Chương 1 giới thiệu tổng quan về anten ứng dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến 5G. Các vấn đề liên quan đến hệ thống thông tin di động 5G như một số yêu cầu chính của hệ thống, băng tần sử dụng trong hệ thống di động 5G được trình bày. Bên cạnh đó, các yêu cầu cũng như các loại anten trong 5G, một số tham số và phương pháp cải thiện tham số cũng được nghiên cứu, xem xét. Cuối cùng, một số phương pháp kĩ thuật dùng trong anten 5G cũng được đề cập trong chương này.1 Giới thiệu chung Kể từ khi giới thiệu thế hệ đầu tiên vào đầu những năm 1980, cứ khoảng 10 năm một lần lại có một thế hệ di động tiếp theo ra đời.
Theo thông lệ đó, hiện nay hệ thống thông tin di động đang ở giai đoạn những năm đầu tiên của thế hệ thứ 5 (5G). 5G ra đời với kỳ vọng sẽ đáp ứng được lưu lượng dữ liệu khổng lồ của người dùng trong tương lai, bên cạnh đáp ứng được tính tức thời và di động. Do đó, 5G chắc chắn sẽ phải có những đặc điểm đột phá chứ không chỉ đơn giản là sự thay đổi, kế thừa như một sự phát triển liên tục giống các thế hệ trước đó. Yêu cầu mới đối với mạng 5G bao gồm đặc tính như dung lượng dữ liệu cao hơn, độ trễ thấp hơn và tăng số lượng thiết bị được kết nối [2].
Băng thông rộng là cách phổ biến giúp dung lượng người dùng tăng. Do phổ tần thấp hiện tại đang trở nên khan hiếm, việc chuyển sang tần số cao hơn là một sự tiến hóa cần thiết, đem lại những thách thức cũng như cơ hội tuyệt vời. Sự suy hao truyền dẫn lớn hơn ở các dải này có thể được bù đắp bằng cách sử dụng các mảng anten lớn, giải pháp này trở nên khả thi hơn vì mỗi anten đều nhỏ dần khi bước sóng nằm trong khoảng mm. Một giải pháp khác là sử dụng trạm gốc nhỏ hoặc các điểm truy cập trong nhà để giảm tải các ô ngoài trời và cung cấp vùng phủ sóng cho người dùng không thể truy cập được từ các trạm gốc bên ngoài.
Hơn nữa, theo thống kê thì có khoảng 70% -80% các kết nối dữ liệu được thực hiện từ môi trường trong nhà, nơi sự lan truyền sóng bị cản trở do suy hao vật cản mà ở đây chủ yếu là các vách tường. Để tăng cường kết nối di động trong nhà, việc triển khai rộng rãi các trạm gốc hay điểm truy cập không dây được sử dụng trong các tòa nhà như trung tâm thương mại, nhà ga, văn phòng v. sẽ là một phần của kế hoạch 11 (LUAN.5g TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat (LUAN.5g mạng không đồng nhất (HetNets) đã và đang được triển khai, giúp cho thông tin được thông suốt [3], [4]. Các trạm gốc cỡ nhỏ hoặc điểm truy cập trong nhà sử dụng năng lượng thấp được thực hiện ở khu vực đông dân cư, rẻ hơn và triển khai nhanh hơn nhiều so với các trạm gốc tế bào cỡ lớn truyền thống.
Việc sử dụng trạm phát sóng nhỏ ngày càng phát triển, chúng có thể gắn trên các cột đèn ở ngoài trời hoặc trên trần, tường ở trong tòa nhà. Là một trong những thiết bị quan trọng của hệ thống vô tuyến, anten ứng dụng cho hệ thống 5G đã, đang là một trong các thành phần thu hút được sự quan tâm của cộng đồng khoa học. Việc tìm tòi, nghiên cứu, phát triển các mẫu anten với những đặc tính kỹ thuật tốt, phù hợp ứng dụng trong 5G đang được diễn ra rộng rãi trên toàn thế giới.2 Hệ thống thông tin di động 5G Có thể nhận thấy rằng, dịch vụ thông tin di động hiện đang thâm nhập rộng rãi đến tất cả các khía cạnh của đời sống xã hội với tư cách là cơ sở hạ tầng quan trọng. Nó đang vượt ra khỏi khái niệm dịch vụ điện thoại thông thường.
Thông qua mạng điện thoại con người có thể tương tác, sử dụng hầu hết các dịch vụ liên quan mật thiết đến cá nhân trong mọi mặt đời sống xã hội như thương mại, ngân hàng điện tử, điều hướng, định vị, chăm sóc sức khỏe và giáo dục v. Bên cạnh đó, sự xuất hiện và ngày càng phổ biến của nhiều dịch vụ mới như hội nghị truyền hình, xem phim độ nét cao, xe tự hành, nhà thông minh, thành phố thông minh v. làm cho lưu lượng mạng tăng trưởng vượt cấp, các hệ thống di động hiện tại sẽ có xu hướng nhanh chóng quá tải, không đáp ứng được nhu cầu người dùng. Mặt khác, sự phát triển nhanh chóng về công nghệ dẫn đến sự phổ thông hóa của điện thoại, các thiết bị thông minh trong những năm gần đây gây nên sự tăng trưởng vượt bậc số lượng thuê bao người dùng mạng di động.
Theo dự báo của Ericsson [1], 5G sẽ là xu hướng chủ đạo vào năm 2027, dự báo bao phủ 75% dân số thế giới, là hệ thống di động được triển khai nhanh nhất trong lịch sử, ước tính số lượng thuê bao 5G đạt 2 tỷ vào cuối năm 2021 và tăng lên 4,4 tỷ thuê bao chiếm 49% tổng số thuê bao di động toàn cầu và mang khoảng 62% tổng lưu lượng dữ liệu di động trên toàn cầu vào năm 2027. Rõ ràng, sự ra đời của hệ thống 5G được kỳ vọng sẽ đáp ứng được nhu cầu 12 (LUAN.5g TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat (LUAN.5g bùng nổ và đa dạng của thị trường. Nói chung, định nghĩa về truyền thông 5G được dựa trên hai quan điểm: tầm nhìn siêu kết nối và công nghệ truy cập vô tuyến tiếp theo. Theo đó, 5G được coi là sự pha trộn của các công nghệ 2G, 3G và 4G hiện có đạt được phạm vi phủ sóng lớn hơn và độ tin cậy luôn hoạt động với mật độ mạng cao hơn xét về trạm thu phát sóng và thiết bị kết nối.
Mặt khác, ở khía cạnh 5G là sự phát triển công nghệ truy cập vô tuyến thế hệ tiếp theo, được xác định dựa trên các mục tiêu cụ thể về tốc độ dữ liệu, độ trễ v. Các công nghệ mới được đề xuất cho 5G đều dựa trên các tiêu chí này. Các thế hệ thông tin di động Nhóm dịch vụ trong 5G 2008 LTE Băng thông di động nâng cao Truyền thông máy khối lượng lớn LTE nâng cao Truyền thông siêu tin cậy và độ NR trễ thấp 2017 1987 Tốc độ dữ liệu cao nhất Tốc độ dữ liệu người dùng GSM 20 Gb/s x3 GPRS EDGE Hiệu suất phổ Dung lượng vùng công x3 cộng 10 Mb/m 2 WCDMA HSPA 1999 Hiệu quả sử dụng năng Tính di động lượng mạng x100 500 km/h AMPS Mật độ kết nối Độ trễ 1ms 1980s 106 thiết bị/km2 Hình 1. Những yêu cầu chính đối với 5G theo định nghĩa của ITU-R [54].
Các khái niệm và mục tiêu của 5G đã và đang được nghiên cứu, hoàn thiện trong các tổ chức khác nhau. Một sự đồng thuận quốc tế là khuyến nghị ITU-R M.2083 [6], xác định ba dịch vụ điển hình trong 5G, đó là: • Băng thông rộng di động nâng cao (eMBB), đáp ứng nhu cầu sử dụng các dịch vụ như video độ nét cao, thực tế ảo, streamline v. đòi hỏi băng thông rộng. • Truyền thông siêu tin cậy và độ trễ thấp (uRLLC), nhằm mục tiêu để đáp ứng nhu cầu của ngành công nghiệp kỹ thuật số trong tương lai cho các ứng dụng bao gồm hỗ trợ lái xe tự động hoặc quản lý từ xa, trong đó việc cung cấp các dịch vụ có độ trễ thấp là điều cần thiết.
• Truyền thông máy khối lượng lớn (mMTC), tập trung vào các nhu cầu của xã hội kỹ thuật số bằng cách xem xét các dịch vụ IoT như các thành phố thông minh 13 (LUAN.5g TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat (LUAN.5g yêu cầu mật độ kết nối cao. Khả năng của 5G hướng đến một cấp độ cao hơn đáng kể hơn 4G như sau [6], [54]: • Thông lượng người dùng cao nhất: 20 Gbps • Độ trễ (giao diện không khí): 1ms • Mật độ kết nối: 10 triệu/km2 • Tốc độ di chuyển: 500 km/h Vì hệ thống 5G được sử dụng rộng rãi nên tùy thuộc vào từng hoàn cảnh sử dụng và ứng dụng cụ thể mà các chỉ tiêu kĩ thuật nêu trên được lựa chọn đáp ứng phù hợp mà không nhất thiết phải đáp ứng tất cả các yêu cầu trên một cách đồng thời [55]. Rõ ràng, tùy thuộc vào loại hình dịch vụ, hệ thống thông tin di động 5G sẽ phải hỗ trợ các yêu cầu đa dạng về băng thông, tốc độ, độ trễ, tính linh hoạt v. đồng thời phải giải quyết về áp lực chi phí cần chi trả.
Do đó 5G cần phải thay đổi đa dạng và linh hoạt từ phần cứng đến phần mềm, từ mô hình hệ thống đến tần số sóng mang, băng thông, trạm gốc, thiết bị đến các thuật toán xử lý, kỹ thuật đa truy nhập v. Các nghiên cứu [2]–[5], [56] chỉ ra sự ra đời của 5G gắn liền với một số công nghệ nền tảng chính như sử dụng dải sóng mm, mảng MIMO, kỹ thuật định dạng và điều khiển búp sóng, điểm phát sóng ô tế bào nhỏ.3 Băng tần sử dụng trong hệ thống thông tin di động 5G Trong thông tin vô tuyến, băng tần dưới 3 GHz hiện đang được sử dụng rộng rãi vì suy hao nhỏ khi lan truyền trong không gian tự do. Có thể thấy rằng rất khó để chỉ định thêm các dải tần số mới ở vùng tần số này cho dịch vụ di động vì mật độ sử dụng dày đặc, hầu hết chúng đã được gán cho các dịch vụ vô tuyến khác. Mặt khác dung lượng kênh truyền trong hệ thống được tính theo công thức (1- 1) [57]: 0 2 Pt Cs = B log 2 1 + t r G G (1-1) 4 d N 0 14 (LUAN.5g TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com moi nhat (LUAN.5g Trong đó: B: băng thông kênh truyền; λ0: bước sóng truyền dẫn trong không gian tự do; d: khoảng cách truyền dẫn; Pt: công suất phát; Gt và Gr: hệ số tăng ích của anten phát và thu; Pt/N0: tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu.
Từ công thức trên ta thấy, dung lượng kênh có thể được dễ dàng cải thiện bằng cách tăng băng thông lên nhiều lần hơn là việc tăng hệ số tăng ích hay công suất phát vốn bị giới hạn bởi công nghệ và thiết bị.