Luận văn thạc sĩ về kỹ thuật tạo búp sóng và ứng dụng trong mạng di động 5G

• Tác giả: Nguyễn Hoàng Hạnh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tiến Ban
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Kỹ Thuật Tạo Búp Sóng Và Ứng Dụng Trong Mạng Di Động 5G
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. GIỚI THIỆU
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
• 1.3. Mục đích nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2. KHÁI QUÁT MẠNG 5G
• 2.1. Sự phát triển của mạng di động 5G
• 2.2. Các yêu cầu và thách thức của công nghệ 5G
• 2.2.1. Các trường hợp sử dụng 5G
• 2.2.2. Các tính năng chính của mạng 5G và lộ trình triển khai
• 2.2.3. Phổ tần cho 5G
• 2.2.4. Tốc độ dữ liệu
• 2.3. Kiến trúc mạng 5G
• 2.4. Các công nghệ chính trong mạng truy nhập vô tuyến 5G
• 2.4.1. Công nghệ mở rộng vùng phủ (coverage Enhancement Technology)
• 2.4.2. Công nghệ tăng tốc độ (Rate Improvement Technology)
• 2.4.3. Công nghệ giảm độ trễ (Latency Reduction Technology)
• 2.5. Kết luận chương
• 3. KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG TRONG MẠNG 5G
• 3.1. Định hướng đa búp sóng (Beamforming)
• 3.2. Phương thức truyền chùm tia
• 3.3. Phương thức nhận chùm tia
• 3.4. Phân loại và định dạng chùm tia
• 3.4.1. Tạo chùm tia tương tự
• 3.4.2. Định dạng chùm tia số
• 3.4.3. Định dạng chùm tia lai
• 3.5. Lợi ích mang lại của cách tạo búp sóng
• 3.5.1. Chất lượng truyền dẫn
• 3.5.2. Tăng dạng chùm
• 3.5.3. Triệt giao thoa
• 3.5.4. Hiệu quả năng lượng
• 3.5.5. Bảo mật hệ thống
• 3.5.6. Giảm chênh lệch độ trễ
• 3.5.7. Hiệu suất quang phổ tổng thể
• 3.6. Quản lý chùm tia
• 3.6.1. Nhu cầu quản lý chùm tia
• 3.6.2. Các thành phần của quản lý chùm tia
• 3.7. Kết luận chương
• 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG
• 4.1. Mô phỏng hệ thống phát và thu nhận chùm tia
• 4.2. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về mạng di động 5G

Mạng di động 5G được xem là bước tiến lớn trong công nghệ viễn thông, với khả năng cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao gấp 20 lần so với 4G LTE. Công nghệ 5G không chỉ đơn thuần là nâng cao tốc độ mà còn cải thiện hiệu quả sử dụng phổ và giảm độ trễ. Để đạt được điều này, việc áp dụng kỹ thuật búp sóng là rất cần thiết. Kỹ thuật này cho phép tập trung năng lượng sóng điện từ vào một hướng cụ thể, từ đó nâng cao chất lượng tín hiệu và mở rộng vùng phủ sóng. Theo các nghiên cứu, việc sử dụng mảng ăng ten cỡ lớn (MASSIVE MIMO) kết hợp với kỹ thuật búp sóng sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất của mạng 5G.

1.1. Sự phát triển của mạng di động 5G

Mạng di động 5G đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ 1G đến 4G, mỗi giai đoạn đều có những cải tiến đáng kể về công nghệ. Sự xuất hiện của 5G không chỉ đáp ứng nhu cầu kết nối ngày càng cao mà còn mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng mới như thành phố thông minh và xe tự lái. Đặc biệt, kỹ thuật búp sóng trong 5G giúp cải thiện đáng kể khả năng kết nối và giảm thiểu nhiễu, từ đó nâng cao trải nghiệm người dùng. Việc triển khai 5G đang diễn ra mạnh mẽ trên toàn cầu, với nhiều quốc gia đã bắt đầu thử nghiệm và triển khai công nghệ này.

II. Kỹ thuật tạo búp sóng trong mạng 5G

Kỹ thuật tạo búp sóng là một trong những công nghệ cốt lõi của mạng 5G, cho phép tạo ra các chùm tia tập trung năng lượng đến người dùng. Định hướng đa búp sóng (Beamforming) là một phương pháp quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn. Kỹ thuật này không chỉ giúp tăng cường chất lượng tín hiệu mà còn giảm thiểu nhiễu từ các hướng không mong muốn. Việc áp dụng công nghệ 5G trong việc tạo búp sóng cho phép các nhà mạng cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng phổ và tăng cường khả năng bảo mật hệ thống. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng MIMO trong 5G có thể nâng cao hiệu suất quang phổ tổng thể, từ đó đáp ứng tốt hơn nhu cầu kết nối của người dùng.

2.1. Định hướng đa búp sóng

Định hướng đa búp sóng là kỹ thuật cho phép tạo ra nhiều chùm tia từ một mảng ăng ten, giúp tối ưu hóa việc truyền dẫn tín hiệu. Kỹ thuật này không chỉ cải thiện chất lượng tín hiệu mà còn giúp giảm thiểu độ trễ và tăng cường khả năng bảo mật. Việc áp dụng kỹ thuật búp sóng trong mạng 5G cho phép các nhà mạng điều chỉnh búp sóng theo nhu cầu sử dụng thực tế, từ đó nâng cao trải nghiệm người dùng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng MIMO trong 5G có thể cải thiện đáng kể hiệu suất truyền dẫn, đặc biệt trong các môi trường có nhiều nhiễu.

III. Mô phỏng và đánh giá hiệu quả của kỹ thuật tạo búp sóng

Mô phỏng và đánh giá hiệu quả của kỹ thuật tạo búp sóng trong mạng 5G là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Sử dụng phần mềm MATLAB, các kịch bản kênh vô tuyến chuẩn của ITU được áp dụng để đánh giá hiệu suất của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng kỹ thuật búp sóng không chỉ nâng cao chất lượng tín hiệu mà còn cải thiện hiệu quả sử dụng phổ. Điều này chứng tỏ rằng công nghệ 5G có khả năng đáp ứng tốt hơn nhu cầu kết nối ngày càng cao của người dùng. Việc đánh giá này cũng giúp các nhà nghiên cứu và nhà phát triển có cái nhìn rõ hơn về khả năng ứng dụng của kỹ thuật búp sóng trong thực tế.

3.1. Mô phỏng hệ thống phát và thu nhận chùm tia

Mô phỏng hệ thống phát và thu nhận chùm tia là một bước quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của kỹ thuật búp sóng. Qua các kịch bản mô phỏng, có thể thấy rõ sự cải thiện về chất lượng tín hiệu và hiệu suất sử dụng phổ. Việc sử dụng MIMO trong mô phỏng cho phép tạo ra các chùm tia với độ chính xác cao, từ đó nâng cao khả năng kết nối và giảm thiểu nhiễu. Kết quả từ mô phỏng cho thấy rằng công nghệ 5G có thể đáp ứng tốt hơn nhu cầu kết nối trong các môi trường khác nhau, từ đó mở ra nhiều cơ hội cho các ứng dụng mới trong tương lai.

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 đường truyền cao, đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật tiên tiến để đảm bảo chất lượng dịch vụ. Kỹ thuật tạo búp sóng (beamforming) với mảng ăng ten kích thước lớn (Massive MIMO) được xem là công nghệ then chốt giúp tập trung năng lượng sóng về phía người dùng, nâng cao hiệu quả phổ và mở rộng vùng phủ.

Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật tạo búp sóng trong mạng 5G theo chuẩn New Radio của 3GPP, phân tích các phương pháp tạo và quản lý búp sóng, đồng thời đánh giá hiệu quả của kỹ thuật này thông qua mô phỏng MATLAB với các kịch bản kênh vô tuyến chuẩn ITU. Mục tiêu cụ thể là khảo sát ảnh hưởng của tạo búp sóng lên chất lượng tín hiệu thu, hiệu quả sử dụng phổ và vùng phủ mạng 5G tại Việt Nam trong giai đoạn 2020-2022. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc hỗ trợ triển khai thực tế mạng 5G, góp phần nâng cao hiệu suất mạng và đáp ứng các yêu cầu khắt khe về tốc độ, độ trễ và mật độ kết nối.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết mảng ăng ten và lý thuyết truyền thông không dây đa ăng ten (MIMO). Lý thuyết mảng ăng ten mô tả cách thức điều chỉnh pha và biên độ tín hiệu trên các phần tử ăng ten để tạo ra búp sóng định hướng, giúp tăng cường tín hiệu theo hướng mong muốn và giảm nhiễu từ các hướng khác. Lý thuyết MIMO, đặc biệt là Massive MIMO, mở rộng khái niệm này bằng cách sử dụng hàng chục đến hàng trăm phần tử ăng ten để tăng hiệu quả sử dụng phổ và cải thiện vùng phủ.

Ba khái niệm chính được nghiên cứu gồm:

• Beamforming (tạo búp sóng): kỹ thuật tập trung năng lượng sóng điện từ theo hướng cụ thể.
• Phân loại tạo búp sóng: tương tự, kỹ thuật số và lai, mỗi loại có ưu nhược điểm về chi phí, độ phức tạp và hiệu suất.
• Quản lý búp sóng: bao gồm khởi tạo, duy trì và điều chỉnh búp sóng trong quá trình di chuyển của người dùng, đảm bảo liên kết ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tổng hợp tài liệu chuyên sâu từ các chuẩn 3GPP, tài liệu kỹ thuật về tạo búp sóng và các thuật toán xử lý tín hiệu. Phương pháp thực nghiệm được áp dụng qua mô phỏng hệ thống phát và thu nhận chùm tia bằng phần mềm MATLAB 2019b, sử dụng các kịch bản kênh vô tuyến chuẩn ITU để đánh giá hiệu quả kỹ thuật tạo búp sóng.

Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm các mảng ăng ten với kích thước 16×16, 32×32 và 64×64 phần tử, mô phỏng các kịch bản truyền dẫn trong môi trường đô thị và nông thôn. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các tham số cấu hình mảng ăng ten và tần số sóng mang phổ biến trong 5G (từ 3.5 GHz đến 28 GHz). Phân tích tập trung vào các chỉ số: tỷ lệ lỗi bit (BER), hiệu quả sử dụng phổ, độ lợi búp sóng và công suất tiêu thụ. Timeline nghiên cứu kéo dài từ 2020 đến 2022, phù hợp với giai đoạn thử nghiệm và triển khai mạng 5G tại Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tăng hiệu quả sử dụng phổ: Mô phỏng cho thấy kỹ thuật tạo búp sóng với mảng ăng ten 64×64 cải thiện hiệu quả sử dụng phổ lên đến 30% so với mảng 16×16, nhờ khả năng tập trung năng lượng cao hơn và giảm nhiễu hiệu quả.
2. Cải thiện chất lượng tín hiệu: Tỷ lệ lỗi bit (BER) giảm đáng kể khi sử dụng tạo búp sóng kỹ thuật số và lai, với mức giảm khoảng 40% so với tạo búp sóng tương tự, đặc biệt trong môi trường đô thị có nhiều nhiễu đa đường.
3. Mở rộng vùng phủ: Độ lợi búp sóng tăng theo số lượng phần tử ăng ten, ví dụ mảng 32×32 đạt độ lợi khoảng 16 dB, giúp mở rộng vùng phủ sóng lên đến 1.5 lần so với mạng 4G LTE truyền thống.
4. Tiết kiệm năng lượng: Kỹ thuật tạo búp sóng kết hợp với quản lý búp sóng đa cấp có thể giảm tiêu thụ năng lượng của trạm gốc đến 50%, đồng thời duy trì công suất phát hiệu quả gấp 10 lần, góp phần giảm chi phí vận hành và phát thải CO2.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các cải tiến trên là khả năng tập trung năng lượng sóng điện từ theo hướng người dùng, giảm thiểu nhiễu và tăng cường tín hiệu thu nhận. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng phù hợp với báo cáo của ngành về hiệu quả của Massive MIMO và beamforming trong 5G. Việc áp dụng kỹ thuật tạo búp sóng kỹ thuật số và lai cho phép linh hoạt hơn trong điều khiển chùm tia, phù hợp với các kịch bản di động và mật độ người dùng cao.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu quả sử dụng phổ và BER giữa các loại tạo búp sóng, cũng như bảng tổng hợp độ lợi búp sóng theo kích thước mảng ăng ten. Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc triển khai mạng 5G tại Việt Nam, giúp các nhà mạng tối ưu hóa vùng phủ và chất lượng dịch vụ trong bối cảnh phổ tần ngày càng hạn chế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai kỹ thuật tạo búp sóng lai tại các trạm gốc 5G: Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm tỷ lệ lỗi bit, hướng tới mục tiêu nâng cao chất lượng dịch vụ trong vòng 1-2 năm tới, do các nhà mạng và nhà cung cấp thiết bị thực hiện.
2. Phát triển hệ thống quản lý búp sóng tự động: Áp dụng các thuật toán điều chỉnh búp sóng theo vị trí người dùng và môi trường truyền dẫn, nhằm duy trì liên kết ổn định khi người dùng di chuyển, cải thiện trải nghiệm người dùng trong 3 năm tới, do các đơn vị nghiên cứu và phát triển công nghệ đảm nhiệm.
3. Tối ưu hóa cấu hình mảng ăng ten: Lựa chọn kích thước mảng phù hợp với đặc điểm vùng phủ và mật độ người dùng, cân bằng giữa chi phí đầu tư và hiệu quả năng lượng, thực hiện trong giai đoạn triển khai mạng 5G mở rộng.
4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ vận hành: Đảm bảo nhân lực có khả năng vận hành và bảo trì hệ thống tạo búp sóng phức tạp, giảm thiểu sự cố và tối ưu hóa hiệu suất mạng, triển khai liên tục trong 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà mạng viễn thông: Hỗ trợ trong việc lựa chọn công nghệ và cấu hình mạng 5G, tối ưu hóa vùng phủ và chất lượng dịch vụ.
2. Các nhà sản xuất thiết bị viễn thông: Cung cấp cơ sở kỹ thuật để phát triển thiết bị hỗ trợ tạo búp sóng và Massive MIMO phù hợp với chuẩn 5G.
3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành viễn thông: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về kỹ thuật tạo búp sóng và ứng dụng trong mạng 5G, phục vụ cho nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.
4. Cơ quan quản lý nhà nước về viễn thông: Hỗ trợ trong việc xây dựng chính sách và quy chuẩn kỹ thuật cho triển khai mạng 5G tại Việt Nam, đảm bảo phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế và thực tiễn trong nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Tạo búp sóng là gì và tại sao quan trọng trong 5G?
   Tạo búp sóng là kỹ thuật tập trung năng lượng sóng điện từ theo hướng người dùng, giúp tăng cường tín hiệu và giảm nhiễu. Đây là yếu tố then chốt để đạt được tốc độ cao và vùng phủ rộng trong mạng 5G, đặc biệt với sóng mmWave dễ bị suy hao.

2. Phân loại các phương thức tạo búp sóng trong 5G?
   Có ba loại chính: tạo búp sóng tương tự (chi phí thấp, đơn giản), kỹ thuật số (linh hoạt, hiệu suất cao nhưng phức tạp), và lai (kết hợp ưu điểm của hai loại trên, phù hợp triển khai thực tế).

3. Kỹ thuật tạo búp sóng ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả sử dụng phổ?
   Bằng cách tập trung năng lượng sóng, kỹ thuật này giúp tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR), giảm nhiễu và tăng dung lượng mạng, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng phổ lên đến 30% so với các phương pháp truyền thống.

4. Làm thế nào để duy trì búp sóng khi người dùng di chuyển?
   Thông qua quản lý búp sóng tự động, sử dụng các thuật toán điều chỉnh pha và biên độ tín hiệu trên mảng ăng ten, hệ thống có thể theo dõi vị trí người dùng và điều chỉnh búp sóng kịp thời, đảm bảo liên kết ổn định.

5. Tạo búp sóng có giúp tiết kiệm năng lượng không?
   Có, kỹ thuật này giúp giảm công suất phát không cần thiết và số lượng trạm gốc cần thiết, có thể giảm tiêu thụ năng lượng đến 50%, góp phần giảm chi phí vận hành và phát thải khí nhà kính.

Kết luận

• Kỹ thuật tạo búp sóng với mảng ăng ten kích thước lớn là giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng và vùng phủ mạng 5G.
• Mô phỏng cho thấy tạo búp sóng kỹ thuật số và lai cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng phổ và giảm tỷ lệ lỗi bit.
• Quản lý búp sóng tự động là yếu tố quan trọng để duy trì liên kết ổn định trong môi trường di động.
• Kỹ thuật này góp phần tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành mạng 5G.
• Đề xuất triển khai kỹ thuật tạo búp sóng lai và phát triển hệ thống quản lý búp sóng trong giai đoạn 2022-2024 để tối ưu hóa mạng 5G tại Việt Nam.

Luận văn cung cấp nền tảng khoa học và kỹ thuật vững chắc cho việc ứng dụng tạo búp sóng trong mạng 5G, khuyến khích các nhà mạng và nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển và hoàn thiện công nghệ này nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội số.