiện chất lượng tín hiệu rìa cell thông qua hai chiến lược chuyển tiếp (1 chiều, 2 chiều) và hai cơ chế chuyển tiếp: Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward - AF), Giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward - DF), vận hành theo cơ chế bắt cặp tập trung hoặc phân phối.

CHƯƠNG 3: KIẾN TRÚC CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G

Phần mở đầu Chương 3 trình bày cơ sở dữ liệu thực tiễn và những áp lực thúc đẩy nghiên cứu hệ thống 5G:

• Phân tích hiện tượng quá tải dữ liệu dự báo xuất hiện mạnh mẽ từ năm 2020 do sự phát triển nhanh chóng về số lượng người dùng thiết bị thông minh.
• Khảo sát các thống kê từ nguồn Statista.com và Cục Viễn thông Việt Nam về:
  • Tốc độ gia tăng số lượng người dùng smartphone trên phạm vi toàn cầu trong giai đoạn 2014–2020.
  • Số lượng các lô hàng smartphone xuất xưởng trên thế giới giai đoạn 2010–2021 (tính bằng triệu đơn vị).
• Đặt tiền đề cho việc xác định các yêu cầu tối thiểu về chỉ tiêu kỹ thuật (băng thông, độ trễ, số lượng kết nối máy móc mMTC, độ tin cậy siêu cao URLLC) để thiết kế kiến trúc mạng 5G.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Kết quả chính rút ra từ tài liệu

• Đồ án đã tái hiện và chuẩn hóa toàn bộ quá trình tiến hóa của các hệ thống thông tin di động qua các thế hệ với các chỉ số kỹ thuật cụ thể: từ 1G (băng thông 10–30 KHz, truyền thoại tương tự), 2G (băng thông 200 KHz, 2 Mbps), 3G (băng thông 5 MHz, tốc độ thực tế UMTS 384 Kbps, HSDPA 1,8 Mbps, HSUPA 5,8 Mbps), 4G LTE (băng thông 20 MHz, đường xuống 326 Mbps) đến 4G LTE-Advanced (băng thông 100 MHz, đường xuống 1 Gbps, đường lên 500 Mbps, độ trễ 5 ms).
• Mô hình hóa chi tiết cấu trúc phân lớp chức năng của mạng 4G toàn IP và kiến trúc mạng EPC tinh gọn kết nối thông qua các giao diện chuẩn: $U_u$ (giữa UE và eNB), $S_1$ (giữa eNB và EPC), $X_2$ (giữa các eNB với nhau) và $S_{gi}$ (giữa P-GW với mạng dữ liệu gói ngoài).
• Làm rõ cơ chế hoạt động của các giải pháp vật lý tiên tiến trên LTE-Advanced: cấu hình ghép kênh không gian MIMO $8 \times 8$, 3 hình thức kết hợp sóng mang (Carrier Aggregation), cùng các cơ chế chuyển tiếp AF và DF giúp tối ưu tỷ số tín hiệu trên nhiễu ($S/N$) tại khu vực biên tế bào.

Đóng góp kỹ thuật tự nêu của tác giả

Tác giả đã tổng hợp, phân loại và hệ thống hóa một khối lượng lớn các tiêu chuẩn và công nghệ viễn thông từ các nguồn tài liệu quốc tế; phân tích logic từ nguyên lý truyền sóng vô tuyến cơ bản đến các giải pháp nâng cao hiệu suất phổ tần và dung lượng mạng, tạo lập cơ sở lý thuyết có hệ thống để tiếp cận nghiên cứu kiến trúc mạng thế hệ mới 5G.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế được ghi nhận

• Đồ án có tính bao quát rộng về mặt lý thuyết tổng quan công nghệ nhưng chưa đi sâu vào triển khai mô phỏng định lượng hoặc đo kiểm thực nghiệm các thuật toán xử lý tín hiệu.
• Như tác giả đã tự nhìn nhận trong lời cảm ơn, do nội dung đề tài chứa đựng nhiều kiến thức công nghệ mới và tài liệu tham khảo chủ yếu bằng tiếng Anh, một số thuật ngữ chuyên ngành và câu văn chuyển ngữ còn thiếu tính sáng rõ.

Hướng phát triển tiếp theo

• Hoàn thiện việc phân tích chuyên sâu các nhóm công nghệ cốt lõi của mạng 5G theo chuẩn hóa 3GPP (như Massive MIMO, mạng điều khiển bằng phần mềm SDN, ảo hóa chức năng mạng NFV, truyền thông sóng milimet mmWave và các lát cắt mạng Network Slicing).
• Thực hiện các mô phỏng kiểm chứng chất lượng truyền dẫn và hiệu quả sử dụng phổ tần đối với các kịch bản dịch vụ eMBB, mMTC và URLLC.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo phù hợp cho:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành Điện tử Truyền thông, Kỹ thuật Viễn thông, Mạng máy tính: Cung cấp tài liệu tổng quan toàn diện, có hệ thống về cấu trúc mạng, các giao diện vô tuyến, và nguyên lý phân bổ phổ tần từ 1G đến LTE-Advanced.
• Cán bộ kỹ thuật và người nghiên cứu đề tài mạng vô tuyến: Đáng tham khảo nhất ở Chương 2 với phần trình bày chi tiết về kiến trúc trạm eNodeB, mạng lõi EPC, nguyên lý kết hợp sóng mang Carrier Aggregation, và phân tích toán học - kỹ thuật của ghép kênh OFDM/OFDMA cùng các cấu hình anten MIMO.

Câu hỏi thường gặp

1. Dung lượng kênh truyền trong đồ án được xác định theo mô hình toán học nào?

Dung lượng kênh truyền được tính toán theo công thức Shannon: $\mathcal{C} = B \cdot \log_2(1 + S/N)$. Trong đó $\mathcal{C}$ là dung lượng (bit/s), $B$ là băng thông (Hz), và $S/N$ là tỉ số công suất tín hiệu trên công suất tạp âm (chuẩn ITU quy định khoảng 12 dB).

2. Sự khác biệt căn bản giữa kỹ thuật OFDM và OFDMA được văn bản phân tích ra sao?

OFDM chia kênh truyền thành các sóng mang con trực giao ($\Delta f = 1/T$), trong đó toàn bộ không gian sóng mang con được phân bổ cho một người dùng tại một thời điểm. Ngược lại, OFDMA chia các sóng mang con thành các nhóm (băng con) để phục vụ đồng thời cho nhiều thuê bao khác nhau; khi thuê bao không dùng hết tài nguyên, công suất phát trạm gốc sẽ tập trung vào các sóng mang con đang hoạt động. Trong chuẩn LTE, OFDM dùng cho đường xuống và OFDMA dùng cho đường lên.

3. Công nghệ LTE-Advanced phân loại kỹ thuật kết hợp sóng mang (Carrier Aggregation) thành các dạng nào?

Kỹ thuật này được phân thành 3 dạng:

• Intra-band, contiguous: Kết hợp các sóng mang thành phần liên tục trong cùng một băng tần (dễ triển khai nhất, thiết bị chỉ cần 1 bộ thu phát).
• Intra-band, non-contiguous: Kết hợp các sóng mang thành phần không liên tục trong cùng một băng tần (phức tạp hơn, cần 2 bộ thu phát).
• Inter-band, non-contiguous: Kết hợp các sóng mang thành phần thuộc các dải băng tần khác nhau (phức tạp nhất, thiết bị đầu cuối phải hỗ trợ nhiều bộ thu phát).

4. Điểm khác biệt về cơ chế tín hiệu tham chiếu giữa LTE (Release 8) và LTE-Advanced (Release 10) là gì?

Ở LTE Release 8, tín hiệu tham chiếu riêng cho từng cell (CRS) được chèn vào sau bộ precoding; phía thu (UE) phải ước tính kênh và giải điều chế dựa trên bảng mã code của precoding. Ở LTE-Advanced Release 10, tín hiệu tham chiếu giải điều chế (DM RSS) được đưa vào trước bộ precoding; phía thu có thể trực tiếp giải điều chế tín hiệu mà không phụ thuộc vào bảng mã precoding.

5. Hai cơ chế chuyển tiếp (Relay) cơ bản trong mạng LTE-Advanced hoạt động như thế nào?

• Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward - AF): Nút chuyển tiếp nhận tín hiệu từ trạm gốc hoặc thiết bị, thực hiện khuếch đại thuần túy tín hiệu analog rồi phát tiếp sang đầu nhận.
• Giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward - DF): Nút chuyển tiếp giải mã tín hiệu thu được; nếu dữ liệu giải mã chính xác, nút sẽ thực hiện mã hóa kênh lại và phát một tín hiệu mới hoàn chỉnh tới đầu nhận.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Hồ Hải Hoàng là công trình tổng hợp lý thuyết toàn diện về lộ trình tiến hóa kỹ thuật của các thế hệ thông tin di động từ 1G đến 4G và định hướng 5G. Điểm trọng tâm của tài liệu nằm ở việc phân tích chi tiết các kỹ thuật vô tuyến then chốt trên chuẩn LTE-Advanced như ghép kênh OFDM/OFDMA, phân bổ sóng mang Carrier Aggregation, truyền dẫn đa anten MIMO $8 \times 8$ và mạng chuyển mạch gói EPC. Đồ án cung cấp hệ thống dữ liệu, tham số chuẩn hóa và kiến trúc mạng có giá trị tham khảo học thuật tốt cho sinh viên và kỹ sư ngành Điện tử Truyền thông.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1. Giới thiệu chung 1. Lịch sử ra đời và phát triển Ở cuối thế kỷ thứ 19 Marconi đã chỉ ra rằng thông tin vô tuyến có thể liên lạc trên cự ly xa, máy phát và máy thu có khả năng liên lạc di động với nhau. Nhưng thời đó người ta liên lạc chủ yếu bằng điện báo Morse.

Trong những năm 1895, hệ thống thông tin liên lạc không dây là một trong những hệ thống phát triển nhanh nhất của các thông tin liên lạc thời xưa. Nó sử dụng các dịch vụ băng thông rộng của di động. Các khái niệm về hệ thống di động được phát triển bởi các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm AT & T Bell để giải quyết các vấn đề công suất các hệ thống thông tin di động đầu. Trái ngược với các thông tin di động: Đầu tiên hệ thống, mà chỉ có một trạm trung tâm (BS) bao phủ toàn bộ vùng phủ sóng khu vực, hệ thống tế bào phân chia vùng phủ sóng vào các tế bào không chồng chéo nhau và hoạt động với BS riêng của mình.

Bằng cách khai thác một thực tế rằng sức mạnh của một tín hiệu truyền với khoảng cách, cùng một tần số tương tự có thể được tái sử dụng trong tiểu tế bào mà không cần giới thiệu nhiễu liên cell nặng như một hệ quả, khả năng làm tăng đáng kể việc sử dụng gói của phổ tần số. Đến năm 1928 sở cảnh sát Bayone – Mỹ đã bắt đầu triển khai mạng vô tuyến truyền thanh đầu tiên. Do là mạng vô tuyến truyền thanh đầu tiên nên các máy di động tốn nguồn và khá cồng kềnh được đặt trên ô tô để liên lạc về 1 trạm gốc BS ở trung tâm. Chất lượng liên lạc lại cực kỳ kém do đặc điểm địa hình truyền sóng di động rất phức tạp mà các máy chỉ gồm 10 đèn điện tử thực hiện các chức năng tối thiểu.

Hệ thống điện thoại cố định phát triển nhanh và hình thành mạng PSTN (Public Switching Telephone Network) song suốt thời gian dài vô tuyến di động không phát triển do hạn chế về công nghệ. Mạng PSTN bao gồm đường dây điện thoại, cáp quang, truyền dẫn vi ba liên kết, các mạng di động, vệ tinh thông tin liên lạc, và dây cáp điện thoại dưới đáy biển, tất cả các kết nối với nhau bởi các trung tâm chuyển mạch, do đó cho phép hầu hết các máy điện thoại để liên lạc với nhau. Ban đầu là một mạng lưới các đường dây cố định tương tự hệ thống thoại. Mạng PSTN hiện nay gần như hoàn toàn kỹ thuật số trong của mạng lõi và bao gồm điện thoại di động và các mạng khác, cũng như điện thoại cố định.

Trong năm 1947 Bell Labs đã cho ra ý tưởng về mạng điện thoại di động tế bào: Các máy đi động được tự do và chuyển vùng từ vùng tế bào này sang vùng tế bào khác. Các tế bào được thiết kế nhằm phủ kín vùng phủ sóng (là vùng địa lý được cung cấp dịch vụ di động), kết nối thành mạng thông qua chuyển mạch tổng đài đi động và được bố trí tại trung tâm vùng. Những người sử dụng di động có thể di chuyển được trong vùng phủ sóng của các trạm gốc (Base station). Nhưng ý tưởng của Bell Labs đã không được sử dụng do hạn chế về mặt công nghệ.

Năm 1979 thì mạng di động tế bào đầu tiên đã được đưa vào sử dụng ở Mỹ và phát triển rất nhanh do doanh thu thu lớnvà tính thuận tiện trong việc sử dụng. Mạng đi động tế bào được ra đời nhờ các tiến bộ kỹ thuật về: - Có các hệ thống chuyển mạch tự động với tốc độ chuyển mạch lớn, dung lương cao.