Tài liệu Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao noma trong hệ thống 5g

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Hƣơng KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO TRONG HỆ THỐNG 5G LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông HÀ NỘI - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Hƣơng KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO TRONG HỆ THỐNG 5G LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử Truyền thông Cán bộ hƣớng dẫn: TS Đinh Thị Thái Mai PGSTS Nguyễn Quốc Tuấn HÀ NỘI - 2019 TÓM TẮT Tóm tắt: Trong những năm gần đây nhu cầu sử dụng các thiết bị đầu cuối ngày càng tăng cao và đa dạng. Để đảm bảo tính bền vững cũng nhƣ phát triển của các dịch vụ thông tin di động trong thập kỉ tới, các giải pháp công nghệ mới đƣợc đƣa ra để có thể đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng cũng nhƣ các thách thức mới trong tƣơng lai. Mạng di dộng không dây 5G đƣợc đƣa ra với các tiêu chí về hiệu suất phổ, tốc độ dữ liệu ngƣời dùng, độ trễ, mật độ kết nối đòi hỏi số lƣợng kết nối, khả năng kết nối cao mà kỹ thuật truy cập trực giao dùng trong các mạng 2G/3G/4G chƣa thể đáp ứng đƣợc, các kỹ thuật truy cập phi trực giao đƣợc đề xuất cho mạng truy cập 5G nhằm đáp ứng tăng khả năng truy cập mạng cao gấp từ 10-100 lần so với 4G. Đề tài luận văn này mong muốn tìm hiểu về công nghệ mạng 5G và các công nghệ đa truy cập phi trực giao (NOMA) với hy vọng sẽ đƣợc dùng trong mạng 5G. Nội dung của khóa luận sẽ trình bày những đặc điểm, xu hƣớng phát triển của mạng 5G, kĩ thuật truy cập OFDM phi trực giao và phƣơng pháp loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC, các đặc tính tối ƣu của công nghệ đa truy cập OFDM phi trực giao so với OFDM thông thƣờng. Từ khóa: 5G, Đa truy cập phi trực giao (NOMA), SIC. LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài “Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao trong hệ thống 5G” đƣợc thực hiện dƣới sự hƣớng dẫn trực tiếp của thầy PGS.TS. Nguyễn Quốc Tuấn và cô TS. Đinh Thị Thái Mai. Các nội dung nghiên cứu, kết quả trong luận văn này đều là trung thực và chƣa công bố dƣới bất cứ hình thức nào trƣớc đây. Tất cả những tài liệu tham khảo phục vụ cho luận văn này đều đƣợc nêu nguồn gốc rõ ràng trong mục tài liệu tham khảo và không có việc sao chép tài liệu hoặc đề tài khác mà không ghi rõ về tài liệu tham khảo. Nếu có bất kỳ phát hiện nào về sự gian lận trong luận văn này, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung luận văn của mình. Hà Nội, ngày 31 tháng 05 năm 2019 Học viên Nguyễn Thị Hƣơng LỜI CẢM ƠN Khi em nghiên cứu đề tài, trong quá trình thực hiện luận văn này ngoài sự cố gắng, nỗ lực của bản thân thì em đã nhận đƣợc sự hƣớng dẫn, giúp đỡ, động viên không nhỏ từ phía thầy giáo, cô giáo và bạn bè. Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Cô giáo TS Đinh Thị Thái Mai đã trực tiếp định hƣớng giúp đỡ em hoàn thành đề tài luận văn cũng nhƣ tận tình hƣớng dẫn, giải đáp những thắc mắc cùng với sự hƣớng dẫn của thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn. Thầy đã chia sẻ những kiến thức chuyên môn sâu và những kinh nghiệm quá báu giúp em hoàn thành khóa luận này. Đồng thời em xin cảm ơn đến các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn và các bạn trong Lab Hệ thống viễn thông đã nhiệt tình chia sẻ, giúp đỡ, động viên trong suốt quá trình làm luận văn. Em đã rất cố gắng, nỗ lực, trong quá trình thực hiện nhƣng luận văn này có nhiều kiến thức mới. Cho nên sẽ không tránh khỏi những thiếu sót và những câu văn đƣợc dịch từ tiếng Anh không đƣợc rõ nghĩa cho lắm. Em rất mong nhận đƣợc sự góp ý, chỉ bảo tận tình của quý thầy giáo, cô giáo và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................................... 9 LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................................................. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN.............................................................................................................. 2 1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG .............................................................. 2 1.1.1 Các đặc tính mạng 2G ...................................................................................................... 2 1.1.2 Các đặc tính mạng 3G ...................................................................................................... 3 1.1.3 Các đặc tính mạng 4G ...................................................................................................... 4 1.2 MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G ....................................................................................... 6 1.2.1 Mô hình mạng ................................................................................................................... 7 1.2.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản ...........................................................................................10 1.3 ĐA TRUY CẬP TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG ..................................................14 1.3.1 Đa truy cập mạng 2G/3G .................................................................................................15 1.3.2 Đa truy cập mạng 4G .......................................................................................................16 CHƢƠNG 2: ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO ............................................................................19 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG ............................................................................................................19 2.2 TRUY CẬP NOMA MIỀN MÃ –WCDMA...........................................................................20 2.2.1 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) .........................................................................20 2.2.2 Trải mật độ thấp (LDS) ....................................................................................................21 2.2.3 Đa truy cập mã thƣa (SCMA) .........................................................................................22 2.3 TRUY CẬP NOMA MIỀN CÔNG SUẤT ĐƠN SÓNG MANG ..........................................23 2.3.1 Mã hóa chồng chất (SC) ...................................................................................................25 2.3.2 Loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) ............................................................................................30 2.4 TRUY CẬP NOMA MIỀN CÔNG SUẤT ĐA SÓNG MANG .............................................34 2.4.1 NOMA đa sóng mang ......................................................................................................34 2.4.2 Truy cập trực giao OFDMA .............................................................................................37 CHƢƠNG 3: HIỆU NĂNG ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO (NOMA) .....................................43 3.1 XEM XÉT HIỆU NĂNG NOMA MIỀN CÔNG SUẤT ........................................................43 3.1.1. Kịch bản mô phỏng .........................................................................................................43 3.1.2. Tham số mô phỏng ..........................................................................................................44 3.2. SO SÁNH THÔNG LƢỢNG OFDMA & NOMA ...............................................................45 3.3 MỐI LIÊN QUAN EE-SE TRONG NOMA&OFDMA .........................................................48 3.4 THÔNG LƢỢNG VÀ TỔNG CÔNG SUẤT PHÁT NOMA&OFDMA ...............................49 KẾT LUẬN ......................................................................................................................................51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................................................52 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 1G First Generation Thế hệ thứ nhất 2G Second Generation Thế hệ thứ 2 3G Third Generation Thế hệ thứ 3 3 Generation Partnership Dự án đối tác thế hệ thứ 3 3GPP Project 4G Fourth Generation Thế hệ thứ 4 5G Fifth Generation Thế hệ thứ 5 BS Base Station Trạm gốc Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CN Core Network Mạng lõi CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CT Cordless Telecomm Vô tuyến viễn thông không dây DL Downlink Đƣờng xuống DRX Discontinuous Reception Tiếp nhận gián đoạn DVB Digital Video Broadcasting Phát quảng bá video số eMBB Enhanced Mobile Broad band Băng thông di động nâng cao FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Đa truy cập hợp kênh phân chia tần số BTS CDMA Access GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu Communications IMT International Mobile Viễn thông di động quốc tế Telecommunications IP ITU Internet Protocol Giao thức internet International Liên minh viễn thông quốc tế Telecommunications Union KPI Key Performance Indicator Chỉ tiêu hiệu năng chính LDS Low-Density Spreading Phân tán mật độ thấp LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MCL Maximum Coupling Loss Suy hao gép tối đa Maximum Likelihood Khả năng tối đa Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phƣơng tiện Mobile Station Trạm di động Multi User Detection Giải mã đa ngƣời dùng Non-Orthogonal Multiple Đa truy nhập phi trực giao ML MMS MS MUD NOMA Access OMA Orthogonal Multiple Access Đa truy cập trực giao PSTN Public Switching Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Network QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RAT Radio Access Technologies Công nghệ truy cập vô tuyến Superposition Coding Mã hóa chồng chất Sparse-Code Multiple Access Đa truy cập hợp kênh mã thƣa SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ SIC Successive Interference Hủy bỏ nhiễu liên tiếp SC SCMA Cancellation TDD Time Division Duplex Song công phân chia thời gian Time Division Multiple Access Đa truy cập hợp kênh phân chia thời gian UE User Equipment Thiết bị ngƣời dùng UL Uplink Đƣờng lên Ultra-Reliable Low Latency Truyền thông độ trễ thấp cực kỳ tin cậy TDMA URLLC Communication WCDMA WLL Wideband Code Division Đa truy cập hợp kênh phân chia mã băng Multiple Access rộng Wireless Local Loop Vòng không dây địa phƣơng DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình dự kiến mạng 5G [4] ....................................................................7 Hình 1.2: Phổ tín hiệu của OFDM và FDM ..............................................................17 Hình 1.3: Cơ chế điều chế và giải điều chế OFDM ..................................................18 Hình 1.4: Các sóng mang con lí tƣởng trực giao ......................................................18 Hình 2.1 Phân bổ nguồn tài nguyên trong CDMA ...................................................20 Hình 2.2 Phân bổ nguồn lực trong PD-NOMA ........................................................23 Hình 2.3: Minh họa của hai ngƣời dùng SC. ............................................................27 Hình 2.4: Một ví dụ về mã hóa SC (a) chòm sao tín hiệu của ngƣời sử dụng 1 (b) chòm sao tín hiệu của ngƣời dùng 2 (c) chòm sao của tín hiệu chồng chất. ............29 Hình 2.5: Kỹ thuật giải mã tín hiệu chồng chất tại trạm thu .....................................30 Hình 2.6: SIC với công suất giảm dần ......................................................................31 Hình 2.7 Lƣợc đồ đa truy cập cho kịch bản hai ngƣời dùng (a) NOMA (b) OMA. .33 Hình 2.8: NOMA trong kịch bản đƣờng lên. ............................................................34 Hình 2.9: Các sóng mang con và mức công suất cho NOMA[17] ...........................35 Hình 3.1: Kịch bản mô phỏng ...................................................................................44 Hình 3.2 Thông lƣợng ngƣời dùng trong trƣờng hợp kênh đối xứng .......................47 Hình 3.3: Thông lƣợng ngƣời dùng trong trƣờng hợp kênh không đối xứng ...........48 Hình 3.4: Hiệu suất năng lƣợng và hiệu suất phổ .....................................................49 Hình 3.5: Tổng công suất phát so với cho ngƣời dùng ở giữa và ô trung tâm .50 LỜI NÓI ĐẦU Từ điện thoại tƣơng tự đến dịch vụ Internet (bao gồm cả thoại và dữ liệu), mỗi quá trình chuyển đổi đã đƣợc khuyến khích bởi sự cần thiết phải đáp ứng các yêu cầu của thế hệ công nghệ di động mới. Hiện nay, công nghệ truyền thông di động hiện đang phải đối mặt với một thách thức mới, tạo ra một xã hội siêu kết nối thông qua sự xuất hiện của các dịch vụ thế hệ thứ năm (5G). Với tiềm năng to lớn cho cả ngƣời tiêu dùng và công nghiệp, hệ thống thông tin di động 5G dự kiến sẽ triển khai vào năm 2020. Công nghệ 5G đòi hỏi hiệu suất phổ cao (10-100 – tức gấp 2 cho tới 10 lần hiệu suất phổ trong 4G), tốc độ dữ liệu ngƣời dùng cao (10 - 20 Gbps tức là 10-20 lần tốc độ dữ liệu đỉnh trong 4G), độ trễ thấp (cỡ 1 mili giây - một phần năm độ trễ trong 4G)., mật độ kết nối dày đặc với khả năng kết nối cao. Do đó, cần phải có những công nghệ đa truy cập mới đáp ứng đƣợc những yêu cầu đã đề ra ở trên. Đa truy cập phi trực giao (NOMA) là một trong số những công nghệ đó. NOMA là một công nghệ hứa hẹn nhằm tăng cƣờng thông lƣợng và năng lực của hệ thống. NOMA cho phép nhiều ngƣời dùng chia sẻ tài nguyên thời gian và tần số trong cùng một không gian bằng cách đơn giản hóa việc đa truy cập hợp kênh miền công suất hoặc đa truy cập hợp kênh miền mã một cách tuyến tính. Nhiễu xảy ra do NOMA đƣợc kiểm soát bằng việc phân bổ nguồn tài nguyên phi trực giao, với chi phí tăng độ phức tạp của máy thu khi sử dụng cơ chế loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC (Successive Interference Cancellation) hoặc khả năng tối đa ML (Maximum Likelihood). Nội dung luận văn sẽ đƣợc trình bày nhƣ sau: Chƣơng 1 sẽ trình bày tổng quan về hệ thống thông tin di đông; tiếp sau đó, chƣơng 2 sẽ trình bày tổng quan, phân loại các công nghệ đƣợc sử dụng trong NOMA; cuối cùng chƣơng 3 sẽ đánh giá hiệu năng của NOMA và so sánh với OMA. Thông qua các vấn đề đƣợc đề cập đến trong luận văn, em mong rằng sẽ có sự đánh giá và hiểu biết sâu sắc hơn về công nghệ NOMA và những chỉ tiêu, thông số của mạng di động 5G trong tƣơng lai. 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1.1 Các đặc tính mạng 2G Mạng thông tin di động 2G là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng nhƣ khác hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên. Nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu tƣơng tự của thế hệ 1G và đƣợc áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja (hiện là nhà cung cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj) trong năm 1991. Mạng 2G mang tới cho ngƣời sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS. Theo đó, các tin hiệu thoại khi đƣợc thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu số dƣới nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại đƣợc lƣu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí. Song song đó, tín hiệu số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lƣợng sóng ít hơn và sử dụng các linh kiện thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn… + Đặc điểm: - Dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế cho truyền thông di động đồng nhất - Chuyển vùng quốc tế - Mã hóa số - Các dịch vụ tăng cƣờng (Dữ liệu + Thoại) - Tiêu thụ công suất thấp - Thiết bị đầu cuối có kích thƣớc nhỏ gọn, tiện lợi và nhẹ - Công nghệ truyền dẫn TDMA/CDMA - Dung lƣợng lớn Mạng 2G dựa trên 2 kĩ thuật chính tùy theo từng nƣớc sử dụng. + GSM: Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 tần số. Hầu hết thì hoạt động ở tần số 900 MHz và 1800 MHz. Vài nƣớc ở Châu Mỹ thì sử dụng tần số 850 MHz và 1900 MHz do tần số 900 MHz và 1800 MHz ở nơi này đã bị sử dụng trƣớc. Và cực kỳ hiếm có mạng nào sử dụng tần số 400 MHz hay 450 MHz chỉ có 2 ở Scandinavia sử dụng do các băng tần khác đã bị cấp phát cho việc khác. Các mạng sử dụng tần số 900 MHz thì đƣờng lên (từ thuê bao di động đến trạm truyền dẫn) sử dụng tần số trong dải 890–915 MHz và đƣờng xuống sử dụng tần số trong dải 935–960 MHz. Các băng tần này đƣợc chia thành 124 kênh với độ rộng băng thông 25 MHz, mỗi kênh cách nhau 1 khoảng 200 kHz. Trong hệ thống GSM, phƣơng pháp GMSK (Gausian Minimum Shift Keying) đƣợc sử dụng để điều chế tín hiệu. GSM sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (time division multiplexing), cho phép truyền 8 kênh thoại trên 1 kênh vô tuyến. Có 8 khe thời gian gộp lại gọi là một khung TDMA. Tốc độ dữ liệu cho cả tám kênh là 270.833 kbit/s. + CDMA 2000: là một tiêu chuẩn công nghệ di động họ 3G[1], tiêu chuẩn này sử dụng kỹ thuật truy cập kênh đa sóng mang CDMA, để gửi thoại, dữ liệu và dữ liệu báo hiệu giữa các điện thoại di động và trạm gốc, hỗ trợ tốc độ dữ liệu gói lên tới 153 kbps với truyền dẫn dữ liệu thực trung bình đạt 60–100 kbps trong hầu hết các ứng dụng thƣơng mại trên thế giới. Tiêu chuẩn CDMA2000 đƣợc thiết kế vận hành với băng thông 1,25MHz. Trong kỹ thuật này, nhiều sóng CDMA2000 trải phổ trực tiếp (sóng mang 1,25MHz) đƣợc kết hợp lại để tạo thành tín hiệu CDMA dải rộng hỗn hợp (5MHz). Tốc độ chip của CDMA2000 đƣợc chọn là 1,2288 Mchip/s [1]. 1.1.2 Các đặc tính mạng 3G Mạng 3G (Third-generation technology) là mạng di động thế hệ thứ ba theo chuẩn công nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả thoại số và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh...). Mạng thông tin di động 3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói và chuyển mạch kênh. Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio không hoàn toàn khác so với hệ thống 2G hiện nay [2]. Điểm mạnh của công nghệ này so với công nghệ 2G và 2.5G là cho phép truyền, nhận các dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lƣợng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau. Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thể mang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phƣơng tiện, nhƣ âm nhạc 3 chất lƣợng cao; hình ảnh video chất lƣợng và truyền hình số; Các dịch vụ định vị toàn cầu (GPS); E-mail; Video streaming; High-ends games;... + Đặc điểm: - Kênh có băng thông rộng hon nhiều so với 2G - Công nghệ truyền dẫn W-CDMA. Hiệu suất phổ cao hơn (~2 b/s/Hz) - Tốc độ bit cao + Các thông số kĩ thuật chính Các tiêu chuẩn chung sau đây tuân thủ tiêu chuẩn IMT2000 / 3G:WCDMA là triển khai phổ biến nhất, thƣờng hoạt động trên băng tần 2,100 MHz. Một số khác sử dụng các băng tần 850, 900 và 1,900 MHz.HSPA là một sự pha trộn của một số nâng cấp lên chuẩn W-CDMA ban đầu và cung cấp tốc độ 14,4 Mbit / s và 5,76 Mbit / s. Tốc độ chip của WCDMA đƣợc chọn là 3,84 Mchip/s. WCDMA truyền nhiều kênh cùng một lúc với các mã trực giao khác nhau, những kênh mã này có thể gây nhiễu với nhau khi giao thoa “pha” nhận đƣợc bởi một trạm gốc không đƣợc lý tƣởng. 1.1.3 Các đặc tính mạng 4G 4G mạng thông tin đi động thế hệ thứ 4. Dự án hợp tác thế hệ 3 (3GPP) chuẩn hoá. Hệ thống thông tin di động 4G cải thiện các mạng truyền thông hiện hành bằng cách đƣa ra một giải pháp hoàn chỉnh và đáng tin cậy dựa trên IP. Các tiện ích nhƣ thoại, dữ liệu và đa phƣơng tiện sẽ đƣợc truyền tải tới ngƣời đăng ký ở mọi thời điểm và ở mọi nơi với tốc độ dữ liệu khá cao liên quan đến các thế hệ trƣớc đó. Các ứng dụng đang đƣợc thực hiện để sử dụng mạng 4G là: Dịch vụ Nhắn tin Đa phƣơng tiện (MMS), Video kỹ thuật số (DVB) và trò chuyện video, nội dung Tivi có độ nét cao và TV di động. + Đặc điểm: - Kênh có băng thông rất rộng, - Công nghệ truyền dẫn hợp kênh phân chia tần số trực giao. - Hiệu suất phổ cao hơn nhiều so với 3G (~ 8 b/s/Hz) - Sử dụng các kĩ thuật phân tập (Thời gian, tần số, không gian) - Tốc độ bít rất cao 4 + Các kĩ thuật chính Mạng 4G hiện hoạt động trên băng tần LTE. Tiêu chuẩn LTE có thể đƣợc dùng với nhiều băng tần khác nhau. Ở Bắc Mỹ, dải tần 700/ 800 và 1700/ 1900 MHz đƣợc quy hoạch cho LTE; 800, 1800, 2600 MHz ở châu Âu; 1800 và 2600 MHz ở châu Á; và 1800 MHz ở Australia. Đặc tả kỹ thuật LTE chỉ ra tốc độ tải xuống đỉnh đạt 300 Mbit/s, tốc độ tải lên đỉnh đạt 75 Mbit/s và QoS quy định cho phép trễ truyền dẫn tổng thể nhỏ hơn 5 ms trong mạng truy nhập vô tuyến. LTE có khả năng quản lý các thiết bị di động chuyển động nhanh và hỗ trợ các luồng dữ liệu quảng bá và đa điểm. LTE hỗ trợ băng thông linh hoạt, từ 1,25 MHz tới 20 MHz và hỗ trợ cả song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD). Phần lớn tiêu chuẩn LTE hƣớng đến việc nâng cấp 3G UMTS để cuối cùng có thể thực sự trở thành công nghệ truyền thông di động 4G. Một lƣợng lớn công việc là nhằm mục đích đơn giản hóa kiến trúc hệ thống, vì nó chuyển từ mạng UMTE sử dụng kết hợp chuyển mạch kênh + chuyển mạch gói sang hệ thống kiến trúc phẳng toàn IP. E-UTRA là giao diện vô tuyến của LTE. Nó có các tính năng chính sau [3]: + Tốc độ tải xuống đỉnh lên tới 299.6 Mbit/s và tốc độ tải lên đạt 75.4 Mbit/s phụ thuộc vào kiểu thiết bị ngƣời dùng (với 4x4 anten sử dụng độ rộng băng thông là 20 MHz). 5 kiểu thiết bị đầu cuối khác nhau đã đƣợc xác định từ một kiểu tập trung vào giọng nói tới kiểu thiết bị đầu cuối cao cấp hỗ trợ các tốc độ dữ liệu đỉnh. Tất cả các thiết bị đầu cuối đều có thể xử lý băng thông rộng 20 MHz. + OFDMA đƣợc dùng cho đƣờng xuống, SC-FDMA dùng cho đƣờng lên để tiết kiệm công suất. + Tăng tính linh hoạt phổ tần: độ rộng phổ tần 1,4 MHz, 3 MHz, 5 MHz, 10 MHz, 15 MHz và 20 MHz đƣợc chuẩn hóa (W-CDMA yêu cầu độ rộng băng thông là 5 MHz, dẫn tới một số vấn đề với việc đƣa vào sử dụng công nghệ mới tại các quốc gia mà băng thông 5 MHz thƣơng đƣợc ấn định cho nhiều mạng, và thƣờng xuyên đƣợc sử dụng bởi các mạng nhƣ 2G GSM và cdmaOne). + Hỗ trợ kích thƣớc tế bào từ bán kính hàng chục m (femto và picocell) lên tới các macrocell bán kính 100 km. Trong dải tần thấp hơn dùng cho các khu vực 5 nông thôn, kích thƣớc tế bào tối ƣu là 5 km, hiệu quả hoạt động hợp lý vẫn đạt đƣợc ở 30 km, và khi lên tới 100 km thì hiệu suất hoạt động của tế bào vẫn có thể chấp nhận đƣợc. Trong khu vực thành phố và đô thị, băng tần cao hơn (nhƣ 2,6 GHz ở châu Âu) đƣợc dùng để hỗ trợ băng thông di động tốc độ cao. Trong trƣờng hợp này, kích thƣớc tê bào có thể chỉ còn 1 km hoặc thậm chí ít hơn. + Hỗ trợ ít nhất 200 đầu cuối dữ liệu hoạt động trong mỗi tế bào có băng thông 5 MHz. + Giao diện vô tuyến chuyển mạch gói. 1.2 MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G Kể từ khi hệ thống 1G đƣợc Nordic Mobile Telephone giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1981, cứ khoảng 10 năm lại xuất hiện một thế hệ điện thoại di động mới. Các hệ thống 2G đầu tiên bắt đầu tung ra vào năm 1991, các hệ thống 3G đầu tiên xuất hiện lần đầu vào năm 2001 và hệ thống 4G hoàn toàn tuân thủ các tiêu chuẩn "IMT nâng cao" đã đƣợc chuẩn hóa vào năm 2012. Sự phát triển các hệ thống tiêu chuẩn của các mạng 2G (GSM) và 3G (IMT-2000 và UMTS) mất khoảng 10 năm kể từ khi các dự án R & D chính thức bắt đầu, và quá trình phát triển hệ thống 4G đã đƣợc bắt đầu từ năm 2001 hoặc 2002. Các công nghệ làm tiền đề cho một thế hệ mới thƣờng đƣợc giới thiệu trên thị trƣờng từ một vài năm trƣớc đó, ví dụ nhƣ hệ thống CdmaOne/IS95 tại Mỹ vào năm 1995 đƣợc xem là tiền đề cho 3G, hệ thống Mobile WiMAX ở Hàn Quốc năm 2006 đƣợc xem là tiền đề cho 4G, và hệ thống thử nghiệm đầu tiên cho LTE là ở Scandinavia năm 2009. Từ tháng 4 năm 2008, Machine-to-Machine Intelligence (M2Mi) Corp - một tổ hợp trong NASA Research Park - dƣới sự lãnh đạo của Geoff Brown - bắt đầu phát triển công nghệ thông tin liên lạc 5G [4]. Các thế hệ điện thoại di động thƣờng dựa trên các yêu cầu đối với các tiêu chuẩn di động không-tƣơng-thích-ngƣợc dƣới đây - theo ITU-R, nhƣ IMT-2000 cho 3G và IMT-Advanced cho 4G. Song song với sự phát triển của các thế hệ điện thoại di động của ITU-R, IEEE và các cơ quan tiêu chuẩn hóa khác cũng phát triển các công nghệ truyền thông không dây, thƣờng cho tốc độ dữ liệu cao hơn và tần số cao hơn, nhƣng phạm vi truyền ngắn hơn. Các tiêu chuẩn Gigabit IEEE đầu tiên là IEEE 802.11ac, đƣa vào thƣơng mại từ năm 2013 và gần nhƣ lập tức đƣợc tiếp nối bởi tiêu chuẩn đa Gigabit khác là IEEE 802.11ad. 6 1.2.1 Mô hình mạng Mạng di động 5G đƣợc lên kế hoạch sử dụng thêm bƣớc sóng milimét, phổ tín hiệu RF giữa các tần số cao 20GHZ và 300GHz. Các bƣớc sóng này có thể truyền tải khối lƣợng lớn dữ liệu với tốc độ cao, nhƣng không truyền đƣợc xa và khó xuyên qua tƣờng, vƣợt các ngại vật nhƣ các bƣớc sóng tần số thấp trong mạng 4G. Vì vậy khi xây dựng mạng 5G, các nhà mạng đã sử dụng một lƣợng lớn ăng ten để có cùng độ phủ sóng nhƣ 4G hiện tại. Thay vì những trạm cơ sở trên mặt đất đang đƣợc sử dụng bởi mạng 2G, 3G và 4G, có thể 5G sẽ sử dụng các trạm HAPS (High Altitude Stratospheric Platform Stations), đƣợc biết nhƣ là những chiếc máy bay cố định ở độ cao trung bình 20 km so với mặt đất. Chúng hoạt động nhƣ vệ tinh và thay thế các ăng ten để giúp đƣờng truyền tín hiệu của mạng không dây mới đƣợc thẳng và vùng phủ sóng rộng, ổn định hơn, không bị hạn chế bởi các thiết kế kiến trúc cao tầng [3]. Kiến trúc của 5G đƣợc mở rộng và nâng cấp, các yếu tố mạng của nó và thiết bị đầu cuối khác nhau đƣợc nâng cấp để đủ khả năng đáp ứng các yêu cầu mới. Tƣơng tự nhƣ vậy, các nhà cung cấp dịch vụ có thể thực hiện công nghệ tiên tiến để áp dụng các dịch vụ giá trị gia tăng một cách dễ dàng [4]. Hình 1.1: Mô hình dự kiến mạng 5G [4] 7 Tuy nhiên, khả năng nâng cấp dựa trên công nghệ vô tuyến nhận thức bao gồm các tính năng quan trọng khác nhau nhƣ khả năng của thiết bị để xác định vị trí địa lý cũng nhƣ thời tiết, nhiệt độ, vv...Công nghệ vô tuyến nhận thức hoạt động nhƣ một bộ thu phát nhận biết và phản hồi tín hiệu radio trong môi trƣờng hoạt động. Hơn nữa, nó nhanh chóng phân biệt những thay đổi trong môi trƣờng của nó và do đó đáp ứng phù hợp để cung cấp dịch vụ chất lƣợng không bị gián đoạn. Vì cấu trúc cell 5G không đồng nhất do đó khái niệm cell thông thƣờng nhƣ trong mô hình mạng 2/3/4G đƣợc gọi macrocell. Một macrocell bao gồm các small cell, pico cell hay femto cell với các trạm BS và relays. Một khái niệm small cell di động là một phần không thể tách rời của mạng di động không dây 5G và một phần gồm các khái niệm di động và chuyển tiếp small cell. Nó đang đƣợc giới thiệu để ngƣời sử dụng mạng di động trong xe ô tô và tàu cao tốc. Các small cell di động đƣợc đặt bên trong ô tô di chuyển để truyền thông với ngƣời sử dụng bên trong ô tô, nhờ công nghệ MIMO khối bao gồm các mảng anten lớn đƣợc đặt bên ngoài ô tô để liên lạc với trạm cơ sở bên ngoài. Ngƣời sử dụng small cell di động có tốc độ dữ liệu cao cho các dịch vụ dữ liệu theo yêu cầu với mức tín hiệu giảm đáng kể. Vì kiến trúc mạng di động không dây 5G chỉ gồm hai lớp logic: mạng vô tuyến và đám mây mạng ảo. Các loại khác nhau của các thành phần mạng thực hiện các chức năng khác nhau cấu thành mạng vô tuyến điện. Đám mây ảo hóa chức năng mạng (NFV) bao gồm một thực thể mặt phẳng ngƣời dùng (UPE) và một thực thể mặt phẳng điều khiển (CPE) thực hiện các chức năng lớp cao hơn liên quan đến mặt phẳng ngƣời dùng và điều khiển (User và Control). Chức năng mạng đặc biệt nhƣ là một dịch vụ (XaaS) sẽ cung cấp dịch vụ theo nhu cầu, tổng hợp tài nguyên là một trong những ví dụ. XaaS là kết nối giữa một mạng vô tuyến và một đám mây mạng. Hệ thống bao gồm một thiết bị đầu cuối ngƣời dùng chính và sau đó là một số công nghệ truy cập vô tuyến độc lập và tự động. Mỗi công nghệ vô tuyến đƣợc coi là liên kết IP cho thế giới Internet bên ngoài. Công nghệ IP đƣợc thiết kế độc quyền để đảm bảo dữ liệu kiểm soát đầy đủ cho việc định tuyến thích hợp các gói IP liên quan đến một kết nối ứng dụng nhất định, tức là các phiên giữa các ứng dụng khách và máy chủ ở đâu đó trên Internet. 8 Thiết kế RAN cho công nghệ truy cập vô tuyến (RAT) thế hệ tiếp theo sẽ đƣợc thiết kế để đáp ứng các yêu cầu sau [5]: + Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ tƣơng tác chặt chẽ các công nghệ truy cập vô tuyến mới và LTE. + Có tín hiệu năng cao giữa các RAT di động và sự kết hợp các luồng dữ liệu thông qua ít nhất hai kết nối giữa LTE và RAT mới. Điều này sẽ đƣợc hỗ trợ khai thác cả trạm đƣợc phân bổ lẫn trạm không đƣợc phân bổ. + Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ kết nối thông qua nhiều điểm truyền tải, hoặc đƣợc phân bổ lẫn không đƣợc phân bổ. + Kiến trúc RAN sẽ cho phép phân tách báo hiệu mặt phẳng điều khiển và dữ liệu mặt phẳng ngƣời dùng từ các trạm khác nhau. + Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ giao diện hỗ trợ phối hợp lập lịch hiệu quả giữa các trạm. + Đƣợc phép lựa chọn các tùy chọn khác nhau và linh hoạt để chia tách kiến trúc RAN. + Kiến trúc RAN sẽ cho phép triển khai linh hoạt. + Kiến trúc RAN sẽ cho phép phân tách mặt phẳng điều khiển C-plane và mặt phẳng ngƣời dùng U-plane. + Kiến trúc RAN sẽ cho phép triển khai sử dụng mạng chức năng Ảo. + Kiến trúc RAN sẽ cho phép RAN và CN phát triển độc lập. + Kiến trúc RAN sẽ cho phép mạng hoạt động chia cắt. + Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ chia sẻ RAN giữa đa thao tác. + Việc thiết kế cấu trúc RAN sẽ cho phép triển khai nhanh chóng và hiệu quả các dịch vụ mới. + Thiết kế của kiến trúc RAN sẽ cho phép hỗ trợ các lớp dịch vụ đƣợc định nghĩa theo chuẩn 3GPP (ví dụ: tƣơng tác, nền, streaming và đàm thoại). + Việc thiết kế cấu trúc RAN sẽ cho phép CAPEX/OPEX thấp hơn đối với các. mạng hiện tại để đạt đƣợc cùng mức độ dịch vụ. + Các giao diện RAN - CN và các giao diện nội bộ của RAN (giữa các nút/chức năng hợp lý RAT và giữa các nút/chức năng hợp lý RAT và LTE mới) sẽ mở ra cho khả năng tƣơng tác giữa các nhà cung cấp. + Kiến trúc RAN sẽ hỗ trợ thao tác liên kết (thiết bị với thiết bị) của nhà điều hành đƣợc kiểm soát, cả trong phạm vi phủ sóng và ngoài phạm vi phủ sóng. 9 1.2.2 Các thông số kỹ thuật cơ bản - Tốc độ dữ liệu đỉnh Tốc độ dữ liệu đỉnh là tốc độ dữ liệu tối đa có thể đạt đƣợc dƣới điều kiện lý tƣởng (đơn vị: bit/s), tức là các bit dữ liệu nhận đƣợc không bị lỗi của một trạm di động đơn lẻ sử dụng toàn bộ tài nguyên vô tuyến đƣợc ấn định. Yêu cầu này đƣợc định nghĩa cho kịch bản sử dụng eMBB (Enhanced Mobile Broadband / Extreme Mobile Broadband). Theo đó, mục tiêu tốc độ dữ liệu đỉnh là 20 Gbit/s đối với đƣờng xuống và tốc độ dữ liệu đỉnh đƣờng lên là 10 Gbit/s [4]. -Hiệu suất phổ đỉnh Hiệu suất phổ cao nhất là tốc độ dữ liệu lý thuyết cao nhất (chuẩn bởi băng thông), là tốc độ truyền dữ liệu nhận đƣợc giả định các điều kiện không có lỗi đƣợc chuyển cho một trạm di động duy nhất, khi tất cả tài nguyên vô tuyến đƣợc phân bổ cho hƣớng liên kết tƣơng ứng đƣợc sử dụng (ví dụ, tài nguyên đƣợc sử dụng để đồng bộ lớp vật lý, tín hiệu tham khảo hoặc sóng mang, dải bảo vệ và thời gian bảo vệ). Mục tiêu cho hiệu suất phổ đỉnh là 30 bps/Hz cho đƣờng xuống và 15 bps/Hz cho đƣờng lên [4]. - Tốc độ dữ liệu ngƣời dùng trải nghiệm Tốc độ dữ liệu ngƣời dùng trải nghiệm đƣờng xuống là 100 Mbit/s và tốc độ dữ liệu ngƣời dùng trải nghiệm đƣờng lên 50 Mbit/s. Tốc độ dữ liệu thực tế của ngƣời dùng có thể đƣợc đánh giá theo bộ đệm lƣu lƣợng không đầy đủ và cho bộ đệm lƣu lƣợng đầy đủ. Đối với bộ đệm lƣu lƣợng không đầy đủ, tốc độ dữ liệu thực tế ngƣời dùng là 5% của thông lƣợng ngƣời sử dụng. Thông lƣợng ngƣời dùng (trong thời gian hoạt động) đƣợc định nghĩa là kích thƣớc của một cụm dữ liệu (burst) chia cho thời gian giữa gói tin đầu tiên của burst và gói tin cuối cùng của burst. Giá trị tốc độ dữ liệu thực tế mong muốn ngƣời dùng đƣợc kết hợp với việc ƣớc lƣợng bộ đệm lƣu lƣợng không đầy đủ. Tốc độ dữ liệu thực tế ngƣời dùng bộ đệm lƣu lƣợng không đầy đủ là khả năng mức độ lƣu lƣợng tại dung lƣợng lƣu lƣợng vùng bộ đệm lƣu lƣợng không đầy đủ 10 Đối với bộ đệm lƣu lƣợng đầy đủ, tốc độ dữ liệu thực tế của ngƣời dùng có thể đƣợc tính Tốc độ dữ liệu thực tế của người dùng = 5% hiệu suất phổ người dùng băng thông Để cải thiện tốc độ dữ liệu ngƣời dùng thực tế, 3GPP có thể phát triển các tiêu chuẩn để nâng cao hơn 5% hiệu suất phổ ngƣời dùng. Để đạt đƣợc điều này, 5% hiệu suất phổ ngƣời dùng tăng gấp ba lần so với IMT-Advanced. Hơn nữa, 3GPP có thể phát triển các tiêu chuẩn với các phƣơng tiện hỗ trợ băng thông lớn. Để đạt đƣợc điều này, cần có băng thông tổng hợp ít nhất 1 GHz. Cả độ rộng băng thông và mật độ UE trong diện tích/khu vực đều có tác động mạnh đến tốc độ dữ liệu ngƣời dùng thực tế, vƣợt quá tầm kiểm soát của 3GPP.Mục tiêu: tốc độ DL-100 Mbps và tốc độ UL - 50 Mbps - Độ trễ + Độ trễ mặt phẳng điều khiển Độ trễ cho mặt phẳng điều khiển đề cập đến thời gian để di chuyển hiệu quả trạng thái hoạt động thiết bị (ví dụ từ trạng thái chờ đến khi bắt đầu truyền dữ liệu liên tục). Mục tiêu độ trễ mặt phẳng điều khiển là 1 ms. + Độ trễ mặt phẳng ngƣời dùng Xác định thời gian thực hiện thành công cung cấp đơn vị dữ liệu (2/3 SDU Service Data Unit) từ lớp ứng dụng tới lớp giao thức vô tuyến ở cả đƣờng lên và đƣờng xuống giữa trạm thu và trạm phát không bị hạn chế bởi thu gián đoạn (DRX - Discontinuous Reception). Đối với truyền thông độ trễ thấp độ tin cậy siêu cao (URLLC), độ trễ mặt phẳng của ngƣời dùng mong muốn đạt là 0,5 ms đối với UL và 0,5 ms đối với DL. Hơn nữa, nếu có thể, độ trễ cũng phải thấp, đủ để hỗ trợ việc sử dụng các công nghệ truy cập thế hệ tiếp theo nhƣ một công nghệ truyền tải không dây có thể đƣợc sử dụng trong kiến trúc truy cập thế hệ tiếp theo. Đối với các trƣờng hợp khác, mục tiêu cho độ trễ mặt phẳng của ngƣời dùng là 4 ms cho UL và 4 ms cho DL. + Thời gian gián đoạn di động Thời gian gián đoạn di động có nghĩa là thời gian thời gian ngắn nhất đƣợc hỗ trợ bởi hệ thống; Trong thời gian đó một thiết bị đầu cuối ngƣời dùng không thể trao đổi các gói dữ liệu ngƣời từ mặt phẳng sử dụng với bất kỳ trạm gốc trong thời gian chuyển. Mục tiêu thời gian gián đoạn di động là 0ms. 11