Đặt vấn đề Ngày nay, yêu cầu cho việc thông tin và liên lạc ngày càng tăng cao đặc biệt về dung lượng, hiệu suất và tốc độ truyền nhận dữ liệu giữa trạm phát sóng và người dùng di động trong mạng không dây và có dây ngày càng cấp thiết. Vì vậy sự yêu cầu về cải tiến kỹ thuật trong hệ thống mạng không dây cũng như có dây đòi hỏi ngày càng nâng cao và cải thiện. Một trong những cải tiến kỹ thuật nổi bật trong hệ thống mạng viễn thông không dây trong những năm gần đây là kỹ thuật sử dụng MASSIVE MIMO (Multiple-input multiple-output) tại trạm phát sóng của mỗi cell (tế bào). Kỹ thuật này mở ra một hướng đi mới nhằm nâng cao tốc độ truyền nhận dữ liệu cũng như cải thiện được chất lượng đường truyền từ trạm phát tín hiệu (base station - BS) đến người dùng di động (mobile users - MUs).
Nội dung của Luận văn này sẽ mang đến cho người đọc một cái nhìn tổng quan về kỹ thuật MASSIVE MIMO trong mạng viễn thông không dây, tại sao kỹ thuật này là tương lai cho hệ thống viễn thông không dây 5G (fifth Generation) và cách thức hoạt động của kỹ thuật này như thế nào trong mạng viễn thông không dây? 2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Trong các nghiên cứu công nghệ sử dụng cho hệ thống thông tin di động, hệ thống đa ăng-ten cỡ lớn (MASSIVE MIMO) kết hợp với kỹ thuật định hướng đa búp sóng được coi là một trong những công nghệ đầy hứa hẹn cho thế hệ 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, bằng cách kết hợp các tín hiệu giữa các ăng ten với nhau, hệ thống có thể tạo được các chùm tia 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. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống 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 (antenna array) bằng cách thay đổi pha tín hiệu giữa các ăng ten với nhau. Nghiên cứu hệ thống MASSIVE MIMO trong mạng di động. Phương pháp nghiên cứu Sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu và thực nghiệm bằng hình thức thu thập thông tin về các mạng thông tin di động 5G, phân tích các kỹ thuật tạo búp sóng và ứng dụng của nó vào hệ thống MASSIVE MIMO, tiến hành đánh giá hiệu quả của hệ thống thông qua mô phỏng.
TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Chương này sẽ trình bày khái quát quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động, các tiêu chuẩn, đặc điểm của hệ thống đã được ứng dụng trên thế giới cho đến nay. Đồng thời cũng trình bày tổng quan về kiến trúc mạng, kỹ thuật truyền dẫn và mạng lõi nano trong hệ thống thông tin di động 5G. Sự phát triển của hệ thống thông tin di động Thế hệ đầu tiên (1G) khởi đầu từ những năm cuối của thập kỷ 70 và đầu thập kỷ 80, đây là thệ thống thông tin di động tương tự chỉ cung cấp dịch vụ thoại. Thế hệ thứ 2 (2G) là công nghệ di động kỹ thuật số, cung cấp dịch vụ thoại và cả dữ liệu xuất hiện vào thập kỷ 90.
Thế hệ thứ 3 (3G) bắt đầu xuất hiện từ năm 2001 với đặc trưng bởi việc cung cấp dịch vụ thoại, dữ liệu và đa phương tiện với tốc độ cao. Thế hệ 4G bắt đấu xuất hiện vào những năm 2009 và được triển khai thương mại hóa từ năm 2012 trở đi, cung cấp các dịch vụ truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn thế hệ 3G hàng chục lần. Thế hệ 5G bắt đấu xuất hiện từ năm 2018 đã được công bố trong bản phát hành 3GPP-15.1 cho ta thấy sự thay đổi về công nghệ từ 1G dến 5G.1: Lịch sử phát triển mạng di động [11] 1.1 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) Hệ mạng di động đầu tiên hay 1G được giới thiệu và ra mắt tại Tokyo Nhật vào năm 1979. Hệ thống thông tin di động 1G ứng dụng các công nghệ truyền dẫn tương tự 4 để truyền tín hiệu thoại.
Sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và điều chế tần số (FM) có những đặc điểm sau: - Mỗi máy di động được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến. - Hệ thống hoạt động chỉ cung cấp dịch vụ thoại đơn đơn thuần cho người sử dụng. - Trạm thu phát gốc phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi máy di động. - Sử dụng các thuật chuyển mạch tương tự - Do phân bố tần số rất hạn chế, lên hệ thống có dung lượng nhỏ.
- Không đảm bảo tính bí mật cuộc gọi vì các cuộc gọi không được mã hóa. - Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau. - Vùng phủ sóng kém và chất lượng âm thanh thấp.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) Hệ thống thông tin di động 2G được đặc trưng bởi công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số, sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và đa truy nhập phân chia theo mã CDMA với những đặc điểm như sau: - Phương thức đa truy nhập: Sử dụng đa truy nhập TDMA và CDMA băng hẹp. - Sử dụng chuyển mạch kênh.
- Ngoài dịch vụ thoại thì có thêm các dịch vụ mới như: tin nhắn, truyền dữ liệu. - Sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần cao hơn. - Hệ thống số chống nhiễu kênh cùng tần số và chống nhiễu kênh kề hiệu quả hơn, làm tăng dung lượng hệ thống, đảm bảo chất lượng thông tin. - Điều khiển truy nhập và chuyển giao hoàn hảo hơn, dung lượng tăng, báo hiệu dễ dàng xử lý bằng phương pháp số.
- Điều khiển động việc cấp phát kênh một cách liên tục giúp cho việc sử dụng tần số hiệu quả hơn 5 - Độ rộng dải thông băng tần của hệ thống còn nhỏ nên các dịch vụ ứng dụng cũng bị hạn chế - Tiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động 2G là không thống nhất, do đó việc chuyển giao, triển khai thương mại mạng 2G gặp nhiều khó khăn.3 Hệ thống thông tin di động 2,5G Hệ thống thông tin di động 2,5G được nâng cấp từ hệ thống thông tin di động 2G. Sự nâng cấp này đôi khi được coi là sự chuẩn bị để tiến tới hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) có những đặc điểm sau: - Các dịch vụ số liệu được cải tiến (Tố c độ bit cao hơ n, hỗ trợ kế t nố i Internet) - Hỗ trợ thêm phư ơ ng thứ c chuyể n mạ ch gói. - Cung cấ p các dị ch vụ bổ sung như : chuyể n hư ớ ng cuộ c gọ i, hiể n thị tên chủ gọ i, chuyể n giao cuộ c gọ i và các dị ch vụ cấ m gọ i mớ i. - Cung cấ p các dị ch vụ mạ ng mớ i và cả i thiệ n các dị ch vụ liên quan đế n truyề n số liệ u như nén số liệ u củ a ngư ờ i sử dụ ng, số liệ u chuyể n mạ ch kênh tố c độ cao, dị ch vụ vô tuyế n gói đa năng.
- Cả i thiệ n các dich vụ liên quan đế n SMS (Short Message Service) như : mở rộ ng bả n chữ cái, mở rộ ng tư ơ ng tác giữ a các SMS. - Hỗ trợ các dị ch vụ mạ ng thông minh. 6 - Cả i thiệ n các dị ch vụ chung như : dị ch vụ đị nh vị , tư ơ ng tác vớ i các hệ thố ng thông tin di độ ng vệ tinh và hỗ trợ đị nh tuyế n tố i ư u.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) Liên minh viễ n thông quố c tế ITU đã đư a ra đề án tiêu chuẩ n hóa thông tin di độ ng thế hệ thứ ba (3G) vớ i tên gọ i IMT- 2000(InternationalMobile Telecommunications for the Year 2000). Trong đó có hai hệ thố ng WCDMA và CDMA-2000 đư a vào hoạ t độ ng vào nhữ ng năm đầ u củ a thậ p kỷ 2000.
Các hệ thố ng này đề u sử dụ ng công nghệ Đa truy nhậ p phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple Access). Điề u này cho phép thự c hiệ n tiêu chuẩ n toàn cầ u cho giao diệ n vô tuyế n củ a hệ thố ng thông tin di độ ng 3G. Một số hệ thống thông tin di động 3G điển hình như sau: - UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) đôi khi còn đư ợ c gọ i là 3GSM, sử dụ ng kỹ thuậ t đa truy nhậ p phân chia theo mã băng rông WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access). UMTS đư ợ c chuẩ n hóa bở i 3GPP (3rd Generation Partnership project).
WCDMA UMTS là công nghệ 3G đư ợ c lự a chọ n bở i hầ u hế t các nhà cung cấ p dị ch vụ GSM/GPRS để đi lên 3G.Tố c độ dữ liệ u tố i đa UMTS cung cấ p là 1920 kb/s, tuy nhiên thự c tế tố c độ này chỉ khoả ng 384 kb/s. Để cả i tiế n tố c độ dữ liệ u củ a 3G, hai kỹ thuậ t HSDPA và HSUPA đã đư ợ c đề xuấ t. Khi cả hai kỹ thuậ t này đư ợ c triể n khai, ngư ờ i ta gọ i chung là HSDPA. 7 - HSDPA thư ờ ng đư ợ c biế t đế n như là hệ thố ng thông tin di độ ng 3,5G.
Kỹ thuậ t này cho phép ngư ờ i dùng Upload thông tin vớ i tố c độ lên tớ i 5,8 Mb/s về mặ t lý thuyế t. HSDPA: Tăng tố c độ đư ờ ng xuố ng (Downlink) lên tố c độ tố i đa trên lý thuyế t là 14,4 Mb/s, như ng trong thự c tế nó chỉ đạ t tầ m 1,8 Mb/s đế n 3,6 Mb/s.