Tổng quan nghiên cứu

Mạng di động thế hệ thứ năm (5G) được kỳ vọng sẽ mang lại tốc độ dữ liệu đỉnh lên đến 20 Gbps, gấp 20 lần so với thế hệ 4G LTE, đồng thời cải thiện hiệu quả sử dụng phổ và vùng phủ mạng. Theo dự báo của Ericsson, đến năm 2023, khoảng 20% dân số thế giới sẽ được phủ sóng 5G, kết nối khoảng 20 tỷ thiết bị Internet vạn vật (IoT) và 9 tỷ thiết bị di động. Tuy nhiên, sóng milimet (mmWave) sử dụng trong 5G có đặc tính suy hao cao trong môi trường đa lan truyền, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật tiên tiến để đảm bảo chất lượng dịch vụ.

Kỹ thuật tạo búp sóng (beamforming) sử dụng mảng ăng ten kích thước lớn (Massive MIMO) là một trong những công nghệ chủ chốt giúp tập trung năng lượng sóng điện từ về phía người dùng, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng phổ, tăng vùng phủ và giảm nhiễu. Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật tạo búp sóng trong mạng 5G theo chuẩn New Radio của 3GPP, khảo sát các phương pháp tạo và quản lý búp sóng, đồng thời đánh giá hiệu quả thông qua mô phỏng MATLAB với các kịch bản kênh vô tuyến chuẩn ITU.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích ảnh hưởng của kỹ thuật tạo búp sóng lên chất lượng tín hiệu thu, hiệu quả sử dụng phổ và vùng phủ mạng 5G, trong phạm vi nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật tạo búp sóng cổ điển bằng cách điều chỉnh pha tín hiệu giữa các phần tử ăng ten. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa triển khai mạng 5G tại Việt Nam và trên thế giới, góp phần nâng cao hiệu suất mạng và trải nghiệm người dùng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Kỹ thuật tạo búp sóng (Beamforming): Là phương pháp tập trung công suất bức xạ của mảng ăng ten vào một hoặc nhiều hướng cụ thể bằng cách điều chỉnh pha và biên độ tín hiệu trên các phần tử ăng ten. Kỹ thuật này giúp tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR), giảm nhiễu và cải thiện vùng phủ sóng.

  • Mảng ăng ten kích thước lớn (Massive MIMO): Sử dụng hàng chục đến hàng trăm phần tử ăng ten để tạo nhiều búp sóng đồng thời, tăng hiệu quả sử dụng phổ và dung lượng mạng. Các loại mảng phổ biến gồm mảng tuyến tính đồng nhất (ULA), mảng hình chữ nhật đồng nhất (URA) và mảng tròn đồng nhất (UCA).

  • Các định dạng búp sóng: Bao gồm tạo búp sóng tương tự, kỹ thuật số và lai. Tạo búp sóng tương tự sử dụng một chuỗi RF với bộ dịch pha, tạo búp sóng kỹ thuật số có chuỗi RF riêng cho mỗi phần tử ăng ten, còn tạo búp sóng lai kết hợp ưu điểm của cả hai.

  • Quản lý búp sóng: Bao gồm các thủ tục khởi tạo, duy trì và điều chỉnh búp sóng trong quá trình di chuyển của người dùng, đảm bảo liên kết ổn định và hiệu quả.

Các khái niệm chính được sử dụng gồm: góc đến (AoA), góc xuất phát (AoD), tỷ lệ lỗi bit (BER), chỉ số chất lượng kênh (CQI), thông tin trạng thái kênh (CSI), và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng với nhiễu (SINR).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu tài liệu và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu chuẩn hóa 3GPP về mạng 5G New Radio, các nghiên cứu về kỹ thuật tạo búp sóng, tài liệu kỹ thuật về mảng ăng ten và các thuật toán xử lý tín hiệu.

  • Phương pháp phân tích: Phân tích lý thuyết kỹ thuật tạo búp sóng, mô hình hóa mảng ăng ten và các thuật toán tiền mã hóa, ghép kênh không gian. Thực hiện mô phỏng hiệu quả kỹ thuật tạo búp sóng trên phần mềm MATLAB 2019b với các kịch bản kênh vô tuyến chuẩn ITU.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô phỏng sử dụng các cấu hình mảng ăng ten với số lượng phần tử khác nhau (ví dụ 16×16, 32×32, 64×64) để đánh giá ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu và hiệu quả phổ. Các kịch bản mô phỏng bao gồm các góc phương vị và góc nâng khác nhau, khoảng cách truyền dẫn đa dạng.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2021-2022, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, phân tích lý thuyết, thiết kế mô hình mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng chất lượng truyền dẫn và hiệu quả phổ: Mô phỏng cho thấy khi số lượng phần tử ăng ten trong mảng tăng từ 16×16 lên 64×64, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) cải thiện đáng kể, giảm tỷ lệ lỗi bit (BER) trung bình khoảng 30-40%. Hiệu quả sử dụng phổ cũng tăng lên đến 3 lần so với mảng nhỏ hơn.

  2. Lợi ích của các định dạng búp sóng: Tạo búp sóng lai kết hợp ưu điểm của tạo búp sóng tương tự và kỹ thuật số, giúp cân bằng giữa chi phí phần cứng và hiệu suất. Mô phỏng cho thấy định dạng búp sóng lai đạt hiệu suất BER tốt hơn khoảng 15% so với tạo búp sóng tương tự trong các kịch bản đa người dùng.

  3. Giảm tiêu thụ năng lượng: Kỹ thuật tạo búp sóng giúp giảm công suất tiêu thụ của trạm gốc (BS) khoảng 50% trong khi vẫn duy trì công suất phát hiệu quả gấp 10 lần, nhờ vào việc tập trung năng lượng và giảm số lượng BS cần triển khai.

  4. Quản lý búp sóng hiệu quả: Thủ tục khởi tạo và duy trì búp sóng theo chuẩn 3GPP giúp duy trì liên kết ổn định trong quá trình di chuyển của người dùng, giảm thiểu mất kết nối và cải thiện trải nghiệm dịch vụ. Mô phỏng cho thấy tỷ lệ thành công trong duy trì búp sóng đạt trên 95% trong các kịch bản di chuyển với tốc độ lên đến 500 km/h.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu suất là do kỹ thuật tạo búp sóng tận dụng được đặc tính định hướng của mảng ăng ten kích thước lớn, giúp tập trung năng lượng về phía người dùng, giảm thiểu nhiễu từ các hướng khác. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng trong luận văn phù hợp với các báo cáo quốc tế về hiệu quả của Massive MIMO và beamforming trong mạng 5G.

Việc áp dụng định dạng búp sóng lai là một giải pháp thực tiễn, cân bằng giữa chi phí phần cứng và hiệu suất, phù hợp với điều kiện triển khai thực tế tại Việt Nam. Ngoài ra, quản lý búp sóng theo chuẩn 3GPP đảm bảo tính tương thích và khả năng mở rộng của hệ thống.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ SNR theo số lượng phần tử ăng ten, biểu đồ BER so sánh các định dạng búp sóng, và bảng tổng hợp công suất tiêu thụ của trạm gốc trong các kịch bản khác nhau, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai kỹ thuật tạo búp sóng lai trong các trạm gốc 5G: Động từ hành động là "ứng dụng", mục tiêu là tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm chi phí phần cứng, thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể thực hiện là các nhà mạng và nhà sản xuất thiết bị.

  2. Phát triển hệ thống quản lý búp sóng theo chuẩn 3GPP: Động từ "hoàn thiện", nhằm nâng cao độ ổn định liên kết và trải nghiệm người dùng, thời gian 12 tháng, chủ thể là các đơn vị nghiên cứu và phát triển phần mềm mạng.

  3. Tăng cường đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ vận hành mạng: Động từ "đào tạo", mục tiêu giảm thiểu sự cố và tối ưu hóa vận hành, thời gian liên tục, chủ thể là các nhà mạng và trung tâm đào tạo viễn thông.

  4. Khuyến khích nghiên cứu và phát triển các thuật toán tối ưu hóa búp sóng: Động từ "khuyến khích", nhằm cải thiện hiệu suất mạng trong các môi trường phức tạp, thời gian trung hạn 2-3 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà mạng viễn thông: Giúp hiểu rõ kỹ thuật tạo búp sóng và ứng dụng trong mạng 5G, từ đó tối ưu hóa triển khai và vận hành mạng.

  2. Các nhà sản xuất thiết bị viễn thông: Cung cấp cơ sở kỹ thuật để phát triển thiết bị hỗ trợ beamforming và Massive MIMO phù hợp với chuẩn 3GPP.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành viễn thông: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về lý thuyết và thực nghiệm kỹ thuật tạo búp sóng trong mạng 5G.

  4. Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Hỗ trợ đánh giá công nghệ và xây dựng các chính sách phát triển hạ tầng viễn thông hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Kỹ thuật tạo búp sóng là gì và tại sao quan trọng trong 5G?
    Tạo búp sóng là phương pháp tập trung năng lượng sóng điện từ về phía người dùng bằng cách điều chỉnh pha và biên độ tín hiệu trên mảng ăng ten. Nó giúp tăng hiệu quả sử dụng phổ, cải thiện vùng phủ và giảm nhiễu, rất quan trọng để đạt được tốc độ và độ tin cậy cao trong mạng 5G.

  2. Massive MIMO khác gì so với MIMO truyền thống?
    Massive MIMO sử dụng số lượng lớn phần tử ăng ten (hàng chục đến hàng trăm) so với MIMO truyền thống chỉ vài phần tử. Điều này giúp tạo nhiều búp sóng đồng thời, tăng dung lượng mạng và hiệu quả phổ đáng kể.

  3. Các định dạng búp sóng nào được sử dụng trong 5G?
    Ba định dạng chính là tạo búp sóng tương tự, kỹ thuật số và lai. Tạo búp sóng lai kết hợp ưu điểm của cả hai, cân bằng giữa chi phí và hiệu suất, phù hợp với triển khai thực tế.

  4. Làm thế nào để duy trì búp sóng khi người dùng di chuyển?
    Quản lý búp sóng theo chuẩn 3GPP bao gồm các thủ tục khởi tạo, điều chỉnh và duy trì búp sóng dựa trên phản hồi trạng thái kênh (CSI) và vị trí người dùng, giúp duy trì liên kết ổn định ngay cả khi di chuyển với tốc độ cao.

  5. Kỹ thuật tạo búp sóng có giúp tiết kiệm năng lượng không?
    Có. Bằng cách tập trung năng lượng và giảm số lượng trạm gốc cần thiết, kỹ thuật tạo búp sóng giúp giảm tiêu thụ điện năng của hệ thống lên đến 50%, đồng thời tăng công suất phát hiệu quả.

Kết luận

  • Kỹ thuật tạo búp sóng sử dụng mảng ăng ten kích thước lớn là giải pháp then chốt để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ và vùng phủ trong mạng 5G.
  • Định dạng búp sóng lai cân bằng giữa chi phí phần cứng và hiệu suất, phù hợp với điều kiện triển khai thực tế.
  • Quản lý búp sóng theo chuẩn 3GPP đảm bảo liên kết ổn định và hiệu quả trong quá trình di chuyển của người dùng.
  • Mô phỏng cho thấy cải thiện đáng kể về SNR, BER và tiết kiệm năng lượng khi áp dụng kỹ thuật tạo búp sóng.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực tế, hoàn thiện thuật toán quản lý búp sóng và đào tạo nhân lực kỹ thuật.

Để nâng cao hiệu quả triển khai mạng 5G, các nhà mạng và nhà nghiên cứu nên áp dụng và phát triển kỹ thuật tạo búp sóng theo hướng dẫn trong luận văn này.