chương 1, sự phát triển của 5G và một số tính năng chính được mô tả để nhấn mạnh tầm quan trọng của 5G trong tương lai. Sau đó, các thông số cơ bản của tạo búp sóng được mô tả với các ví dụ và hình ảnh minh họa thích hợp. Trong chương 2, các lợi ích của tạo búp sóng trong hệ thống 5G được mô tả tỉ mỉ như tăng hiệu quả quang phổ, triệt tiêu nhiễu, hiệu quả năng lượng, tăng tính bảo mật, quy trình quản lý quá trình tạo chùm. Quản lý búp sóng cũng bao gồm theo dõi búp sóngđể di chuyển và 3 một tập hợp các giao thức để khôi phục khả năng hoạt động trong trường hợp hỏng hóc.
Cấu hình của thiết bị phát và thiết bị thu được phân tích ngắn gọn để cho thấy rằng hệ thống truyền thông hỗ trợ đầy đủ định dạng chùm. Chương 3 tập trung vào vấn đề mô phỏng và đánh giá hiệu quả của ký thuật tạo búp sóng thông qua phần mềm Microsoft Visio và MATLAB 2019b. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Trong các nghiên cứu công nghệ sử dụng cho hệ thống thông tin di động tương lai, hệ thống đa ăng ten cỡ lớn kết hợp với kỹ thuật tạo búp sóng 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. Hơn thế nữa, khi sử dụng mảng ăng ten cỡ lớn, bằng cách kết hợp các tín hiệu giữa các ăng ten với nhau, ta có thể tạo được các búp sóng 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 [4].
Không giống như các thế hệ mạng di động cũ, thiết bị đầu cuối (User Equipment – UE) trong 5G không những kết nối đến một cell, mà còn kết nối đến một búp sóng cụ thể nào đó trong một cell. Vấn đề đặt ra là cần tạo, hướng được búp sóng thu-phát về phía UE và duy trì được búp sóng này trong quá trình UE di chuyển khi sử dụng dịch vụ. Trong luận văn này, trước tiên tôi trình bày chi tiết lý thuyết tạo búp sóng khi sử dụng mảng ăng ten theo phương pháp đơn giản nhất là sử dụng bộ lệch pha giữa các tín hiệu đi ra các ăng ten khác nhau [13]. Đây cũng là phương pháp được sử dụng khi định nghĩa các bộ trọng số tiền mã hóa theo chuẩn 5G của 3GPP.
Độ rộng búp sóng, độ lợi búp sóng sẽ được tính toán chi tiết theo các tham số cấu hình mảng ăng ten và tần số sóng mang. Tiếp theo sẽ là thủ tục quản lý búp sóng cho việc khởi tạo, duy trì búp sóng thu-phát giữa bên phát và bên thu trong mạng 5G được chuẩn hóa bởi 3GPP. Là thủ tục 4 bắt buộc phải thực hiện nếu muốn triển khai kỹ thuật tạo búp sóng trong thực tế. Cuối cùng sẽ mô phỏng chi tiết hiệu quả của kỹ thuật tạo búp sóng đã trình bày lên chất lượng của hệ thống 5G.
Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu kỹ thuật tạo búp sóng cho ăng ten mảng cỡ lớn (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. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Tập trung vào kỹ thuật tạo búp sóng cổ điển cho mảng ăng ten bằng cách thay đổi pha tín hiệu giữa các ăng ten với nhau. Nghiên cứu mạng truy nhập vô tuyến thế hệ mới 5G theo chuẩn New Radio của 3GPP và đánh giá hiệu quả của kỹ thuật tạo búp sóng trong mạng 5G qua mô phỏng.
Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu và phương pháp thực nghiệm, nghiên cứu các tài liệu về các chuẩn cho mạng truy nhập vô tuyến New Radio của 3GPP, tài liệu về cách tạo búp sóng bằng cách đổi pha tín hiệu giữa các ăng ten với nhau, các thủ tục khởi tạo và duy trì búp sóng thu-phát, tiến hành đánh giá hiệu quả của hệ thống thông qua mô phỏng. KHÁI QUÁT MẠNG 5G 1.1 Sự phát triển của mạng di động 5G Xuất hiện vào khoảng năm 1979, thế hệ đầu tiên (1G) của thông tin di động dựa trên truyền dẫn tương tự, trong đó công nghệ chính là hệ thống điện thoại di động tiên tiến (AMPS) [14]. Sau đó, một số phát triển khác xuất hiện vào đầu những năm 1990, chẳng hạn như di động kỹ thuật số trung bình (PDC), AMPS kỹ thuật số (D-AMPS), hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM) cho truyền thông di động kỹ thuật số thế hệ thứ hai (2G). Khả năng truy cập internet không dây nhanh vào đầu năm 2000, ở thế hệ thứ ba (3G) của truyền thông di động do công nghệ truy cập gói tốc độ cao (HSPA).
Công nghệ phát triển thứ tư (4G) dựa trên LTE đã hội tụ thế giới thành một ngành công nghiệp viễn thông toàn cầu duy nhất với rất nhiều cải tiến về kết nối, bảo mật và quản lý dữ liệu. Khi nhu cầu ngày càng cao về tốc độ nhanh hơn, độ trễ cực thấp và số lượng lớn các kết nối thiết bị, một công nghệ thế hệ mới đã được yêu cầu để đáp ứng tất cả các nhu cầu. Cuối cùng, sự xuất hiện của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) đã được công bố trong bản phát hành 3GPP-15.1 cho ta thấy sự thay đổi về công nghệ từ 1G dến 5G. Theo dự báo của Ericsson, gần 20% thế giới sẽ được bao phủ bởi 5G kết nối 20 tỷ thiết bị Internet vạn vật (IoT) và 9 tỷ thiết bị di động vào năm 2023.
Kể từ bản phát hành 3GPP-15, các nhà nghiên cứu và kỹ sư đang làm việc hướng tới bản phát hành IMT- 2020 để cung cấp kiến trúc 5G độc lập (SA). Trong khi đó, 5G đã phát triển như một kiến trúc NSA với LTE / LTE-Advanced (LTE-A). 5G có một số thông số kỹ thuật khá lớn để đáp ứng thách thức toàn cầu sắp tới về kết nối và bảo mật. Bản phát hành 3GPP-15[12] bao gồm các công việc sau: - Hệ thống 5G - Giai đoạn 1 - Internet vạn vật (IoT) và truyền thông kiểu máy (MTC) - Cải tiến giao tiếp từ phương tiện đến mọi thứ (V2X) 6 - Cải tiến sứ mệnh quan trọng (MC) - Mạng cục bộ không dây (WLAN) và phổ không được cấp phép - Cải tiến hệ thống 1G 2G 3G 4G 5G 0 Data Up to Up to Up to Up to transfer 40kbps 21.6 Mbps 1Gbps 20Gbps 1979 1981 1991 1998 2008 2019 Hình 1.1: Mô tả hành trình từ 1G đến 5G [15] 1.2 Các yêu cầu và thách thức của công nghệ 5G 1.1 Các trường hợp sử dụng 5G 5G có 3 loại trường hợp sử dụng đặc biệt: 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).2 cho thấy 3 trường hợp sử dụng quan trọng của 5G.
- mMTC đề cập đến khả năng kết nối cho số lượng lớn các thiết bị với chi phí rất thấp và tiêu thụ năng lượng rất thấp. Các thiết bị như vậy như mạng giám sát, cảm biến, thiết bị truyền động (v.) cung cấp thời gian sử dụng lâu dài bằng cách tăng tuổi thọ pin và phạm vi phủ sóng. 7 - eMBB tương ứng với việc trao đổi dữ liệu lớn hơn giữa các nút và thiết bị của người dùng. Thực tế tăng cường (AR), thực tế ảo (VR), điện toán đám mây rất phù hợp cho các trường hợp sử dụng eMBB.
- URLLC có nghĩa là độ trễ rất thấp và độ tin cậy cực cao. Ví dụ như điều khiển tự động, giao thông tự động, thành phố thông minh và tự động hóa nhà máy. eMBB Tốc độ dữ liệu cao, lưu lượng truy cập lớn Gigabyte trong một giây Dữ liệu Video 3D, màn hình UHD làm việc và giải trí trên đám mây Tăng cường thực tế Nhà / Tòa nhà thông minh Công nghiệp tự động ứng dụng quan trọng Thành phố voice ví dụ: sức khỏe điện tử thông minh xe tự lái mMTC URLLC số lượng lớn thiết bị, chi phí thấp. độ trễ rất thấp, độ tin cậy Tiêu thụ năng lượng thấp và tính khả dụng rất cao Hình 1.2: Phân loại mức độ sử dụng 5G cấp cao 1.2 Các tính năng chính của mạng 5G và lộ trình triển khai So với công nghệ 4G LTE hiện có, 5G sẽ đạt được điểm chuẩn hiệu suất tốt hơn tùy thuộc vào các tính năng chính của nó.
Một số trong số chúng đã đạt được và một số chúng vẫn đang được nghiên cứu. ITU-R đã chỉ định một số thông số kỹ thuật chính cho 5G được đặt tên là IMT-2020 [11]. Các tính năng chính phân biệt 5G với phần còn lại được nêu dưới đây trong bảng 1.1 và tầm quan trọng của chúng trong hệ thống 5G sắp tới được mô tả trong hình 1.1: Các tính năng chính của 5G [16] Các tính năng sau Các tính năng trong quá Những lợi Những lợi ích khi triển khai đầy trình thực hiện ích đủ Sử dụng cả băng tần phụ Công suất tăng lên Tốc độ dữ liệu cao 20 GB/s 6GHz và trên 6GHz đến 100 lần nhất Phạm vi phủ sóng tốt MIMO lớn và tạo chùm hơn và dung lượng Độ trễ 1ms cao hơn Ít nhiễu hơn và tiêu Thiết kế tinh gọn Tính linh động thụ điện năng thấp 500 km/h Hiệu quả cao và độ Cấu trúc khung linh hoạt Mật độ kết nối 106/km2 trễ thấp Ghép kênh theo giao diện Cho phép phổ tần và Tốc độ dữ liệu OFDM dịch vụ đa dạng người dùng 100 Mbit/s Sử dụng phổ cao hơn Tăng hiệu quả Độ khả dụng 99.999999% Tốc độ dữ liệu Tốc độ trải nghiệm cao nhất người dùng (Gbit/s) (Mbit/s) 20 100 10 Mật độ dung lượng 1 hiệu quả sử dụng (Mbit/s/m2) phổ tần 10 3x 1 1x 0.1 1x 350 10x 400 100x 500 Tính linh động Hiệu quả sử dụng (km/h) năng lượng 105 10 1 106 Độ trễ Mật độ kết nối (ms) (Thiết bị/km2) Hình 1.3: Tầm quan trọng đối với IMT 2020 do ITU-R khuyến nghị [11] 9 Bảng 1.