Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin di động, mạng 4G-LTE đã được triển khai rộng rãi trên toàn cầu và tại Việt Nam, cung cấp dịch vụ đa phương tiện với tốc độ cao gấp hàng chục lần so với các thế hệ trước. Tuy nhiên, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đặt ra yêu cầu khắt khe hơn cho các mạng di động thế hệ tiếp theo như 5G và 6G, với các tiêu chí về tốc độ truyền tải dữ liệu lên đến hàng Gbps, độ trễ gần như bằng không và thông lượng cực lớn để phục vụ các ứng dụng thời gian thực trong y tế, giao thông, cảm biến và truyền thông.

Trong đó, kỹ thuật MASSIVE MIMO (Multiple-Input Multiple-Output quy mô lớn) được xem là một trong những công nghệ chủ chốt của mạng 5G, giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ và cải thiện vùng phủ sóng. Kỹ thuật định hướng đa búp sóng (multi-beamforming) trong hệ thống MASSIVE MIMO là trọng tâm nghiên cứu nhằm tối ưu hóa việc tập trung năng lượng sóng điện từ về phía người dùng, nâng cao chất lượng tín hiệu và hiệu suất mạng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích và đánh giá kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO theo chuẩn 5G New Radio của 3GPP, tập trung vào ảnh hưởng của kỹ thuật này đến chất lượng tín hiệu thu, hiệu quả sử dụng phổ và vùng phủ mạng 5G thông qua mô phỏng thực nghiệm. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các kỹ thuật tạo búp sóng cổ điển cho mảng ăng ten, với dữ liệu thu thập từ các mạng 5G hiện hành và mô phỏng trên phần mềm MATLAB. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp nâng cao hiệu suất mạng 5G, góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ viễn thông tiên tiến tại Việt Nam và trên thế giới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: kỹ thuật MASSIVE MIMO và kỹ thuật định hướng đa búp sóng.

  • MASSIVE MIMO là hệ thống sử dụng hàng trăm đến hàng ngàn ăng ten tại trạm phát sóng để tạo ra các kênh truyền song song, tăng dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ. Dung lượng kênh được xác định bởi công thức:

$$ C \approx \min(N_t, N_r) \log_2(1 + \gamma) $$

trong đó $N_t$ và $N_r$ lần lượt là số lượng ăng ten phát và thu, $\gamma$ là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR).

  • Kỹ thuật định hướng đa búp sóng sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu để tạo ra nhiều chùm tia hẹp, tập trung năng lượng sóng về phía người dùng, giảm thiểu nhiễu và tăng cường vùng phủ sóng. Các thuật toán được phân loại thành thích ứng mù và không mù, với các phương pháp như MUSIC, ESPRIT, và các thuật toán tối ưu như LMS, RLS, MVDR.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

  1. Định dạng chùm băng hẹp và băng rộng: Bộ định dạng chùm băng hẹp tập trung năng lượng tại một tần số duy nhất, trong khi băng rộng xử lý tín hiệu có băng thông lớn hơn, phù hợp với các ứng dụng băng rộng.
  2. Bộ lọc không gian (Spatial filter): Thiết kế bộ lọc FIR để điều khiển hướng chùm tia, giảm mức thùy bên (SLL) và mở rộng băng thông hoạt động.
  3. Quản lý chùm tia trong MASSIVE MIMO: Bao gồm các kỹ thuật tiền mã hóa, tách sóng và điều khiển công suất để tối ưu hóa hiệu suất mạng.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa thu thập tài liệu và thực nghiệm mô phỏng.

  • Nguồn dữ liệu: Tổng hợp các tài liệu khoa học, báo cáo kỹ thuật về mạng 5G, MASSIVE MIMO và kỹ thuật định hướng đa búp sóng; dữ liệu phổ tần và kiến trúc mạng 5G tại Việt Nam và quốc tế.
  • Phương pháp phân tích: Phân tích lý thuyết các mô hình định hướng đa búp sóng, thiết kế bộ lọc không gian và thuật toán tạo chùm tia.
  • Mô phỏng: Sử dụng phần mềm MATLAB để mô phỏng hiệu suất của các bộ định dạng chùm băng hẹp và băng rộng, đánh giá mức thùy bên, độ rộng chùm tia và hiệu quả sử dụng phổ trong hệ thống MASSIVE MIMO.
  • Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng với mảng ăng ten từ 17 đến 31 phần tử, tần số tín hiệu từ 1 GHz đến 3 GHz, thực hiện trong khoảng thời gian nghiên cứu từ 2020 đến 2021.

Phương pháp này cho phép đánh giá chính xác ảnh hưởng của kỹ thuật định hướng đa búp sóng đến các chỉ số hiệu suất mạng 5G, đồng thời so sánh với các kỹ thuật truyền thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất bộ định dạng chùm băng hẹp: Mô phỏng cho thấy bộ định dạng chùm băng hẹp với 21 phần tử ăng ten đạt mức thùy bên (SLL) -30 dB và chiều rộng chùm tia chính (HPBW) khoảng 6.25 độ, giảm mức thùy bên so với các bộ lọc Taylor, DPSS và Kaiser cùng số phần tử.
  2. Hiệu suất bộ định dạng chùm băng rộng: Bộ lọc FIR với chiều dài 16 cho mỗi phần tử ăng ten cho phép duy trì độ lợi không đổi trên băng tần rộng từ 1 GHz đến 3 GHz, với khả năng điều khiển chùm tia từ -45 đến 45 độ, đáp ứng tốt yêu cầu băng rộng trong mạng 5G.
  3. Tăng cường hiệu quả sử dụng phổ trong MASSIVE MIMO: Kỹ thuật định hướng đa búp sóng giúp tập trung năng lượng sóng về phía người dùng, nâng cao tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR) và hiệu quả sử dụng phổ tối thiểu, cải thiện vùng phủ sóng và chất lượng dịch vụ.
  4. So sánh với các kỹ thuật truyền thống: Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong MASSIVE MIMO vượt trội hơn về khả năng giảm nhiễu và tăng cường vùng phủ so với các hệ thống MIMO truyền thống, đặc biệt trong các dải tần số cao như mmWave.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả trên là do kỹ thuật định hướng đa búp sóng tận dụng được khả năng xử lý tín hiệu không gian để tạo ra các chùm tia hẹp, tập trung năng lượng và giảm thiểu nhiễu từ các hướng không mong muốn. Việc sử dụng bộ lọc không gian FIR với thiết kế cân bằng độ dốc giúp giảm hiện tượng Gibb’s và cải thiện mức thùy bên, từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu.

So sánh với các nghiên cứu khác, kết quả mô phỏng phù hợp với các báo cáo quốc tế về hiệu quả của kỹ thuật beamforming trong MASSIVE MIMO, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc áp dụng kỹ thuật này trong mạng 5G tại Việt Nam. Các biểu đồ mô phỏng thể hiện rõ sự khác biệt về mức thùy bên và độ rộng chùm tia giữa các bộ lọc, cũng như sự cải thiện SINR khi áp dụng điều khiển công suất Max-Min trong quản lý chùm tia.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc triển khai các giải pháp beamforming trong mạng 5G, góp phần nâng cao hiệu suất mạng và trải nghiệm người dùng, đồng thời giảm thiểu chi phí năng lượng và tăng cường bảo mật hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong các trạm gốc 5G: Các nhà mạng cần áp dụng kỹ thuật beamforming với bộ lọc không gian FIR được thiết kế tối ưu để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ và vùng phủ sóng, ưu tiên triển khai tại các khu vực đô thị có mật độ người dùng cao. Thời gian thực hiện: 1-2 năm.
  2. Phát triển thuật toán quản lý chùm tia thích ứng: Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán thích ứng mù và không mù để tối ưu hóa việc tạo và điều chỉnh chùm tia trong môi trường mạng động, nhằm giảm thiểu nhiễu và tăng cường chất lượng dịch vụ. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ. Thời gian: 2 năm.
  3. Tăng cường đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ kỹ sư viễn thông: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật MASSIVE MIMO và beamforming, giúp nhân lực đáp ứng yêu cầu triển khai và vận hành mạng 5G hiệu quả. Thời gian: liên tục.
  4. Đầu tư phát triển phần cứng và hạ tầng hỗ trợ: Cải tiến thiết bị ăng ten và bộ xử lý tín hiệu để giảm thiểu tạp âm và tăng khả năng xử lý thời gian thực, đồng thời xây dựng hạ tầng mạng lõi Nano phù hợp với yêu cầu của mạng 5G SA. Chủ thể: nhà sản xuất thiết bị và nhà mạng. Thời gian: 3 năm.

Các giải pháp này nhằm mục tiêu nâng cao chỉ số SINR, giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) và tăng hiệu quả sử dụng phổ tần, góp phần thúc đẩy phát triển mạng 5G bền vững và hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về kỹ thuật định hướng đa búp sóng và MASSIVE MIMO, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển công nghệ mạng 5G.
  2. Doanh nghiệp viễn thông và nhà mạng: Tham khảo để áp dụng các giải pháp kỹ thuật nâng cao hiệu suất mạng, tối ưu hóa vùng phủ và chất lượng dịch vụ trong triển khai mạng 5G.
  3. Các nhà hoạch định chính sách và cơ quan quản lý viễn thông: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách cấp phép phổ tần và quy hoạch hạ tầng mạng phù hợp với xu hướng công nghệ mới.
  4. Nhà sản xuất thiết bị viễn thông: Hướng dẫn thiết kế và phát triển phần cứng, thuật toán xử lý tín hiệu phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của mạng 5G và MASSIVE MIMO.

Mỗi nhóm đối tượng có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao năng lực chuyên môn, cải thiện hiệu quả hoạt động và thúc đẩy đổi mới sáng tạo trong lĩnh vực viễn thông.

Câu hỏi thường gặp

  1. Kỹ thuật định hướng đa búp sóng là gì và tại sao quan trọng trong mạng 5G?
    Kỹ thuật này tạo ra nhiều chùm tia hẹp tập trung năng lượng sóng về phía người dùng, giúp tăng cường chất lượng tín hiệu và hiệu quả sử dụng phổ. Đây là yếu tố then chốt để đáp ứng yêu cầu tốc độ cao và độ trễ thấp của mạng 5G.

  2. MASSIVE MIMO khác gì so với MIMO truyền thống?
    MASSIVE MIMO sử dụng số lượng lớn ăng ten (hàng trăm đến hàng ngàn) tại trạm phát sóng, tạo ra nhiều kênh truyền song song hơn, tăng dung lượng và giảm nhiễu so với MIMO truyền thống chỉ dùng vài ăng ten.

  3. Băng tần mmWave có vai trò gì trong mạng 5G?
    Băng tần mmWave cung cấp băng thông rộng và tốc độ truyền dữ liệu cực cao, phù hợp cho các khu vực đô thị đông đúc. Tuy nhiên, nó có phạm vi phủ sóng hạn chế và dễ bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường, do đó cần kỹ thuật beamforming để tối ưu hóa.

  4. Phương pháp mô phỏng trong nghiên cứu này như thế nào?
    Sử dụng phần mềm MATLAB mô phỏng các bộ định dạng chùm băng hẹp và băng rộng với mảng ăng ten từ 17 đến 31 phần tử, đánh giá mức thùy bên, chiều rộng chùm tia và hiệu quả sử dụng phổ trong hệ thống MASSIVE MIMO.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Các nhà mạng và doanh nghiệp có thể triển khai kỹ thuật beamforming trong trạm gốc 5G, phát triển thuật toán quản lý chùm tia thích ứng và nâng cấp phần cứng ăng ten để cải thiện hiệu suất mạng và trải nghiệm người dùng.

Kết luận

  • Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO là giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng tín hiệu và hiệu quả sử dụng phổ trong mạng 5G.
  • Bộ định dạng chùm băng hẹp và băng rộng được thiết kế tối ưu giúp giảm mức thùy bên và duy trì độ lợi trên băng tần rộng từ 1 GHz đến 3 GHz.
  • Mô phỏng cho thấy kỹ thuật này cải thiện đáng kể SINR và vùng phủ sóng so với các kỹ thuật truyền thống.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc triển khai mạng 5G tại Việt Nam và quốc tế.
  • Các bước tiếp theo bao gồm phát triển thuật toán quản lý chùm tia thích ứng, nâng cấp phần cứng và đào tạo nhân lực để ứng dụng rộng rãi kỹ thuật này trong thực tế.

Để thúc đẩy phát triển mạng 5G hiệu quả, các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý cần phối hợp triển khai các giải pháp kỹ thuật và chính sách phù hợp, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao công nghệ định hướng đa búp sóng trong MASSIVE MIMO.