Đồ án Nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G

95 trang thiennha21 14/04/2022 20568

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_nghien_cuu_cong_nghe_truy_cap_vo_tuyen_moi_trong_5g.pdf

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HỌ VÀ TÊN: TRẦN XUÂN TÀI KHÓA: 51 HỆ ĐÀO TẠO: DÀI HẠN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC CHUYÊN NGÀNH: THÔNG TIN NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUY CẬP VÔ TUYẾN MỚI TRONG 5G NĂM 2020
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ HỌ VÀ TÊN: TRẦN XUÂN TÀI KHÓA: KHÓA 51 HỆ ĐÀO TẠO: DÀI HẠN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: ĐIỆN-ĐIỆN TỬ MÃ SỐ: 52520201 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUY CẬP VÔ TUYẾN MỚI TRONG 5G Cán bộ hướng dẫn: Đại tá, PGS.TS Đỗ Quốc Trinh NĂM 2020
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BỘ MÔN THÔNG TIN NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên: Trần Xuân Tài Lớp: Thông tin 2 Khóa: 51 Ngành: Điện-Điện tử Chuyên ngành: Thông tin 1. Tên đồ án: “Nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G”. 2. Các số liệu ban đầu: Quyết định giao đồ án tốt nghiệp đại học – Học viện Kỹ thuật Quân sự. Dựa trên nhiệm vụ được giao và các tài liệu tham khảo. 3. Nội dung bản thuyết minh: Lời mở đầu. Chương 1: Giới thiệu về thông tin di động tế bào. Chương 2: Tổng quan về mạng 5G. Chương 3: Mạng truy cập vô tuyến mới NR. Kết luận chung. 4. Số lượng, nội dung các bản vẽ: 5. Cán bộ hướng dẫn: + Đại tá, PGS.TS Đỗ Quốc Trinh - Giáo viên Bộ môn Thông Tin - Khoa Vô tuyến Điện tử - Học viện Kỹ thuật Quân sự. Ngày giao: 22/06/2020 Ngày hoàn thành:02/11/2020
Hà Nội, ngày 02 tháng 11 năm 2020 Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hướng dẫn Trung tá, GVC.TS Nguyễn Thế Quang Đại tá, PGS.TS Đỗ Quốc Trinh Học viên thực hiện Đã hoàn thành và nộp đồ án ngày tháng năm 2020
i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt 1G First Generation Thế hệ thứ nhất 2G Second Generation Thế hệ thứ hai 3G Third Generation Thế hệ thứ ba Third Generation 3GPP Dự án hợp tác thế hệ 3 Partnership Project 4G Fourth Generation Thế hệ thứ tư 5G Fifth Generation Thế hệ thứ năm 5GC 5G Core Lõi 5G Advanced Mobile Phone Dịch vụ điện thoại đi AMPS Service động tiên tiến BS Base Station Trạm gốc BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc BWP Bandwidth Part Phần băng thông Code Division Multiple Đa truy cập phân chia CDMA Access theo mã CN Core Network Mạng lõi CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng Downlink Control Thông tin điều khiển DCI Information đường xuống DL Downlink Đường xuống EPC Evoved Packet Core Lõi gói tăng cường Evolved Universal Truy cập vô tuyến mặt E-UTRA Terrestrial Radio Access đất vạn năng tăng cường Frequency Division Song công phân chia FDD Duplex theo tần số Frequency Division Đa truy cập phân chia FDMA Multiple Access theo tần số
ii FM Frequency Modulation Điều chế tần số General Packet Radio Dịch vụ vô tuyến gói GPRS Services chung Global System for Hệ thống thông tin di GSM Mobile Communications động toàn cầu Hybrid Automatic Yêu cầu phát lại tự động HARQ Repeat Request lai High Speed Packet HSPA Truy cập gói tốc độ cao Access IoT Internet of Things Internet vạn vật International Liên minh viễn thông ITU Telecommunications thế giới Union LTE Long-Term Evolution Tiến hóa dài hạn MA Multiple Access Đa truy cập Multi-Access Edge Điện toán cạnh đa truy MEC Computing cập Multiple-Input and Nhiều đầu vào nhiều đầu MIMO Multiple-Output ra Negative NACK Xác nhận âm Acknowledgement Network Functions NFV Các chức năng mạng ảo Virtualization Next Generation Radio Mạng truy cập vô tuyến NG-RAN Access Network thế hệ tiếp theo NR New Radio Vô tuyến mới Orthogonal Frequency Đa truy cập phân chia OFDMA Division Multiple theo tần số trực giao Access Orthogonal Multiple OMA Đa truy cập trực giao Access High Peak-to-Average Tỷ số công suất đỉnh PAPR Power Ratio trên công suất trung bình Physical Broadcast PBCH Kênh quảng bá vật lý Channel
iii Physical Downlink Kênh điều khiển đường PDCCH Control Channel xuống vật lý Physical Downlink Kênh chia sẻ đường PDSCH Shared Channel xuống vật lý PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức PN Pseudo-Noise Tạp âm giả Physical Random Kênh truy cập ngẫu PRACH Access Channel nhiên vật lý PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý Primary Synchronisation PSS Tín hiệu đồng bộ sơ cấp Signal Physical Uplink Shared Kênh chia sẻ đường lên PUSCH Channel vật lý QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ Random Access Đáp ứng truy cập ngẫu RAR Response nhiên Radio Access Công nghệ truy cập vô RAT Technology tuyến RE Resource Element Phần tử tài nguyên Radio Network Nhận dạng tạm thời RNTI Temporary Identifier mạng vô tuyến Radio Resource Quản lý tài nguyên vô RRM Management tuyến Khoảng cách sóng mang SCS Sub-Carrier Spacing con Software-Defined Kết nối mạng bằng phần SDN Networking mềm SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ Synchronization SSB Khối chuỗi đồng bộ Sequence Block Song công phân chia TDD Time Division Duplex theo thời gian Time Division Multiple Đa truy cập phân chia TDMA Access theo thời gian UE User Equipment Thiết bị người dùng
iv UL Uplink Đường lên Universal Mobile Hệ thống điện thoại di UMTS Telephone System động vạn năng UMTS Terrestrial Radio Mạng truy cập vô tuyến UTRAN Access Network mặt đất vạn năng VRB Virtual Resource Block Khối tài nguyên ảo
v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật đa truy cập khác nhau. 5 Hình 1.2. Hiệu quả phổ (bps/Hz) của sự phát triển tế bào số. 6 Hình 1.3. Các khả năng người dùng trong các thế hệ tế bào. 6 Hình 1.4. Sơ đồ khối kiến trúc mạng 1G. 9 Hình 1.5. Sơ đồ khối kiến trúc mạng GSM 2G. 12 Hình 1.6. Sơ đồ khối máy thu Rake WCDMA 3G. 14 Hình 1.7. Sơ đồ khối kiến trúc mạng WCDMA 3G. 15 Hình 1.8. Sơ đồ khối máy phát đường xuống WCDMA. 16 Hình 1.9. Sơ đồ khối máy phát đường lên WCDMA. 17 Hình 1.10. Sơ đồ khối máy phát HSDPA. 17 Hình 1.11. Sơ đồ khối kiến trúc mạng HSDPA. 18 Hình 1.12. Sự biểu diễn thời gian/tần số của tín hiệu OFDM cho tiêu chuẩnLTE. 20 Hình 1.13. Sự hình thành dạng sóng OFDMA với k sóng mang con. 21 Hình 1.14. Sơ đồ khối kiến trúc mạng LTE 4G. 22 Hình 1.15. Nét nổi bật của 3GPP. 23 Hình 2.1. Sơ đồ khối kiến trúc mạng 5G. 26 Hình 2.2. Các kịch bản sử dụng của IMT-2020. 28 Hình 2.3. Các ví dụ về massive MIMO: ghép kênh không gian (bên trái) và chùm tia đơn/đa người dùng. 30 Hình 2.4. Ví dụ về một phần mạng hỗ trợ dịch vụ uR-LLC, eMBB và mMTC. 33 Hình 2.5. Sơ đồ mạng thể hiện chức năng điện toán phân tán đối với cạnh. 35 Hình 2.6. Sự xem xét băng tần 5G. 37 Hình 2.7. Kỹ thuật thông tin đường lên và đường xuống. 41 Hình 2.8. Miền tốc độ của hai người dùng DL và UL. 41 Hình 2.9. Sự phân bố phổ và công suất của NOMA và OMA. 42 Hình 3.1. (a): Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng NR, và (b): Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển. 46 Hình 3.2. Ví dụ về luồng dữ liệu. 46
vi Hình 3.3. Sơ đồ khối máy phát cho CP-OFDM với sự trải phổ DFT tùy ý trong UL. 50 Hình 3.4. Quy trình truy cập ngẫu nhiên bốn bước cơ bản trong Phiên bản 15 và quy trình hai bước trong Phiên bản 16. 56 Hình 3.5. Chuỗi xử lý lớp vật lý PUSCH. 59 Hình 3.6. Truyền dẫn tín hiệu tham chiếu, điều khiển, dữ liệu đường xuống trong sóng mang 40-MHz với khoảng cách sóng mang con là 30-MHz. 61 Hình 3.7. Chuỗi xử lý lớp vật lý PDSCH. 65 Hình 3.8. Chuỗi xử lý lớp vật lý PBCH. 67 Hình 3.9. Một ví dụ về CSI-IM Phiên bản 15 với mô hình RE 4-1 và các mô hình RE comb-4 và SRS w/comb-2. 69 Hình 3.10. Băng thông truyền dẫn lớn nhất và băng thông kênh. 73 Hình 3.11. Ví dụ về cấu trúc MAC NR. 74 Hình 3.12. Mô hình tổng quan của phân lớp RLC. 75 Hình 3.13. Cấu trúc của lớp PDCP. 77 Hình 3.14. Chức năng của lớp PDCP. 77 Hình 3.15. Cơ cấu trạng thái UE và chuyển tiếp trạng thái giữa NR/5GC, E- UTRA/EPC và UTRA/5GC 79
vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Đa truy cập trong các thế hệ của các mạng tế bào khác nhau. 4 Bảng 2.1: Sự so sánh của các yêu cầu IMT-2010 và IMT-2020. 29 Bảng 2.2: Các băng tần số 5G mới. 38 Bảng 3.1: Các số bộ số liệu NR Phiên bản 15. 49 Bảng 3.2: Các định dạng PUCCH NR. 54 Bảng 3.3: Các định dạng DCI Phiên bản 15. 62 Bảng 3.4: Các loại cận cùng vị trí trong NR. 68 Bảng 3.5: Các định nghĩa phép đo RRM. 70 Bảng 3.6: Các băng tần số hoạt động của Phiên bản 16 NR trong FR1. 71 Bảng 3.7: Các băng tần số hoạt động của Phiên bản 16 NR trong FR2. 72
viii MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 1 Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO 3 1.1 Giới thiệu 3 1.2 Thông tin di động tế bào: Nhập môn 4 1.2.1 Sự phát triển của công nghệ di động 7 1.2.2 Hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất 8 1.2.3 Các hệ thống tế bào thế hệ thứ hai 10 1.2.4 Các hệ thống tế bào thế hệ thứ ba 13 1.2.5 Các hệ thống tế bào thế hệ thứ tư 19 1.3 Kết luận chương 1 25 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G 26 2.1 Sơ đồ kiến trúc mạng của 5G 26 2.2 Động lực của 5G 27 2.3 Các công nghệ của 5G 29 2.3.1 Massive MIMO 30 2.3.2 Kết nối mạng bằng phần mềm 32 2.3.3 Điện toán cạnh đa truy cập 34 2.3.4 Sự phân chia RAN 35 2.4 Dải sóng mm và phổ tần 5G 37 2.5 Thiết kế dạng sóng cho 5G 39 2.6 Công nghệ đa truy cập từ 1G đến 5G 40 2.7 Đa truy cập không trực giao là gì? 42 2.8 Kết luận chương 2 44 Chương 3 MẠNG TRUY CẬP VÔ TUYẾN MỚI NR 45 3.1 GIỚI THIỆU 45 3.2 LỚP VẬT LÝ 47 3.2.1 Cấu trúc khung và tài nguyên 48 3.2.2 Kênh và tín hiệu đường lên 51 3.2.3 Kênh và tín hiệu đường xuống 59 3.2.4 Giám sát liên kết vô tuyến và các phép đo đạc 67
ix 3.3 Các khía cạnh của RF 70 3.4 Lớp MAC 73 3.5 Lớp RLC 74 3.6 Lớp PDCP 76 3.7 Điều khiển tài nguyên vô tuyến 78 3.8 Kết luận chương 3 80 KẾT LUẬN 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82
1 LỜI NÓI ĐẦU Như chúng ta đã biết, thông tin di động là một phần không thể thiếu trong xã hội ngày nay. Thông tin di động ngày càng phát triển, đã và đang được triển khai rộng khắp trên toàn thế giới. Nhưng do nhu cầu ngày càng đa dạng và nâng cao trong khi tài nguyên vô tuyến dùng cho thông tin di động là giới hạn và đắt đỏ đã đặt ra nhiều thách thức cho các nhà cung cấp dịch vụ và các nhà nghiên cứu. Mặc dù các công nghệ đi trước đã phát triển, điển hình là công nghệ mạng 4G LTE/LTE-A rất phát triển, đem lại tốc độ truyền tương đối cao nhưng vẫn chưa đáp ứng các yêu cầu ngày càng tăng của người dùng. Do đó, mạng di động thế hệ thứ 5 (5G) ra đời không chỉ với tốc độ nhanh hơn, độ tin cậy cao hơn và độ trễ thấp hơn mà đây còn là một bước tiến lớn, là một cuộc cách mạng các thiết bị kết nối internet. Với tốc độ kết nối nhanh hơn đáng kể mà không phụ thuộc vào thiết bị đang di chuyển hay không và có thể khai thác vào nhiều lĩnh vực điều khiển từ xa, độ phủ sóng rộng hơn, giảm thiểu tình trạng gián đoạn giữa các thiết bị với nhau, tiết kiệm điện năng hơn Sự ra đời 5G là bước nhảy vọt về công nghệ di động không dây và hứa hẹn sẽ đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của người dùng. Để đảm bảo tính bền vững cũng như phát triển của các dịch vụ thông tin di động trong thập kỷ tới, các giải pháp công nghệ được đưa ra để đáp ứng được nhu cầu sử dụng cũng như các thách thức mới trong tương lại. Mạng di động không dây 5G được đưa ra với các tiêu chí về hiệu suất phổ, tốc độ dữ liệu người dùng, độ trễ, mật độ kết nối đòi hỏi số lượng kết nối, khả năng kết nối cao mà kỹ thuật truy cập trong các mạng 2G/3G/4G chưa thể đáp ứng được, công nghệ truy cập vô tuyến mới (NR) đã được đề xuất cho mạng 5G nhằm đáp ứng tăng khả năng truy cập mạng 5G. Do đó, em đã chọn đồ án tốt nghiệp với nội dung “ Nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G”. Nội dung đồ án được chia thành 3 chương, cụ thể như sau: Chương 1. Giới thiệu về thông tin di động tế bào
2 Chương 2. Các khía cạnh của mạng 5G Chương 3. Mạng truy cập vô tuyến mới NR Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Đỗ Quốc Trinh đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp. Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do kiến thức bản thân còn hạn chế và thời gian có hạn nên đồ án của em không tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo để đồ án của em được hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn!
3 Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO 1.1 Giới thiệu Chương này cung cấp một cái nhìn tổng quan về sự phát triển của các hệ thống thông tin di động. Chúng ta bắt đầu với một trích dẫn từ một cuộc trò chuyện được tổ chức qua mạng di động từ Martin Cooper vào ngày 3 tháng 4 năm 1973. “Tôi gọi cho bạn từ một điện thoại di động, một điện thoại di động cầm tay thực sự”. Thiết bị di động được sử dụng trong suốt cuộc trò chuyện này là Motorola DynaTAC có trọng lượng khoảng 2.5 lbs với chi phí khoảng 9.000 USD. Sự kiện lịch sử này đã kích hoạt một phong trào thay đổi cuộc sống của rất nhiều người. Sự thay đổi cuộc sống này là rất lớn, lớn hơn nhiều so với việc hỗ trợ người dùng di động, nó thúc đẩy việc tạo ra các thiết bị cực kỳ phức tạp (điện thoại thông minh hiện nay) giúp chúng ta kết nối với thế giới. Các thiết bị này không chỉ thực hiện các nhu cầu liên lạc dữ liệu và giọng nói rất cần thiết với chúng ta mà còn có rất nhiều ứng dụng hỗ trợ như thông báo cho bạn bè thông qua phương tiện truyền thông xã hội, cạnh tranh với trò chơi trực tuyến, tiêu thụ và sản xuất nội dung video, thực hiện các phép đo y tế, sử dụng các dịch vụ dựa trên định vị, v.v. Khi các thiết bị không dây này được thừa hưởng từ định luật Moore, các công nghệ di động tế bào có thể vẫn là tâm điểm để giới thiệu các tính năng mới và những đặc điểm thú vị mang lại lợi ích cho người dùng cuối. Chương này nhằm giải quyết các công nghệ điều khiển quan trọng đằng sau các thiết kế hệ thống vô tuyến mới (NR) 5G, tập trung vào các giải pháp hỗ trợ các dịch vụ mới 5G trong truyền dẫn đường lên (UL) với các yêu cầu như độ trễ thấp và độ tin cậy cao, tiết kiệm năng lượng và các ứng dụng gói nhỏ. Các tài nguyên không cần sự cho phép (GF) trong UL NR được gọi là “cho phép trước”, có nghĩa là các thông số kỹ thuật được cấu hình trước sẽ được sử dụng để truyền
4 UE UL mà không cần lập lịch/cho phép. Ngoài ra trạm gốc (BS) trong mạng NR 5G được gọi là “NodeB thế hệ tiếp theo” hoặc “gNB”. 1.2 Thông tin di động tế bào: Nhập môn Các tiêu chuẩn di động sử dụng nhiều kỹ thuật đa truy cập (MA) được nhấn mạnh trong bảng 1.1. Những kỹ thuật này bao gồm đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) và đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). Chúng ta cũng đề cập phương pháp song công liên quan được sử dụng cho thông tin hai chiều và các tài nguyên vật lý thực tế có sẵn để gán cho mỗi người dùng. Các phương pháp song công là song công phân chia theo thời gian (TDD) và song công phân chia theo tần số (FDD). Bảng 1.1: Đa truy cập trong các thế hệ của các mạng tế bào khác nhau. Phương pháp Tài nguyên Ví dụ đáng Thế hệ tế bào Kỹ thuật MA song công vật lý chú ý 1G FDMA FDD Tần số AMPS, NMT Các khe thời 2G TDMA FDD GSM, IS-54 gian Các khe thời 3G CDMA FDD/TDD gian/Các mã WCDMA PN Thời gian/tần 4G OFDMA FDD/TDD LTE, LTE-A số Thời gian/tần 5G OFDMA FDD/TDD 5G-NR số Tất cả các kỹ thuật đa truy cập ở trên có thể được xem như một dạng của đa truy cập “trực giao” (OMA), trong đó về mặt lý thuyết thì sự truy cập của người dùng không gây nhiễu cho nhau khi họ chia sẻ phương tiện không dây. Tuy nhiên chúng được giới hạn bởi số lượng tài nguyên có sẵn, điều này làm cho chúng trực giao với nhau. Đối với CDMA thì ngược lại, việc truyền từ thiết bị không dây đến đế trạm gốc vốn đã không trực giao. Trong FDMA, tần số được chia thành các kênh được sử dụng bởi nhiều người dùng khác nhau. Trong TDMA, thời gian được phân chia thành các khe
5 thời gian tức là cho phép nhiều người dùng khác nhau có thể truy cập hệ thống tế bào. Trong CDMA, các người dùng được phân biệt với nhau bằng các mã PN và truyền tất cả cùng một lúc trên toàn bộ kênh tần số. Trong OFDMA các người dùng được phân bổ cho các kênh tần số khác nhau (các nhóm sóng mang con) tại các khe thời gian khác nhau. Đối với hệ thống tế bào số thế hệ tiếp theo 5G, vẫn sử dụng OFDMA trong đó khoảng cách giữa các sóng mang con và độ dài khe thời gian thì mềm dẻo và có thể hỗ trợ các yêu cầu thay đổi rộng rãi khác nhau. 5G dự kiến sẽ sử dụng NOMA. Hình 1.1. Một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật đa truy cập khác nhau. Hình 1.1 cung cấp một cái nhìn tổng quan để giới thiệu các kỹ thuật truy cập khác nhau sẽ được thảo luận trong phần này. Chúng được so sánh theo ba chiều hoặc miền: công suất, thời gian và tần số. Một chỉ số hiệu suất hệ thống tiếp tục được cải thiện trong các thế hệ là hiệu quả phổ. Hình 1.2 cho thấy hiệu quả phổ DL của các chuẩn di động số 2G, 3G, 4G và 5G so với tốc độ dữ liệu đỉnh theo lý thuyết. Lưu ý rằng với mỗi tiêu chuẩn mới, nhu cầu về tốc độ dữ liệu cao hơn và cao hơn trong một thời gian dài dẫn đến nhu cầu tăng hiệu quả phổ trở nên rõ rệt hơn. Với mỗi thế hệ tế bào, không chỉ có sự kỳ vọng về hiệu suất tăng mà còn có thêm các tính năng mới. Hình 1.3 cho thấy khả năng của người dùng (và các
6 tính năng dự kiến) đã tăng theo cấp số nhân qua sự phát triển của các thế hệ di động. Chúng ta bắt đầu chỉ bằng tiếng nói và sau đó chuyển sang khả năng dịch vụ thoại và tin nhắn ngắn (SMS) trong 2G. Khả năng dữ liệu được cải thiện trong 3G bao gồm các dịch vụ chuyển mạch gói. Hình 1.2. Hiệu quả phổ (bps/Hz) của sự phát triển tế bào số. Hình 1.3. Các khả năng người dùng trong các thế hệ tế bào. 4G cung cấp Internet di động với các trường hợp sử dụng được mở rộng cho Internet vạn vật (IoT), phương tiện đến mọi thứ (V2X), thiết bị đến thiết bị (D2D), v.v. Hệ thống di động thế hệ tiếp theo 5G dự kiến sẽ chỉ tăng các khả năng trường hợp sử dụng, do đó mở ra nhiều cánh cửa cho việc cung cấp các sản phẩm sáng tạo. DL là hướng giao tiếp từ BS đến thiết bị cầm tay hoặc thiết bị người dùng (UE). UL là hướng giao tiếp từ các UE đến BS. UL cũng bao gồm quyền truy
7 cập ngẫu nhiên trong đó các UE cố gắng truy cập tài nguyên của hệ thống thông tin từ trạng thái bật nguồn hoặc bắt đầu một giao dịch mới. Phương pháp được sử dụng để phân tách giao tiếp DL và UL được gọi là song công. Ví dụ: thao tác này có thể được thực hiện trong miền thời gian (TDD)/hoặc tần số (FDD). Trong TDD, các khe thời gian nhất định được phân bổ cho DL và các khe thời gian khác cho UL. Trong FDD, việc truyền UL và DL xảy ra đồng thời ở các dải tần số khác nhau. Các ưu điểm của TDD là chỉ cần một phổ duy nhất và được chia sẻ (không cần phổ ghép) và có các chế độ xem kênh đối xứng (các phép đo UL có thể được sử dụng cho kỹ thuật thông tin DL và ngược lại). Ưu điểm của FDD là cần ít các yêu cầu đồng bộ thời gian hơn; tuy nhiên do sự phân tách tần số giữa DL và UL, các phép đo UL có thể không hữu ích cho kỹ thuật thông tin DL vì không thể đảm bảo tính tương hỗ. Dù sử dụng phương pháp nào, độ trễ (thời gian để truy cập tài nguyên mạng) ngày càng trở nên quan trọng như là một chỉ số hiệu suất hệ thống. 1.2.1 Sự phát triển của công nghệ di động Trong phần này, chúng ta sẽ giới thiệu các công nghệ truy cập vô tuyến di động (RATs) và hiểu được ưu điểm và lợi thế phát triển của chúng. Hình 1.1 cho thấy sự phát triển tiêu chuẩn của mạng tế bào từ 1G đến 4G. Chúng ta nhận thấy khi 2G và 3G phát triển đã có sự gia tăng độ phức tạp của hệ thống theo nhiều tiêu chuẩn. Điều này đã thay đổi khi ngành công nghiệp hội tụ thành một tiêu chuẩn 4G duy nhất với độ phức tạp gia tăng. Các kỹ thuật đa truy cập trực giao: FDMA (đa truy cập phân chia theo tần số)  Việc gán nhiều sóng mang trên cùng một kênh là khó khăn  Các kênh băng hẹp (có băng thông nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh không dây) đang mong đợi  Các băng bảo vệ trong miền tần số là cần thiết để giảm sự phát xạ phổ đến các băng tần lân cận  Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn.
8 TDMA (đa truy cập phân chia theo thời gian)  Việc bù (cân bằng) nhiễu xuyên symbol là cần thiết  Sử dụng các băng bảo vệ trong miền thời gian cho phép sự biến thiên độ trễ thời gian của truyền dẫn UL  Đồng bộ hóa các khe thời gian trên tất cả mục đích sử dụng là rất quan trọng để không phá hủy nguyên tắc OMA  Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn. CDMA (đa truy cập phân chia theo mã)  Sử dụng toàn bộ băng thông cùng lúc bằng cách sử dụng mã trải phổ  Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn. OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao)  Gán nhiều sóng mang con khác nhau cho nhiều người dùng khác nhau (tại các khe thời gian khác nhau)  Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn. Phổ tần là rất có giá trị đối với các nhà khai thác và vẫn cần thiết để đáp ứng thông lượng hệ thống và người dùng tăng lên. Có một phong trào toàn ngành công nghiệp là không chỉ sử dụng phổ tần được cấp phép truyền thống, mà còn sử dụng phổ không được cấp phép (theo truyền thống được sử dụng bởi các thiết bị WiFi) và phổ dùng chung bất cứ khi nào có thể. 1.2.2 Hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất Hệ thống di động thế hệ đầu tiên (1G) cho phép liên lạc bằng giọng nói và hỗ trợ người dùng di động khi một cuộc gọi tiếng nói sẽ “chuyển giao” cho trạm gốc (hoặc tế bào) khác khi người dùng di động đi qua môi trường tế bào một cách vật lý. Công nghệ được sử dụng là điều chế tần số (FM) tương tự và phổ được chia thành các phân đoạn 30 kHz gọi là các kênh. Một người dùng sử dụng toàn bộ kênh trong suốt thời gian của cuộc gọi. Hệ thống này được gọi là dịch vụ điện thoại di động tiên tiến (AMPS). Để hỗ trợ vùng phủ sóng rộng, kỹ thuật tái sử dụng tần số đã được giới thiệu. Đồng thời các kênh cùng tần số được phép tái sử dụng bởi những người
9 dùng khác, với điều kiện là khoảng cách đủ lớn để gây nhiễu tối thiểu. Nhiễu này được gọi là nhiễu đồng kênh hoặc nhiễu giữa các tế bào. Trong nỗ lực tăng tổng dung lượng hệ thống, một công nghệ mới đã được giới thiệu gọi là AMPS băng hẹp (N-AMPS). Khoảng cách kênh được giảm xuống còn 10 kHz. Tương tự, trong nỗ lực giới thiệu các dịch vụ dữ liệu (không được hỗ trợ trong AMPS), dữ liệu gói số di động đã được đề xuất sử dụng các kênh tần số khi người dùng thoại không có mặt. Tuy nhiên, người ta đã nhanh chóng xác định rằng cần có một mạng tích hợp không dây thoại và dữ liệu để cung cấp hiệu quả các dịch vụ đó. Một kiến trúc mạng tế bào điển hình cho 1G được thể hiện trong Hình 1.4. Trong đó một tế bào được ký hiệu là hình lục giác. Để có thể tăng dung lượng, các tế bào có thể được chia thành các tế bào nhỏ hơn được gọi là các khu vực. Vị trí chuyển mạch điện thoại di động (MTSO) kết nối với các trạm thu phát gốc (BTS) và mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN). Nó cũng xử lý việc chuyển giao, định tuyến cuộc gọi, đăng ký, xác thực, v.v Đây là mạng dựa trên dựa trên chuyển mạch kênh (CS). Mạng sử dụng phổ tần được cấp phép để cung cấp các dịch vụ thoại được các nhà khai thác mua từ các cơ quan quản lý có liên quan. Hình 1.4. Sơ đồ khối kiến trúc mạng 1G. Các tiêu chuẩn tế bào tương tự 1G đã triển khai trên toàn cầu được liệt kê dưới đây. Cần lưu ý rằng một tiêu chuẩn toàn cầu duy nhất đã không tồn tại. Các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến (AMPS) dựa trên US
10  Điều chế FM tương tự, song công FDD, đa truy cập dựa trên FDMA  Hỗ trợ N-AMPS cho băng tần hẹp, băng thông kênh bị giảm từ 30 xuống 10 kHz. Điện thoại di động Bắc Âu (NMT) - Các nước Bắc Âu  Điều chế FM tương tự, song công FDD, đa truy cập dựa trên FDMA  Băng thông kênh phụ thuộc vào dải tần được triển khai: 25 kHz hoặc 12.5 kHz.  Hỗ trợ chuyển vùng ở các nước châu Âu. Hệ thống thông tin truy cập toàn bộ (TACS) ở Anh  Sự biến thể cho Nhật Bản thì có sẵn (J-TACS)  Điều chế FM tương tự, song công FDD, đa truy cập dựa trên FDMA  Băng thông kênh 30 kHz. 1.2.3 Các hệ thống tế bào thế hệ thứ hai Các hệ thống tế bào di động thế hệ thứ hai (2G) đã được tạo ra để mở rộng dung lượng sử dụng giọng nói cũng như cung cấp khả năng tích hợp dữ liệu đa dịch vụ. Công nghệ chuyển từ tương tự sang điều chế số. Sự chuyển đổi này cho phép kỹ thuật thông tin thoại có chất lượng tốt hơn thông qua sử dụng bộ mã hóa tiếng nói (bộ ghi mã tiếng nói), hỗ trợ dịch vụ dữ liệu, ban đầu thông qua dịch vụ nhắn tin ngắn (SMS), cho phép mật mã hóa để hỗ trợ bảo mật và tăng dung lượng hệ thống. Thế hệ này đã tạo ra sự thay đổi từ FDMA sang TDMA và CDMA. Đây là những khoảng thời gian rất thú vị mà các người dùng di động thích ứng; bằng cách này, chúng ta được tiếp cận với các hệ thống tế bào 2G không tương thích. Cộng đồng châu Âu đã ủng hộ hệ thống thông tin di động toàn cầu (GSM), trong khi Hoa Kỳ đang phải cạnh tranh với hai tiêu chuẩn: IS-54 (sau đổi tên thành IS- 135) dựa trên TDMA và IS-95 (sau đổi tên thành CDMA-One) dựa trên CDMA. Tất cả ba tiêu chuẩn tế bào này đều có giá trị về mặt kỹ thuật. Để tăng dung lượng hệ thống, không chỉ băng tần được chia thành các kênh mà cả thời gian cũng được chia thành các khe thời gian cho TDMA. Trong
11 CDMA, mỗi thông tin của người dùng đã bị xáo trộn và tần số được trải rộng theo chuỗi giả ngẫu nhiên (PN); tất cả người dùng truyền cùng một lúc trên toàn bộ kênh. Những tiêu chuẩn này sử dụng phổ tần được cấp phép và được mua bởi các nhà khai thác mạng từ cơ quan quản lý phổ địa phương. Độ phức tạp của máy thu đang tăng theo cấp số nhân, đặc biệt tốc độ dữ liệu, phương thức điều chế và số lượng ăng ten liên quan đã tăng lên. Các tiêu chuẩn tế bào số 2G triển khai trên toàn cầu được liệt kê dưới đây. Cần lưu ý rằng một tiêu chuẩn di động toàn cầu không tồn tại. GSM - Tiêu chuẩn duy nhất ở Châu Âu  Dựa trên TDMA  Điều chế số (GMSK), song công FDD  Băng thông kênh = 200 kHz  Độ dài khung = 4.615 ms  Độ dài khe thời gian = 0.557 ms (8 khe/khung)  Tốc độ dữ liệu = 270.833 Kbps  Được phát triển thành các dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS), cũng được coi là 2.5G  Được phát triển để tăng tốc độ dữ liệu cho sự phát triển GSM (EDGE), cũng được coi là 2.75G. IS-54 (còn gọi là IS-136) - Tiêu chuẩn ở Mỹ  Dựa trên TDMA  Điều chế số (π/4-DQPSK), song công FDD  Băng thông kênh = 30 kHz  Độ dài khung = 40 ms  Độ dài khe thời gian = 6.67 ms (6 khe/khung)  Tốc độ dữ liệu = 48.6 Kbps. IS-95 (còn gọi là CDMA-One) - Tiêu chuẩn ở Hoa Kỳ và Hàn Quốc  Dựa trên CDMA, được phát triển bởi Qualcomm  Điều chế số (QPSK, O-QPSK), song công FDD
12  Độ dài khung = 20 ms  Tốc độ dữ liệu = 115 Kbps. Tất cả các tiêu chuẩn này là các mạng dựa trên chuyển mạch kênh (CS), theo thời gian có thêm các phần mở rộng (ví dụ: phát triển từ 2G → 2.5G → 2.75G) cho phép giao tiếp với các mạng dựa trên chuyển mạch gói (PS). Do tính kinh tế của quy mô, chi phí triển khai, chính sách bằng sáng chế và sự ủng hộ trên toàn cầu, GSM đã chiếm phần lớn nhất trong thị trường di động tế bào. Nhu cầu của người dùng tăng lên do đó buộc 2G phải thực hiện các bước phát triển mới như 2.5G (GPRS) và 2.75 (EDGE). Cả hai đều được tạo ra để tăng tốc độ dữ liệu người dùng vượt quá khả năng GSM ban đầu cũng như thêm khả năng các dịch vụ gói. Ngày nay các hệ thống này được sử dụng rất nhiều. Phân hệ trạm gốc (BSS) bao gồm hai phần: các BTS và bộ điều khiển trạm gốc (BSC) Phân hệ vận hành và hỗ trợ (OSS) điều khiển và giám sát toàn bộ mạng GSM Hình 1.5. Sơ đồ khối kiến trúc mạng GSM 2G. Trung tâm chuyển mạch di động (MSC) cung cấp đăng ký, xác thực, vị trí cuộc gọi, định tuyến cuộc gọi, v.v. Đăng ký địa chỉ thường trú/lưu trú (HLR/VLR), là một cơ sở dữ liệu của thông tin thuê bao Trung tâm chuyển mạch di động cổng mạng (GMSC) chứa đựng thông tin thuê bao từ HLR để định tuyến các cuộc gọi đến MSC chính xác Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) để quản lý di động và định tuyến gói
13 Nút hỗ trợ GPRS cổng mạng (GGSN) tổ chức mạng GPRS và kết nối mạng chuyển mạch gói bên ngoài. 1.2.4 Các hệ thống tế bào thế hệ thứ ba Hệ thống tế bào số thế hệ thứ ba (3G) này được tạo ra để tăng dung lượng người dùng hệ thống và đáp ứng mong muốn tốc độ dữ liệu ngày càng tăng. Thế hệ này cung cấp cho người dùng khả năng lướt Internet và có các dịch vụ thoại và dữ liệu đồng thời. Đây cũng là chất xúc tác để giới thiệu các ứng dụng video cho các thiết bị di động của người dùng. Cả hai dịch vụ CS và PS đều được hỗ trợ từ định hướng ban đầu. Hiện nay trong sự phát triển của tế bào, truy cập di động vào Internet ngày càng trở nên quan trọng. Kỹ thuật MA chuyển từ việc sử dụng cả TDMA và CDMA sang chuẩn hóa trên CDMA. CDMA-One phát triển thành CDMA2000 và GSM/IS-136 được phát triển thành CDMA băng rộng (WCDMA). CDMA là một kỹ thuật đa truy cập trong đó nhiều người dùng được phân tách bằng mã PN và truyền cùng lúc trên toàn bộ băng thông được phân bổ. Nó được biết đến khi nhiều người dùng truyền tải hơn, nhiễu nội bào tăng lên được gọi là nhiễu đa truy cập. Cơ chế điều khiển công suất được sử dụng trong hệ thống không chỉ cải thiện hiệu suất trong môi trường pha đinh đa đường, mà còn xử lý nhiễu do mỗi người dùng gây ra trong hệ thống. Điều khiển công suất là giải pháp cho vấn đề gần xa, với mục tiêu là có thể truyền được UE linh hoạt để tất cả người dùng nhận bởi NodeB sẽ có năng lượng tương đương. Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) đã xác định các mục tiêu 3G dưới dạng các yêu cầu IMT-2000. Cơ quan tiêu chuẩn 3GPP được hình thành và tạo ra các thông số cụ thể để hỗ trợ các triển khai đáp ứng các yêu cầu của ITU. Hệ thống tế bào 3G tiếp tục sử dụng phổ tần được cấp phép. Khái niệm các tế bào nhỏ đã được giới thiệu trong tiêu chuẩn và được gọi là HomeNB. Sự kết hợp sóng mang (CA) là một mầm mống đã có từ hệ thống 3G như một phương pháp để phát triển và hỗ trợ tốc độ dữ liệu người dùng cao hơn. Mầm mống này đã phát triển và hiện đang mang lại lợi ích cho các hệ thống 4G hiện đại. Ghép kênh không gian nhiều đầu vào và nhiều đầu ra (MIMO) cũng
14 là một mầm mống được đưa vào 3G trong đó nhiều luồng hoặc lớp được truyền đến người dùng (với yêu cầu về hạng ma trận kênh được cung cấp là phù hợp). Điều chế bậc cao (HOM) cũng được chuẩn hóa, chuyển đổi từ 16- QAM sang 256-QAM trong hệ thống tế bào di động mặt đất là rất mới ở thời điểm này. Hình 1.6. Sơ đồ khối máy thu Rake WCDMA 3G. Một ví dụ về máy thu RAKE, được thiết kế để chống lại các ảnh hưởng của pha đinh đa đường, sử dụng để thu tín hiệu đường xuống WCDMA được thể hiện trong Hình 1.6. Tham số thiết kế chính của hệ thống WCDMA là có băng thông truyền lớn hơn băng thông kết hợp của kênh không dây cho phép sử dụng đa đường (hoặc tiếng vọng) để khai thác sự phân tán thời gian của kênh. Máy thu RAKE bao gồm N nhánh để theo dõi đa đường và giải điều
15 chế các dạng sóng tương ứng. Mỗi nhánh được giả định để giải điều chế kênh hoa tiêu chung (CPICH) hỗ trợ ước lượng kênh. Độ phức tạp của máy thu tăng tuyến tính với tốc độ dữ liệu, sơ đồ điều chế được sử dụng và số lượng anten được hỗ trợ. Trong tiêu chuẩn WCDMA, cả hai chế độ song công FDD và TDD đều được cung cấp cho phổ ghép và không ghép đôi. Để hỗ trợ quy trình xử lí tín hiệu số của máy thu, cả các symbol hoa tiêu chuyên dụng và chung đã được chèn vào dạng sóng. Một sự thay đổi hoàn toàn từ bộ tách sóng không kết hợp sang bộ tách sóng kết hợp đã được công nhận bởi ngành công nghiệp tế bào. Kiến trúc mạng WCDMA 3G được thể hiện trong Hình 1.7. NodeB đã thay thế các chức năng của BTS và bộ điều khiển mạng vô tuyến (RNC) đã thay thế các chức năng BSC. WCDMA còn được gọi là hệ thống điện thoại di động vạn năng (UMTS). Mạng truy cập vô tuyến mặt đất UMTS (UTRAN) bao gồm các nhóm NodeB và RNC. Hình 1.7. Sơ đồ khối kiến trúc mạng WCDMA 3G. Các tiêu chuẩn tế bào 3G triển khai trên toàn cầu được liệt kê dưới đây. Lưu ý rằng một tiêu chuẩn di động toàn cầu không tồn tại. WCDMA (còn gọi là UMTS)  Điều chế số (QPSK, 16-QAM, 64-QAM, v.v.), song công FDD/TDD  Băng thông kênh = 5 MHz (với tốc độ chip = 3.84 Mcps)  Độ dài khung = 10 ms
16  Độ dài khe thời gian = 0.667 ms (15 khe thời gian/khung)  Tốc độ dữ liệu lên tới 1 Mbps  Được xác định bởi tiêu chuẩn 3GPP. CDMA2000  Điều chế số (QPSK, 16-QAM, 64-QAM), song công FDD  Băng thông kênh = 1.25 MHz x 3  Độ dài khung = 10 ms  Độ dài khe thời gian = 0.667 ms (15 khe thời gian/khung)  Tốc độ dữ liệu lên tới 1 Mbps  Được xác định theo tiêu chuẩn 3GPP2. Hình 1.8. Sơ đồ khối máy phát đường xuống WCDMA. Một sơ đồ khối chức năng bậc cao WCDMA của máy phát đường xuống và máy phát đường lên được thể hiện trong Hình 1.8 và Hình 1.9. Mỗi tế bào có một mã xáo trộn duy nhất, trong đó các mã lan truyền giống nhau (hệ số lan truyền biến đổi trực giao (OVSF)) được tái sử dụng trong mỗi tế bào. Các mã xáo trộn cũng được gọi là các mã kênh. Sự khác biệt là đường lên cũng sử dụng ghép kênh cầu phương giữa các kênh I và Q. Hệ thống tế bào WCDMA đã phát triển thành truy cập gói tốc độ cao (HSPA) bao gồm cả các thành phần đường xuống (HSDPA) và đường lên (HSUPA). HSPA được tạo ra do yêu cầu cần có một cách hiệu quả để cung cấp các dịch vụ gói.
17 Hình 1.9. Sơ đồ khối máy phát đường lên WCDMA. HSPA đã giới thiệu khái niệm kênh chia sẻ, mã hóa và điều chế có khả năng thích ứng (AMC) hỗ trợ yêu cầu phát lại tự động lai (HARQ). Ngoài ra trong HSPA: Toàn bộ dải tần số đã được sử dụng (tái sử dụng tần số không lớn hơn 1 lần). Người dùng được lập lịch trên khe thời gian (được gọi là khoảng thời gian truyền (TTI) với thời lượng 2 ms) và sử dụng mã PN làm tài nguyên vật lý. Khái niệm tăng cường kiến trúc mạng đã được giới thiệu để hỗ trợ truyền thông có độ trễ thấp. Hình 1.10. Sơ đồ khối máy phát HSDPA. Sơ đồ khối HSDPA được thể hiện trong Hình 1.10. Mỗi gói người dùng được bảo vệ và truyền đến UE, một xác nhận (ACK) được dự kiến sẽ đảm bảo liên lạc không xảy ra lỗi. Trong trường hợp có xác nhận tiêu cực
18 (NACK), bộ lập lịch sẽ quyết định kết hợp mã hóa, điều chế và tài nguyên vật lý nào nên được sử dụng để tăng khả năng thông tin mà không có lỗi. Sơ đồ khối kiến trúc mạng HSDPA 3G được thể hiện trong Hình 1.11. Một số chức năng (được tô đậm trong sơ đồ) trước đây được thực hiện trong RNC giờ đây được thực hiện gần với cạnh của mạng truy cập trong NodeB, hỗ trợ giải pháp tăng cường mạng. Hình 1.11. Sơ đồ khối kiến trúc mạng HSDPA. Việc phát triển WCDMA tiếp tục trở thành mối quan tâm lớn đối với các nhà thiết kế hệ thống tế bào. Mọi công cụ đã biết đều được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu người dùng. HOM đã được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu trong phạm vi băng thông cho phép. Ghép kênh không gian MIMO được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu trong phạm vi băng thông cho phép. Băng thông cũng được tăng lên dưới dạng các sóng mang kết hợp để tăng tốc độ dữ liệu, tuy nhiên hiệu quả phổ vẫn không thay đổi. Hệ thống WCDMA gốc đã sử dụng máy thu RAKE hoạt động tốt hơn khi mức tăng xử lý lớn hơn thay vì nhỏ hơn. Hệ số mở rộng băng thông (hoạt động truyền tín hiệu) cùng với tốc độ dữ liệu người dùng cao như mong muốn đã hạn chế hệ thống WCDMA thông thường phát triển thêm.
19 1.2.5 Các hệ thống tế bào thế hệ thứ tư Hệ thống tế bào số thế hệ thứ tư (4G) này được tạo ra để hỗ trợ dung lượng hệ thống và sự mong muốn về tốc độ dữ liệu. Đòi hỏi nhiều tốc độ dữ liệu cao hơn để cho phép truy cập Internet và ứng dụng video di động. Sự phát triển dài hạn (LTE) còn được gọi là 4G và chỉ hỗ trợ kết nối mạng dựa trên PS. Tiêu chuẩn cũng đang phát triển để sử dụng các tùy chọn phổ được cấp phép, phổ không được cấp phép và phổ được chia sẻ với tất cả mục tiêu chung là tăng tốc độ dữ liệu người dùng, tăng dung lượng hệ thống, giảm độ trễ và cải thiện trải nghiệm của người dùng. ITU xác định các mục tiêu 4G dưới dạng các yêu cầu IMT-2010. Tại thời điểm mà mạng tế bào phát triển, ngành công nghiệp đã hội tụ một tiêu chuẩn duy nhất là LTE. Hệ thống tế bào LTE dựa trên OFDMA trong đó TTI đã giảm từ 2 ms (được sử dụng trong hệ thống tế bào 3G) xuống còn 1 ms. Việc giảm TTI này đã cải thiện hiệu suất bằng cách có thể thích ứng nhanh hơn với việc thay đổi các điều kiện kênh, do đó có thể sử dụng nhiều thuật toán để lập lịch hiệu quả hơn. Việc giảm TTI cũng làm giảm độ trễ từ đầu đến cuối. Các tùy chọn băng thông tần số cũng đã tăng: 1.4, 3, 5, 10, 15 và 20 MHz để cung cấp các triển khai băng thông linh hoạt. Để hỗ trợ hiệu quả cho đa truy cập FDMA, OFDMA (thông qua biến đổi Fourier nhanh ngược (IFFT) và các hoạt động biến đổi Fourier nhanh FFT) đã được sử dụng để chia dải tần số thành các kênh phụ (hoặc sóng mang con) với khoảng cách 15 kHz. Để giữ độ phức tạp xử lý tín hiệu thu ở mức tối thiểu để khoảng cách giữa sóng mang con nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh không dây. Để cung cấp dịch vụ tốc độ dữ liệu cao hơn, sự hỗ trợ của MIMO là bắt buộc để làm phù hợp nhiều lớp thông qua ghép kênh không gian. Với hệ thống TDMA, tốc độ dữ liệu tăng (hoặc giảm thời gian symbol) đã khiến máy thu sử dụng bộ cân bằng để loại bỏ nhiễu xuyên kênh (ISI). Tốc độ dữ liệu cao hơn, điều chế bậc cao hơn và độ trễ lan truyền dài hơn gây ra độ phức tạp của bộ cân bằng tăng đáng kể. Với hệ thống WCDMA, tốc độ dữ liệu
20 tăng (hoặc giảm thời gian chip) buộc máy thu phải sử dụng sự phân tán thời gian của kênh không dây nhưng yêu cầu mức tăng xử lý lớn để chống lại ISI. Với WCDMA, động lực là có băng thông truyền lớn hơn băng thông kết hợp của kênh không dây; tuy nhiên điều ngược lại vẫn đúng đối với OFDM. OFDM giải quyết nhu cầu tốc độ dữ liệu cao hơn bằng cách tạo ra nhiều kênh băng hẹp, trong đó mỗi kênh băng hẹp có thể coi là bị nhiễu san phẳng tần số. Điều này cho phép xử lý tín hiệu ở miền tần số, biến OFDM thành một kỹ thuật đa sóng mang rất hiệu quả để giảm thiểu môi trường pha đinh chọn lọc tần số. Hình 1.12. Sự biểu diễn thời gian/tần số của tín hiệu OFDM cho LTE. Trong OFDMA, các người dùng được ghép kênh ở cả miền tần số và thời gian, Hình 1.12. Trên giao diện vô tuyến LTE, thành phần của sự phân bổ là một khối tài nguyên vật lý (PRB). Mỗi PRB gồm 12 sóng mang con với 7 symbol OFDM tương đương với 84 symbol điều chế. Phân bổ tối thiểu cho một UE riêng lẻ trong một khung con (1 ms) là 2 PRB với một PRB trong mỗi khe của khung con. Do đó một UE sẽ nhận được tổng cộng 2 PRB/khung con tương đương với 168 symbol điều chế/khung con. Lưu ý rằng không phải tất cả 168 symbol điều chế này có thể được sử dụng để truyền thông tin người dùng, nhưng một số symbol điều chế này được sử dụng để đồng bộ hoặc làm hoa tiêu cho sự đánh giá kênh. Mỗi PRB chứa 12 sóng mang con, do đó có băng thông 12×15 kHz = 180 kHz. Hình 1.12 thể hiện 2 PRB (2 × 7symbol × 12 sóng mang con). Giả sử điều chế QPSK có bốn symbol khác nhau được biểu thị bằng bốn màu
21 khác nhau. Mỗi màu đại diện cho một phần tử tài nguyên (RE) và mang hai bit với điều chế QPSK. Một sơ đồ khối cung cấp một ví dụ về việc tạo dạng sóng OFDMA được thể hiện trong Hình 1.13. Chúng ta cũng nêu ra các điểm khác nhau trên chuỗi xử lý có thể ảnh hưởng thường xuyên đến hiệu suất hệ thống. Số lượng sóng mang con (SC) có tác động trực tiếp đến tốc độ dữ liệu và dung lượng người dùng của hệ thống. Từ góc độ hệ thống, giá trị này phải càng lớn càng tốt, tuy nhiên băng thông chiếm dụng cần phải được kiểm soát thông qua chức năng định hình phổ. Công suất đỉnh của symbol OFDM trên công suất trung bình cũng tác động đến băng thông chiếm dụng và tác động đến việc đáp ứng các yêu cầu tuyến tính để giảm thiểu bất kỳ sự tăng phổ. Ngoài ra việc bổ sung của tiền tố tuần hoàn (CP) sẽ loại bỏ ISI khỏi kênh không dây. Khoảng thời gian CP phải đủ lớn để vượt quá độ dài của phân tán thời gian kênh không dây, nhưng cũng phải nhỏ nhất để có thể tối đa hóa thông tin dữ liệu người dùng trong suốt thời gian của khung con. Hình 1.13. Sự hình thành dạng sóng OFDMA với k sóng mang con. Có một số nhược điểm nhất định của OFDM cần được khắc phục trong các hệ thống trong tương lai, chẳng hạn như: Chi phí CP: Nhu cầu cho việc thêm CP gây ra độ dư cho việc truyền và do đó dẫn đến mất hiệu quả phổ. Tổn thất này lớn hơn khi sử dụng CP dài hoặc khi khoảng cách giữa sóng mang con nhỏ.
22 Độ nhạy đối với lệch tần số và thời gian: Để giữ tính trực giao trong OFDM, máy phát và máy thu phải có cùng tần số tham chiếu. Bất kỳ lệch tần số nào làm hỏng tính trực giao, gây rò rỉ sóng mang con được gọi là nhiễu sóng mang con (ICI). Phát xạ ngoài băng tần cao (OOB): OFDM giả định xung hình chữ nhật trong miền thời gian tương đương với hàm sinc trong miền tần số có băng thông vô hạn về mặt lý thuyết và gây ra sự phát xạ (OOB) tương đối cao. Việc thiếu tạo dạng phổ (hoặc lọc hoặc xử lý cửa sổ) đang tạo ra các thùy bên phổ lớn trong phổ truyền. Tỷ lệ công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao: Đường bao của dạng sóng OFDM có sự thay đổi lớn gây ra sự cố khi gặp thiết bị phi tuyến như bộ khuếch đại công suất phát. PAPR cao trong OFDM so với kỹ thuật truyền sóng mang đơn là do sự kết hợp của nhiều sóng mang con riêng lẻ với các pha khác nhau có thể dẫn đến PAPR cao khi được kết hợp lại. Hình 1.14. Sơ đồ khối kiến trúc mạng LTE 4G. Các thùy bên phổ có công suất tương đối cao do hình dạng hình chữ nhật giả định. Các thùy bên cao yêu cầu một dải bảo vệ lớn để giảm nhiễu ngoài dải. Áp dụng các kỹ thuật định hình phổ, chẳng hạn như đa sóng mang dựa trên dàn bộ lọc, đa sóng mang lọc vạn năng, v.v. sẽ giúp giảm thùy bên. Mối quan tâm công suất đỉnh trên công suất trung bình của OFDM có thể được xem như là một tổng có trọng số của các đường hình sin giúp giải thích PAPR lớn của symbol OFDM được tạo ra (cao tới 12 dB). PAPR cao có thể có
23 vấn đề nếu gặp dạng sóng phi tuyến. Việc giảm yếu tố đỉnh là một kỹ thuật được sử dụng để giảm PAPR và bù cho méo phi tuyến là méo trước dạng số. Dạng sóng đường lên LTE sử dụng phương pháp FDMA sóng mang đơn (SC-FDMA) để giảm tác động của PAPR trên các thiết bị di động. Cuối cùng, để giảm thiểu ISI và cung cấp thuộc tính của tích chập tuần hoàn, một phần nhỏ của phần cuối của mỗi symbol được thêm vào đầu của mỗi symbol OFDM được phát. Kích thước CP phụ thuộc vào độ trễ lan truyền và việc LTE sử dụng CP ngắn và dài. Đối với LTE, CP ngắn có giá trị là 4.7 µs , xấp xỉ 8% tổng thời gian symbol. Nói chung, nếu trong một triển khai cụ thể dự kiến không có sự phân tán độ trễ lớn thì nên sử dụng CP thời gian ngắn hơn hoặc rút ngắn. Sơ đồ khối kiến trúc mạng 4G LTE được thể hiện trong Hình 1.14. Lưu ý rằng bây giờ chúng ta có một tiêu chuẩn di động toàn cầu duy nhất. Lõi gói tiến hóa (EPC) đã thay thế các chức năng mạng lõi (CN) và eNodeB đã thay thế các chức năng NodeB. EUTRAN bao gồm các nhóm eNodeB và EPC. Kết nối EUTRAN đến EPC bao gồm cả tín hiệu mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng. Đây là khởi đầu của nỗ lực phân tách các nhánh điều khiển và người dùng để cho phép các tốc độ phát triển khác nhau và các trường hợp/tùy chọn triển khai mạng. Hình 1.15. Nét nổi bật của 3GPP.
24 Trong LTE, SCS được đặt thành 15 kHz, có nghĩa là thời lượng symbol OFDM là 66.67 µs. Có 14 symbol dữ liệu trên mỗi khe thời gian (1 ms) và mỗi symbol OFDM yêu cầu một CP, kết quả là tương đương 15 symbol (dữ liệu + CP) trong một khe thời gian. Kích thước FFT lớn nhất là 2048 tạo ra tần số lấy mẫu là 30.72M mẫu/giây. Dưới đây chúng ta liệt kê một số tính năng LTE trong lịch phát hành của cơ quan tiêu chuẩn 3GPP. Tốc độ dữ liệu tăng lên khi sử dụng HOM, MIMO và CA Các tính năng mới được thêm vào: DC, V2X, IoT, D2D, v.v. Công nghệ tiên tiến để hỗ trợ việc cải thiện hiệu suất: đa điểm phối hợp (CoMP), giảm độ trễ, tạo búp sóng Sự linh hoạt của RAT và phổ tần: được cấp phép, chia sẻ, không được cấp phép và sự kết hợp LTE-WiFi. Như đã thảo luận trước đó, một số mầm mống được tạo ra trong hệ thống tế bào 3G để đánh giá thuận lợi việc chúng sẽ trở thành thế hệ sau như thế nào. Ví dụ, hiệu quả kết hợp sóng mang và MIMO ngày càng trở nên thiết yếu hơn và HOM thì có hiệu quả. Trên thực tế, cả ba kỹ thuật đã được thử nghiệm thành công và được triển khai thương mại, đòi hỏi chúng đạt được tốc độ dữ liệu lớn hơn 1 Gbps trong LTE. Hình 1.15 cũng cho thấy sự phát triển hệ thống tế bào để tăng tốc độ dữ liệu, tăng dung lượng người dùng và giảm độ trễ. Xu hướng mới này cho thấy rõ việc bổ sung các dịch vụ mới (hoặc tính năng, các trường hợp sử dụng) bắt buộc khi nhu cầu xã hội ngày càng tăng. Các dịch vụ mới này không thực sự được giải quyết khi 4G xuất hiện vào năm 2006. Sự phổ biến của các dịch vụ dự kiến mới này đang tăng rất nhanh (được thể hiện trong Hình 1.3). Mạng này cũng đang trải qua sự phát triển của riêng nó. Mạng kết nối phần mềm (SDN) và “mặt sóng” dựa vào sự ảo hóa chức năng mạng (NFV) đã tách khỏi trung tâm dữ liệu, đi qua mạng lõi và vào mạng truy cập không dây. Các tải CN và RAN này đã bắt đầu được triển khai trên nền tảng dựa trên CPU mục đích chung và đồng nhất (thay vì logic chuyên dụng truyền thống + bộ xử lý tín
25 hiệu số + phương pháp vi điều khiển). Điều này đã tạo điệu kiện cho sự phát triển của RAN trên nền tảng đám mây sử dụng lợi ích của ngành công nghệ thông tin và truyền thông (CNTT-TT). 4G sẽ triển khai các công nghệ này và khi chúng thành công thì dự kiến 5G sẽ là một bản nâng cấp mạng. 1.3 Kết luận chương 1 Trong chương 1: “Giới thiệu về thông tin di động tế bào” đã đề cập đến nhiều vấn đề về lịch sử phát triển, quá trình hình thành của hệ thống thông tin di động từ 1G đến 4G với các công nghệ đa truy cập như là FDMA, TDMA, CDMA đã áp dụng của các thế hệ trước. Cũng như các ưu điểm và nhược điểm của các hệ thống thông tin di động từ 1G đến 4G. Đây cũng là cơ hội và thách thức đặt ra cho hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo. Qua đó giúp em hiểu thêm, nắm bắt những vấn đề cơ bản, cốt lõi trọng tâm nhất của hệ thống thông tin di động làm tiền đề để tìm hiểu, nghiên cứu cho các hệ thống sau này.
26 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G 2.1 Sơ đồ kiến trúc mạng của 5G Sơ đồ khối kiến trúc mạng của thế hệ thứ 5 (5G) của mạng tế bào được thể hiện trong Hình 2.1. Lõi 5G (5GC) thay thế EPC, mạng truy cập vô tuyến thế hệ tiếp theo (NG-RAN) bao gồm nhóm đơn vị phân tán (DU) và nhóm đơn vị tập trung (CU), gNodeB thay thế eNodeB. Như chúng ta sẽ thảo luận, việc cung cấp một kiến trúc mạng khả thi và có thể mở rộng là cần thiết cho 5G. Trong phần này, sự kết hợp giữa DU và CU được giới thiệu để hỗ trợ các tùy chọn phân tách RAN khác nhau để đưa ra các lợi ích ở trên. Các phần tử 5GC bao gồm: Chức năng quản lý truy cập và di động (AMF): thực hiện mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn, quản lý di động, xác thực và ủy quyền, v.v. Chức năng quản lý phiên (SMF): thực hiện phân bổ và quản lý địa chỉ IP UE, lựa chọn và kiểm soát UPF, chuyển vùng, v.v. Quản lý dữ liệu thống nhất (UDM): thực hiện quản lý thuê bao, dữ liệu người dùng, đăng ký và quản lý di động, v.v. Hình 2.1. Sơ đồ khối kiến trúc mạng 5G. Chức năng kiểm soát chính sách (PCF): thực hiện các quy tắc chính sách cho các chức năng CP, v.v. Chức năng ứng dụng (AF): tương tác với khung chính sách để kiểm soát chính sách, v.v.
27 Chức năng mặt phẳng người dùng (UPF): thực hiện kết nối bên ngoài với mạng dữ liệu, xử lý QoS của UP, v.v. 2.2 Động lực của 5G Các hệ thống mạng tế bào 5G cần tăng cường các tính năng và hiệu suất thông qua LTE vì không muốn các cải thiện gia tăng làm cho các nhà khai thác đầu tư vốn phải cam kết triển khai các dịch vụ 5G. Điều quan trọng cần lưu ý là chúng ta đã duy trì một tiêu chuẩn di động toàn cầu duy nhất. Các động lực của 5G là: Tốc độ dữ liệu người dùng tăng Tăng dung lượng hệ thống Số lượng lớn các kết nối Giảm độ trễ từ đầu đến cuối Hỗn hợp dịch vụ không đồng nhất Triển khai băng thông linh hoạt Sự linh hoạt của mạng Di chuyển đến các giao tiếp hiệu quả hơn về năng lượng. ITU đã cung cấp các mục tiêu 5G dưới dạng các yêu cầu IMT-2020, chúng được thể hiện trong bảng 2.1. NR 5G hỗ trợ cả hai trường hợp triển khai độc lập và không độc lập. Việc triển khai NSA sẽ sử dụng LTE để cung cấp vùng phủ sóng rộng, với việc mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu và kết nối với EPC đang phát triển. Các dịch vụ 5G sẽ cung cấp dữ liệu tốc độ cao thông qua kết nối kép. Việc triển khai độc lập sẽ cung cấp phân luồng dữ liệu và điều khiển cũng như kết nối với một CN 5G. ITU đã cung cấp sơ đồ thể hiện trong Hình 2.2 để xác định các dịch vụ 5G. Ba trường hợp sử dụng đáng kể (các góc của tam giác) là các công dụng dự kiến của 5G trong tương lai: Băng rộng di động tăng cường (eMBB) Liên lạc kiểu máy với số lượng lớn (mMTC) Thông tin với độ trễ thấp và cực kỳ tin cậy (URLLC).
28 Các trường hợp sử dụng 5G bao gồm nhà thông minh, máy bay không người lái được kết nối, năng lượng được kết nối, ô tô tự lái, thực tế ảo/trò chơi thực tế tăng cường thời gian thực, v.v. Việc giới thiệu các kỹ thuật độ trễ thấp đã bắt đầu trong LTE để hỗ trợ việc chuyển đổi mạng chuẩn bị cho các dịch vụ 5G khác nhau. Hệ thống mạng tế bào 5G dự kiến sẽ hỗ trợ các trường hợp sử dụng này bằng cách sử dụng các công nghệ sau: Sự triển khai phổ linh hoạt: phổ được cấp phép, không được cấp phép và chia sẻ, băng thông lớn hơn và liền kề, đa RAT, v.v. Hình 2.2. Các kịch bản sử dụng của IMT-2020. Bộ số liệu linh hoạt: Hỗ trợ nhiều trường hợp sử dụng và sự triển khai phổ tần (băng tần dưới và trên 6 GHz), các khe thời gian linh hoạt và băng thông truyền tải rộng, v.v. Kiến trúc mạng được cải thiện: hỗ trợ xu hướng đám mây của ngành CNTT, SDN/NFV, lát cắt mạng, việc tính toán cạnh đa truy cập, độ trễ thấp hơn, v.v.
29 Bảng 2.1: Sự so sánh của các yêu cầu IMT-2010 và IMT-2020. Tiêu chí hệ thống IMT-2010 IMT-2020 Chú thích Tốc độ dữ liệu đạt được Tốc độ dữ liệu DL: 1 Gbps DL: 20 Gbps lớn nhất dưới các điều đỉnh UL: 0.5 Gbps UL: 10 Gbps kiện lý tưởng Dung lượng lưu Tổng lưu lượng cung lượng khu vực 0.1 10 cấp cho mỗi khu vực (Mbps/m2) địa lý Hiệu suất năng Số lượng bit thông tin lượng mạng 1x 100x (ít hơn) cho mỗi đơn vị của sự (bit/Joule) tiêu thụ năng lượng Mật độ kết nối Tổng số thiết bị kết nối 104 106 (thiết bị/km2) trên mỗi khu vực đơn vị Thời gian từ khi bắt đầu gửi một gói dữ liệu đến Độ trễ (ms) 10 1 khi nhận được tại đích (một đường từ đầu đến cuối). Tính lưu động Tốc độ lớn nhất mà một 350 500 (kmph) QoS có thể đạt được Thông lượng dữ liệu Hiệu suất phổ trung bình trên mỗi đơn 1x 3x (nhiều hơn) (bps/Hz) vị của phổ và cho mỗi tế bào Tốc độ dữ liệu Tốc độ dữ liệu đạt được người dùng mong 10 100 ở khắp nơi qua khu vực đợi (Mbps) bao phủ Điều chế và mã hóa: Điều chế QAM tiếp tục cung cấp một sự thỏa hiệp hiệu quả phổ tần và công suất có giá cả hợp lý, mã phân cực và các mã sửa lỗi thuận khác, v.v. Các kỹ thuật tiên tiến: NOMA, song công, định hình phổ tần 2.3 Các công nghệ của 5G Dự kiến sẽ được thương mại hóa vào khoảng thời gian 2019/2020, mạng di động 5G đang tiếp cận và phát triển mạnh mẽ. So với các mạng di động 4G hiện nay, mạng 5G dự kiến sẽ hỗ trợ dung lượng hệ thống khổng lồ, độ trễ ít hơn
30 nhiều và khoảng 1000 lần thiết bị trên mỗi km2. Để đáp ứng các yêu cầu này, một số công nghệ mới đã được đưa ra và đang phát triển cho mạng 5G. Các công nghệ này là: massive MIMO, mạng được định nghĩa bằng phần mềm, sóng mm, mạng truy cập vô tuyến đám mây (RAN), đa truy cập không trực giao, kỹ thuật thông tin M2M, điện toán cạnh di động, bộ nhớ đệm không dây, mạng cực kỳ dày đặc và giao tiếp song công. Tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu một số công nghệ này. 2.3.1 Massive MIMO Khi tìm hiểu về massive MIMO, chúng ta sẽ giải quyết thuật ngữ đầu tiên. Nó được sử dụng để biểu thị số lượng lớn các phần tử ăng ten được sử dụng trong xử lý tín hiệu ăng ten. Số lượng ăng ten phải lớn hơn 64 phần tử. Massive MIMO dựa vào định luật về số lớn để đảm bảo các nhược điểm của kênh và phần cứng (ví dụ: nhiễu, pha đinh và phần cứng) ở mức trung bình khi các tín hiệu từ một số lượng lớn ăng ten được kết hợp vô tuyến với nhau. Nhiều ăng ten đủ khả năng sử dụng hai tùy chọn: Đầu tiên là cung cấp tăng ích mảng bằng cách tập trung năng lượng theo hướng mong muốn và vô hiệu hóa theo hướng tín hiệu không mong muốn (tạo thành chùm). Thứ hai, là cung cấp mức tăng ghép kênh không gian bằng cách gửi các luồng dữ liệu độc lập trên mỗi ăng ten. Kỹ thuật này có thể được sử dụng để tăng tốc độ dữ liệu của người dùng hoặc hệ thống. Cả hai tùy chọn được thể hiện trong Hình 2.3. Hình 2.3. Các ví dụ về massive MIMO: ghép kênh không gian (bên trái) và chùm tia đơn/đa người dùng. Đầu tiên, hãy xem xét sử dụng massive MIMO cho tạo búp sóng, các mảng ăng ten có thể được sắp xếp theo các mảng tuyến tính, hình chữ nhật hoặc hình
31 tròn cũng có thể được xếp chồng lên nhau. Massive MIMO sẽ được triển khai cho 4G và 5G. Trong thực tế, các dải tần số cao dẫn đến các mảng ăng ten quy mô lớn, nhỏ gọn do bước sóng nhỏ hơn. Massive MIMO có thể được triển khai theo các phương pháp song công FDD hoặc TDD, các hệ thống TDD cho phép người dùng sử dụng định lý tương hỗ để áp dụng những thứ quan sát được trên UL vào DL. Tiếp theo, là việc xem xét sử dụng massive MIMO cho ghép kênh không gian đã được sử dụng rộng rãi cho 4G và sẽ tiếp tục triển khai cho 5G. Có thể ghép kênh không gian với yêu cầu là hạng của ma trận kênh giữa anten phát và thu lớn hơn 1. Trên thực tế, đối với hệ thống MIMO 4 × 4, chỉ có thể quan sát toàn bộ công suất nếu hạng ma trận kênh đầy đủ (trong trường hợp này là 4). Do sự hiệu quả của ghép kênh không gian trong LTE, sẽ hợp lý khi nó vẫn tiếp tục được sử dụng trong 5G ở quy mô lớn hơn. Điều này là đúng; tuy nhiên, đi kèm với đó là một thách thức. Kích thước MIMO càng lớn thì càng ít có khả năng trải nghiệm hạng đầy đủ. Điều này có nghĩa là thiết kế một mảng MIMO 256 × 256 và mong muốn gửi 256 lớp cho một người dùng, tất cả thời gian là một điều khó khăn khi thực hiện. Đây là một trong những lý do 5G đã giới hạn số lượng lớp DL trên mỗi người dùng là 8. Độ phức tạp triển khai liên quan đến việc triển khai massive MIMO trong miền số có ý nghĩa. Chùm tia lai đã được đưa ra để cung cấp một sự thỏa hiệp về hiệu suất/khả năng với độ phức tạp. Điều này mang đến một câu hỏi: Giả sử số lớp tối đa là 8 thì có thể làm gì với các mức độ tự do còn lại? Một số có thể được sử dụng để tạo (hoặc định hình) chùm và một số được sử dụng để ghép kênh người dùng khác qua mảng ăng ten. Và được gọi là MIMO nhiều người dùng (MU-MIMO). Ở đây, nhiều người dùng truyền tải và truyền dẫn các tập hợp của họ được xử lý như là họ đến từ một nguồn ghép kênh duy nhất. Các trọng số chùm tia có thể tạo ra một chùm tia theo phương vị và hướng độ cao. Khi xem xét chùm tia, tăng ích mảng có thể được sử dụng theo nhiều cách khác nhau. Nó có thể được sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng, giảm công suất
32 phát của các thiết bị trên UL, cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu trên nhiễu tạp âm (SINR) dẫn đến thông lượng người dùng cao và giảm công suất truyền trên DL do đó cải thiện hiệu quả công suất trên toàn bộ. Số lượng phần tử ăng ten cần thiết phụ thuộc vào một vài yếu tố: Tăng ích của mảng (vùng phủ sóng, giảm công suất, v.v.) Các lớp ghép kênh cần thiết Nhiều người dùng dự kiến sẽ được phục vụ Dải tần số được sử dụng Độ phức tạp xử lý tín hiệu (ước tính CSI, tương tự so với miền số, v.v.) Tăng hiệu suất hệ thống (SINR, dung lượng, tốc độ dữ liệu, v.v.). Một trong những lợi ích của việc sử dụng nhiều kỹ thuật ăng ten là sự giảm đáng kể trong sự thay đổi kênh. Điều này rất quan trọng trong việc chống lại pha đinh đa đường và để làm giảm đáng kể các thay đổi của kênh cần ít nhất 64 ăng ten trong mảng ăng ten. Nhiều trường hợp triển khai 5G được đưa ra bởi 3GPP có các trường hợp sử dụng khác nhau cho các dịch vụ eMBB, uRLLC và mMTC. Trong các trường hợp triển khai này, số lượng ăng ten DL và UL tối đa được tìm hiểu là 256 và 32. 2.3.2 Kết nối mạng bằng phần mềm Các chức năng mạng ảo (NFV) và kết nối mạng bằng phần mềm (SDN) đang hỗ trợ việc chuyển sang mạng tập trung vào phần mềm. Các khả năng này cung cấp những cải tiến kỹ thuật thiết thực (ở dạng hiệu suất hệ thống) và tài chính (ở dạng CAPEX và OPEX) cho các nhà mạng. Sự phát triển này cung cấp cho các nhà khai thác mạng những lợi ích to lớn như: một phương tiện dễ quản lý hơn để giám sát mạng, hỗ trợ tốt hơn cho các tính năng mới, sự di chuyển của mạng, v.v. Tuy nhiên, nó cũng mở ra cơ hội cho những người chơi thị trường mới (như gã khổng lồ dịch vụ Internet, nhà cung cấp dịch vụ cáp, v.v.) những người muốn thiết lập sự hiện diện của mạng không dây. Việc áp dụng ban đầu là ảo hóa các chức năng quan trọng ít thời gian hơn, chẳng hạn như trong EPC (còn gọi là vEPC) và sau đó chuyển xuống ngăn xếp phần mềm giao thức về phía lớp vật lý.
33 Việc chuyển sang SDN cho phép các nhà khai thác mạng trở nên chủ động trong việc triển khai các trường hợp sử dụng khác nhau. Một lợi ích được gọi là lát cắt mạng. Ở đó, mạng sẽ có thể tự động kết hợp các chức năng truy cập và các chức năng mạng lõi cần thiết để đáp ứng các yêu cầu ở trường hợp sử dụng cụ thể (độ trễ, băng thông, v.v.). Một xu hướng đã bắt đầu trong 4G khi có một bộ dịch vụ đa dạng đã xuất hiện và 3GPP đang giải quyết nhu cầu này như là một phần của sự phát triển của LTE. Chúng ta mong muốn nhu cầu này sẽ tăng và tiếp tục tạo ra các yêu cầu đa dạng hơn. Kiến trúc mạng LTE (theo khái niệm của nó) được gọi là đơn khối và cần phải linh hoạt hơn và có thể mở rộng khi giới thiệu dịch vụ 5G. Lát cắt mạng là một kỹ thuật được đề xuất để hỗ trợ các trường hợp sử dụng rộng rãi này. Lát cắt mạng tạo ra các kiến trúc mạng ảo dựa trên các nguyên tắc SDN và NFV. Các mạng ảo (hoặc lát) này được tạo ở trên hạ tầng vật lý được chia sẻ chung và có thể được tối ưu hóa để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng, các dịch vụ hoặc các nhà khai thác. Các mạng ảo bao gồm một tập hợp các chức năng mạng được khởi tạo để cung cấp một mạng logic (hoặc ảo) hoàn chỉnh từ đầu đến cuối để đáp ứng các yêu cầu hiệu suất được đặt ra. Ví dụ, kỹ thuật thông tin mMTC phụ thuộc vào dung lượng người dùng và không cần độ trễ phải thấp, trong khi xe tự lái phụ thuộc vào độ trễ thấp và không cần phải yêu cầu dịch vụ eMBB thông lượng cao nhất. Mạng đường trục Hình 2.4. Ví dụ về một phần mạng hỗ trợ dịch vụ uR-LLC, eMBB và mMTC. Hình 2.4 cung cấp ví dụ sơ đồ khối làm thế nào để mạng có thể được cắt để hỗ trợ các dịch vụ 5G khác nhau được đưa ra ở trên.
34 2.3.3 Điện toán cạnh đa truy cập Để hỗ trợ các yêu cầu về độ trễ thấp hơn, chỉ tối ưu hóa trong giao diện vô tuyến 5G là không đủ mà chúng ta cần phải tối ưu hóa mạng. Điện toán cạnh đa truy cập (MEC) là một phương pháp dịch chuyển các chức năng trung tâm của mạng lõi hoặc trung tâm dữ liệu gần với cạnh của mạng (về phía ăng ten), nơi mà dữ liệu sẽ được vận hành theo. Phương pháp này được thể hiện bằng cách sử dụng nguyên tắc dịch chuyển, độ trễ từ đầu đến cuối của người dùng có thể được giảm đáng kể. Ngoài ra, lưu lượng đường trục cũng có thể được giảm đi vì các dung lượng đường trục đã được giảm đáng kể bởi điều này. MEC cho phép khả năng điện toán đám mây nằm trong mạng truy cập gần với các thiết bị người dùng hơn. Điều này cũng được hỗ trợ bởi điện toán sương mù. Cạnh của mạng được coi là ăng ten trong các đầu vô tuyến từ xa (RRH) được kết nối với mạng truy cập vô tuyến (RAN). Có một số lý do để thực hiện tính toán khả năng ở rìa của mạng. Lý do quan trọng nhất là để giảm độ trễ (hoặc độ trễ) mà ứng dụng di động gặp phải khi cố gắng kết nối với máy chủ. Điều này giúp loại bỏ thời gian một gói cần vào mạng không dây trước khi được thực hiện. Máy chủ MEC càng ở gần rìa thì độ trễ mà các ứng dụng gặp phải càng nhỏ. Ví dụ về độ trễ dự kiến là: độ trễ < 1 ms là cần thiết để hỗ trợ robot công nghiệp và ứng dụng lái xe tự động, độ trễ < 10 ms là cần thiết để hỗ trợ các ứng dụng thực tế được tăng cường và độ trễ < 100 ms là cần thiết để hỗ trợ các ứng dụng lái xe được hỗ trợ. Hình 2.5 cho thấy khái niệm phân phối chức năng thường được đặt trong mạng lõi và trung tâm dữ liệu (điện toán đám mây) đến cạnh (điện toán sương mù). Bên cạnh độ trễ ứng dụng thấp hơn, chúng ta cũng có thể thấy được lưu lượng đường trục thấp hơn bằng việc không gửi cùng lúc các gói lớn vào mạng cần xử lý và sau đó gửi tất cả các đường trở lại đến cạnh. MEC sẽ thực hiện chức năng tính toán và lưu trữ với một số mục tiêu của thị trường để triển khai MEC là: Giảm tổng chi phí sở hữu (OPEX và CAPEX)
35 Tăng doanh thu bằng cách cung cấp khả năng tạo ra các dịch vụ mới sử dụng công nghệ mới, chẳng hạn như trí thông minh nhân tạo, mạng phân phối nội dung, v.v. Di chuyển tự nhiên khi ảo hóa tạo ra mạng truy cập (cạnh và sương mù) Cải thiện hiệu suất (độ trễ thấp hơn, giảm lưu lượng tái sinh). Hình 2.5. Sơ đồ mạng thể hiện chức năng điện toán phân tán đối với cạnh. Vậy tại sao các cạnh mạng cần phải ở ăng ten? Chúng ta nên tránh xa các quan điểm đen trắng của mạng/thiết bị (còn được gọi là chế độ xem trung tâm tế bào) sang chế độ xem nhiều màu sắc hơn (còn được gọi là chế độ xem lấy người dùng làm trung tâm) trong đó cạnh bị mờ hơn. Nhiều báo cáo thể hiện là tổng số thiết bị không dây dự kiến sẽ lớn hơn 20B thiết bị trong khoảng thời gian 2025. Chúng ta cần biết rằng số lượng thiết bị đang vượt quá số người trên thế giới. Ngoài ra, do hiệu năng tính toán của các thiết bị (cầm tay, máy tính xách tay, v.v.) ngày càng trở nên phức tạp và có khả năng hơn thì các thiết bị có thể được coi là một phần mở rộng của mạng, hay nói cách khác là cạnh mạng. 2.3.4 Sự phân chia RAN Công nghệ đi đầu được triển khai phổ biến nhất và công nghệ truyền thống dựa trên sợi sử dụng giao thức giao diện vô tuyến chung (CPRI). CPRI mang các mẫu IQ giữa RAN và RRHs. Các khả năng CPRI đang được nhấn mạnh để hỗ trợ sự phát triển của LTE, đặc biệt là khi cần triển khai CA và massive MIMO. Thách thức này là do băng thông lớn hơn được yêu cầu để vận chuyển các mẫu dạng sóng IQ đến RRH và chỉ trở nên phức tạp hơn khi 5G bắt đầu
36 tham gia. Do đó, công nghệ đi đầu thế hệ tiếp theo là cần thiết để hỗ trợ các dịch vụ 5G đang mong đợi. Có một vài giải pháp ở tuyến trước: Một giải pháp là chuẩn hóa một giao thức khác có thể sử dụng các công nghệ băng thông cao hơn như giao thức dựa trên Ethernet (ví dụ: 25, 100 GB) trong khi giải pháp còn lại là sử dụng các tùy chọn phân tách RAN khác nhau (với yêu cầu băng thông thấp hơn). Một vài tùy chọn phân tách RAN tồn tại (được đề xuất bởi 3GPP) có thể làm giảm các yêu cầu băng thông phía trước cũng như độ trễ và hiệu suất lựa chọn một cách có khả năng. Một tùy chọn phân tách RAN vận chuyển các symbol được điều chế là một điểm trong chuỗi xử lý trước khi được chuyển đổi sang miền thời gian bằng hoạt động IFFT ở phía phát. Tốc độ lấy mẫu miền tần số thấp hơn nhiều, do đó cho phép nhiều sự kết hợp nhiều sóng mang-anten hơn. Kỹ thuật này vẫn duy trì khả năng xử lý tập trung để cho phép lập lịch phức tạp hơn giữa các tế bào. Một tùy chọn phân tách RAN khác vận chuyển các gói dữ liệu người dùng, ví dụ các gói PDCP. Các gói này đã được nén và mã hóa và bảo vệ đúng cách để giải quyết bất kỳ vấn đề liên quan bảo mật. Việc này dẫn đến tốc độ dữ liệu thấp hơn nhiều nhưng lại mất khả năng xử lý tập trung. Ngoài việc phân tách các chức năng RAN, các mặt phẳng điều khiển và người dùng đang dịch chuyển để có thể tách rời cho phép tốc độ có thể phát triển riêng biệt, độ trễ thấp hơn và hỗ trợ các trường hợp triển khai mới. Ví dụ, điều này sẽ cung cấp khả năng có một mặt phẳng điều khiển được cung cấp bởi một macrocell LTE diện rộng trong khi mặt phẳng người dùng được cung cấp bởi một tế bào nhỏ 5G. Hệ thống tế bào 5G cũng sẽ dựa trên OFDMA trong đó các khe thời gian được xác định là biến để xử lý các yêu cầu khác nhau trên tất cả các dịch vụ dự kiến. Như đã thấy trong 4G, phổ tần là cực kỳ quan trọng để cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn. Các tham số OFDMA (khoảng cách giữa sóng mang con, độ dài khe thời gian, kích thước IFFT/FFT, v.v.) đã được tạo ra để có thể hỗ trợ các triển khai phổ tần khác nhau.
37 2.4 Dải sóng mm và phổ tần 5G LTE có băng thông tối đa 20 MHz do tốc độ dữ liệu người dùng được thảo luận trước đây đã tăng lên với việc sử dụng các lớp không gian HOM, MIMO và kỹ thuật CA. Mặc dù các giải pháp hiện tại hỗ trợ tới 5 CA, điều nổi bật ở đây là các thông số kỹ thuật LTE 3GPP có thể hỗ trợ tới 32 nhà mạng. Điều này có nghĩa là nếu chúng ta bảo đảm sự phức tạp trong việc hỗ trợ nhiều nhà mạng thì sẽ có rất nhiều chỗ để tăng thêm tốc độ dữ liệu. Trong nhiều trường hợp, các nhà khai thác cần tổng hợp phổ tần được cấp phép và không được cấp phép (thông qua truy cập được hỗ trợ giấy phép) để đạt tốc độ dữ liệu Gbps. Trên thực tế, băng tần 46 (B46) có phổ tần là 5.15-5.925 GHz đã được xác định cho mục đích đó. Hình 2.6. Sự xem xét băng tần 5G. 5G được xác định là có băng thông tối đa 100 MHz cho các dải tần số dưới 6 GHz. Cần lưu ý rằng băng thông lớn mang lại tốc độ dữ liệu cao, nhưng băng thông thấp hơn cũng có thể cung cấp dịch vụ 5G. Điều này cùng với việc phân bổ phổ tần phân mảnh là một lý do để hỗ trợ nhu cầu về tính linh hoạt trong các tham số OFDMA đã thảo luận ở trên. Một tùy chọn khác bên cạnh việc sử dụng phổ tần được cấp phép và không được cấp phép (5-5.9, 64-71 GHz) là sử dụng phổ tần dịch vụ vô tuyến băng rộng của băng dân sự (CBRS). Phạm vi phổ tần CBRS là 3.55- 3.7 GHz (tổng băng thông 150 MHz) và được điều chỉnh bởi khung ủy quyền phổ ba tầng để phù hợp với người dùng trên cơ sở chia sẻ với người dùng liên bang và
38 không liên bang của băng tần này. Một bản tóm tắt các mục cần được xem xét khi sử dụng các dải tần 5G được thể hiện trong Hình 2.6. Trong các tần số mới này, có thể sử dụng tần số mới được hỗ trợ tập trung vào việc triển khai TDD. Do đó, chúng ta không chỉ mong đợi tính khả dụng của băng thông thay đổi ở các dải tần số thấp ( 6 GHz), mà chúng ta mong muốn phương pháp song công cũng thay đổi. Một số nhà khai thác đang tập trung vào truy cập không dây để cung cấp dịch vụ 5G tốc độ cao (khoảng 1Gb/giây) trong việc triển khai cáp/sợi thay vì triển khai 5G ban đầu trong các dải sóng mm, ngoài ra còn hỗ trợ các ứng dụng băng rộng di động. Cách tiếp cận này sẽ giúp phát triển hệ sinh thái dựa trên sóng mm cho phép các công nghệ 5G được sử dụng với các thiết bị chạy bằng pin. Các tập hợp phổ tần không đồng nhất được nghiên cứu cho đến nay cho rằng phổ tần được cấp phép luôn được sử dụng, và đã có một sáng kiến hỗ trợ các dịch vụ chỉ sử dụng phổ tần không được cấp phép (như WiFi ngày nay). Liên minh MulteFire cho phép công nghệ LTE (và 5G) được sử dụng riêng (theo cách độc lập) trong phổ tần dùng chung và không được cấp phép để cho phép các dịch vụ riêng, kiến trúc mạng máy chủ trung lập, mạng công nghiệp, v.v. Bảng 2.2: Các băng tần số 5G mới. Băng tần ( 6 Băng thông > Khu vực GHz 6 GHz GHz) 6 GHz Châu Âu 3.4-3.8 400 MHz 24.25-27.35 3.1 GHz Trung Quốc 3.3-3.6 300 MHz Nhật Bản 3.6-4.2 800 MHZ 27.5-29.5 2 GHz Hàn Quốc 3.4-3.7 300 MHz 26.5-29.5 3 GHz Mỹ 3.55-3.7 150 MHz 27.5-28.35 0.85 GHz Phổ tần cho dịch vụ 5G sẽ là một thách thức. Một số dải tần số mới được xem xét trong NR 5G theo vùng được thể hiện trong bảng 2.2. Các nhà khai thác và nhà sản xuất thiết bị phải đối mặt với các tùy chọn khác nhau để xác định phổ tần (tái canh, mua mới, đối tác, v.v.). Chúng ta thấy sự kết hợp hiệu quả (hướng tới sự hài hòa toàn cầu) xoay quanh các dải tần số 3-4GHz trên toàn thế giới và ở thời điểm này thì ít hơn ở Hoa Kỳ.
39 2.5 Thiết kế dạng sóng cho 5G Như đã thảo luận trong mục 1.2.5, CP-OFDM có một số hạn chế nhất định khiến nó không phải là dạng sóng phù hợp nhất cho tất cả các ứng dụng 5G. Tuy nhiên, do những ưu điểm của nó và vì lý do tương thích ngược, OFDM vẫn sẽ là dạng sóng chính cho các hệ thống 5G. Mặt khác, do những hạn chế của nó thì một số sửa đổi nhất định đã được đề xuất trong đồ án để làm cho nó phù hợp với ứng dụng 5G. Trong số những hạn chế này thì SCS cố định (trong 4G LTE), chi phí CP và sự phát xạ OOB cao là quan trọng nhất. Internet vạn vật (IoT) là đóng góp chính cho sự tăng trưởng theo cấp số nhân của người dùng trong 5G. Các thiết bị IoT, ví dụ như các cảm biến thường gửi các gói dữ liệu ngắn đơn lẻ và có công suất giới hạn. Mặt khác, đối với eMBB thì một khối lượng dữ liệu lớn sẽ được truyền đi trong một khoảng thời gian ngắn. Các đặc điểm khác nhau của các xung đột được vận chuyển làm cho CP-OFDM với SCS cố định tạo thành một dạng sóng không chính xác. Đối với các ứng dụng IoT, dạng sóng 5G được yêu cầu để hỗ trợ chế độ truyền với độ trễ giao diện vô tuyến rất thấp được kích hoạt bởi các khung rất ngắn. Để cho phép truyền độ trễ thấp thì cần có TTI rất ngắn, để truyền thông hiệu quả năng lượng thì cần giảm thiểu thời gian của các thiết bị giá rẻ. Phát xạ OOB có thể được giảm bằng cách áp dụng cửa sổ miền thời gian để làm trơn tru quá trình chuyển đổi từ symbol này sang symbol khác. Như đã thảo luận trước đó, các tham số OFDM đã được tạo ra để có thể hỗ trợ việc triển khai phổ tần khác nhau. Đặc biệt, giá trị SCS hiện tại là 15, 30, 60, 120, 240 và 480 kHz. Kích thước FFT tối đa hiện được đặt thành 4096 và số khối tài nguyên (RB) tối đa có thể được truyền cũng tăng lên đến 275 (hoặc 3300 sóng mang con). Bên cạnh những lợi thế triển khai phổ tần, các lựa chọn này cũng cho phép truyền hiệu quả hơn. Ví dụ, trong LTE thì chúng ta sử dụng 18 MHz của phổ tần 20 MHz có sẵn, với việc áp dụng bộ số liệu mới, chúng ta có khả năng sử dụng tới 99 MHz của phổ tần 100 MHz có sẵn. Khi xem xét một ví dụ triển khai 100 MHz, một tập hợp các tham số có thể bao gồm SCS = 30
40 kHz và kích thước FFT = 4096 do đó dẫn đến tần số lấy mẫu là 122.88 MHz (lớn hơn 4 lần so với LTE trong khi sử dụng phổ tần gấp 5 lần). Việc có một hệ thống OFDMA linh hoạt là rất quan trọng để triển khai hiệu quả một loạt các dịch vụ 5G. Dựa trên các đặc tính lan truyền, dự kiến các dải tần số thấp hơn sẽ được sử dụng cho các triển khai trên diện rộng với SCS nhỏ hơn và độ dài khung phụ lớn hơn, trong khi các dải tần số cao hơn dự kiến sẽ được sử dụng cho các triển khai dày đặc với SCS lớn hơn và liên kết của chúng nhỏ hơn thời gian khung con. Có thể thấy, khả năng triển khai này có thể dễ dàng bắt nguồn từ một hệ thống số học linh hoạt. Để giảm phát xạ OOB, các giải pháp dựa trên cửa sổ và lọc khác nhau được áp dụng cho OFDM. OFDM đã lọc (F-OFDM), OFDM cửa sổ (còn được gọi là chồng lấn có trọng số hoặc Wola-OFDM), OFDM được lọc phổ biến (UF-OFDM), các bộ lọc đa sóng mang (FBMC) và các giải pháp khác đã được đề xuất cho dạng sóng mới trong 5G và hơn thế nữa. 2.6 Công nghệ đa truy cập từ 1G đến 5G Chúng ta hãy nhớ lại nhiều kỹ thuật đa truy cập được triển khai trong các hệ thống tế bào cho đến nay. Ở thế hệ đầu tiên, các hệ thống tế bào đã sử dụng FDMA trong đó dải tần số được chia thành các kênh tần số và người dùng được chỉ định ở các kênh. Ở thế hệ thứ hai, TDMA và CDMA đã được sử dụng và trong cả hai trường hợp, dải tần số được chia thành các kênh tần số nhỏ hơn. Trong TDMA, độ dài thời gian mới được sử dụng làm tài nguyên (khe thời gian) và trong CDMA, kích thước miền mã mới (chuỗi PN) đã được sử dụng. Độ phức tạp của máy thu TDMA tăng theo cấp số nhân khi tốc độ dữ liệu được tăng lên, thứ tự điều chế tăng và số lượng anten tăng. Ở thế hệ thứ ba, CDMA đã được triển khai sử dụng băng thông lớn hơn và quan trọng hơn là đưa ra khái niệm về kênh chia sẻ. Ở đây, tài nguyên vật lý được phân bổ cho người dùng là: khe thời gian và mã PN. Độ phức tạp công nghệ CDMA tăng khi tốc độ dữ liệu tăng. Kết quả là băng thông trải rộng WCDMA đòi hỏi mức tăng xử lý lớn hơn để có khả năng triệt tiêu nhiễu liên đường hiệu quả.
41 Hình 2.7. Kỹ thuật thông tin đường lên và đường xuống. Thế hệ thứ tư của các hệ thống tế bào đã triển khai OFDMA và giữ nguyên khái niệm kênh chia sẻ. Ở đây, tài nguyên vật lý là các khe thời gian và sóng mang con tần số. Công nghệ OFDMA duy trì tính khả dụng của tài nguyên và giữ cho băng thông thông tin có sẵn ở giá trị mong muốn. Do việc sử dụng xử lý tín hiệu miền tần số và tần số tuần hoàn, độ phức tạp của máy thu có thể quản lý được. Đó cũng là một lý do tại sao thế hệ thứ năm đã quyết định tiếp tục với OFDMA. Hình 2.8. Miền tốc độ của hai người dùng DL và UL. Hình 2.7 thể hiện sự khác biệt giữa các liên kết thông tin DL và UL. DL bắt đầu với một tín hiệu chung được truyền đi bao gồm tổng của tất cả các UE trong tế bào đó. Mỗi UE được đặt vật lý ở một vị trí tế bào khác nhau và do đó trải qua quá trình pha đinh đa đường khác nhau, ký hiệu là hi. Mỗi UE có tạp âm cộng tính riêng, ký hiệu là ni. UL bắt đầu với việc truyền tín hiệu riêng lẻ bị suy hao bởi pha đinh khác nhau do các vị trí vật lý trong một tế bào. Những tín hiệu riêng lẻ này được tổng hợp tại ăng ten thu trạm gốc, trong đó trạm gốc thêm tạp âm cộng tính. Các vùng tốc độ của đa truy cập DL và UL được thể hiện trong Hình 2.8, cho các
42 trường hợp hai người dùng. Các phép đo so sánh OMA thì được thể hiện bằng đường liền nét, còn sự chống lại mã hóa chồng chất thì được thể hiện bằng đường đứt nét. Đường cong bên trái được sử dụng để thể hiện dung lượng DL còn đường cong bên phải được sử dụng để thể hiện dung lượng UL. 2.7 Đa truy cập không trực giao là gì? Trong một hệ thống đa truy cập trực giao (OMA), chẳng hạn như TDMA và FDMA, sự phân bổ tài nguyên trực giao được sử dụng giữa những người dùng để tránh nhiễu nội bào (giữa người dùng). Số lượng người dùng có thể được hỗ trợ sau đó bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên trực giao có sẵn. Đa truy cập không trực giao (NOMA) cho phép và sử dụng nhiễu nội bào trong phân bổ tài nguyên của người dùng. Các kỹ thuật loại bỏ nhiễu, như sự loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) hoặc bộ tách nhiều người dùng (MUD) được sử dụng để giảm thiểu nhiễu này. NOMA là một kỹ thuật đang được 3GPP xem xét trong Phiên bản 16. Hình 2.9. Sự phân bố phổ và công suất của NOMA và OMA. NOMA đề cập đến MA không trực giao có thể hỗ trợ nhiều người dùng trong một tài nguyên và do đó có thể cải thiện thông lượng của người dùng và toàn bộ hệ thống. Nó có thể được thực hiện trong miền công suất, miền mã hoặc các miền khác. Miền công suất NOMA khai thác sự khác biệt cường độ kênh giữa người dùng và là kỹ thuật đa truy cập đạt được lưu lượng tối ưu trong mạng đơn bào, được thể hiện trong Hình 2.7 và 2.8. Phân bổ phổ tần và công suất cho miền công suất NOMA được so sánh bằng đồ họa với OMA trong Hình 2.9. Trong các hệ thống dựa trên NOMA, hai người dùng có thể chia sẻ cùng một dải phổ tần, trong đó mỗi người dùng có một công suất khác nhau được phân bổ cho nó.
43 Các sơ đồ NOMA miền mã thường khai thác các sơ đồ phát hiện đa người dùng có độ phức tạp thấp. Đa truy cập mã thưa (SCMA), đa truy nhập phân chia xen kẽ (IDMA) và phân tán mật độ thấp (LDS)-CDMA là những ví dụ đáng chú ý của miền mã NOMA. Một số lợi ích có thể có khi sử dụng NOMA là: Kết nối lớn: Trong khi OMA bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên trực giao còn NOMA thì không. Về mặt lý thuyết, NOMA có thể hỗ trợ số lượng người dùng không giới hạn. Độ trễ thấp hơn: OMA chờ các khối tài nguyên có sẵn để truyền đi, được thực hiện bằng cách chờ cấp quyền truy cập trong khi NOMA có thể hỗ trợ truyền lịch biểu linh hoạt và truyền miễn phí. Hiệu suất phổ tần được cải thiện (bps/Hz): Mỗi người dùng NOMA có thể sử dụng toàn bộ băng thông, trong khi người dùng OMA có thể sử dụng một lượng hạn chế. Tốc độ dữ liệu của người dùng được phân nhóm đúng có thể được tăng lên khi so sánh với OMA. Các thành phần hệ thống tế bào của NOMA là: Nhóm nhiều người dùng, tức là quyết định những người dùng nào sẽ được nhóm lại với nhau để triển khai NOMA. Phân bổ tài nguyên (công suất, mã, v.v.), ví dụ đối với trường hợp NOMA miền công suất, người dùng có chênh lệch công suất lớn là thuận lợi. Các kỹ thuật khử nhiễu SIC hoặc MUD để loại bỏ sự thêm vào NOMA được điều khiển. Với SIC hoặc MUD, NOMA có thể hỗ trợ khái niệm đa truy cập này. Chúng ta hy vọng sẽ hỗ trợ sự tăng lên theo cấp số nhân về dung lượng hệ thống và thông lượng người dùng trong các hệ thống tương lai. Lượng tăng lên này đưa ra những thách thức buộc chúng ta phải nghiên cứu các giải pháp mới. Sự lựa chọn của công nghệ truy cập vô tuyến đóng một vai trò quan trọng. NOMA là một lựa chọn đề xuất để giải quyết các nhu cầu hệ thống trong tương lai.
44 2.8 Kết luận chương 2 Trong chương này, chúng ta tìm hiểu tổng quan mạng tế bào 5G ở các khía cạnh khác nhau. Một sự nhấn mạnh đặc biệt đã được đặt vào các kỹ thuật đa truy cập trực giao và không trực giao và kiến trúc mạng trong các thế hệ công nghệ tế bào khác nhau. Yêu cầu IMT-2020 cho 5G bao gồm tăng băng thông rộng di động, kỹ thuật thông tin từ máy cỡ lớn đến máy và độ tin cậy cao và kỹ thuật thông tin với độ trễ thấp đã được thảo luận và các sửa đổi có thể có, chẳng hạn như OFDM linh hoạt, cần thiết để giải quyết các yêu cầu này đã được xem xét. Một vài thành phần kỹ thuật chính cho mạng không dây 5G, bao gồm massive MIMO, RAN và SDN, đã được giải quyết. Các ưu điểm và vấn đề của CP- OFDM đã được liệt kê và hướng khả thi cho thiết kế dạng sóng mới đã được vạch ra.
45 Chương 3 MẠNG TRUY CẬP VÔ TUYẾN MỚI NR 3.1 GIỚI THIỆU Chương này giới thiệu mạng truy cập vô tuyến mới NR (RAN), đảm nhiệm phát qua không khí và thu thông tin mặt phẳng người dùng (tức là dữ liệu) và mặt phẳng điều khiển (tức là quản lý thiết bị và các thông số bảo mật). Các thực thể RAN chính là những thiết bị người dùng (UEs) và các nút truy cập vô tuyến thế hệ tiếp theo (NG-RAN) hoặc các trạm gốc. Nút NG- RAN là một NodeB mở rộng (gNB), để kết cuối giao thức mặt phẳng người dùng NR và mặt phẳng điều khiển đối với UE hoặc ng-eNB, kết cuối giao thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng truy cập vô tuyến mặt đất phổ biến (E-UTRA) về phía UE. Phần còn lại của chương này tập trung vào gNB NR, các chức năng khác của gNB bao gồm quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), lập lịch và truyền dẫn tìm gọi và thông tin hệ thống, phát hành và thiết lập kết nối, tương tác với E-UTRA, điều khiển di động, v.v. Cả mặt phẳng người dùng NR và mặt phẳng điều khiển NR đều có một ngăn xếp giao thức mô-đun, tương tự như LTE. Ngăn xếp giao thức lớp 2 cho mặt phẳng người dùng NR được thể hiện trong Hình 3.1 (a) và bao gồm các (phân) lớp và chức năng sau: Giao thức tương thích dữ liệu dịch vụ (SDAP): Thực hiện ánh xạ giữa một luồng chất lượng dịch vụ (QoS) và thiết bị mang dữ liệu vô tuyến. Giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP): Đánh số thứ tự, nén/giải nén tiêu đề, mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn. Điều khiển kết nối vô tuyến (RLC): Đánh số thứ tự, phân đoạn và ghép đoạn. Điều khiển truy cập môi trường (MAC): Ánh xạ các kênh logic để truyền các kênh và thực hiện sửa lỗi thông qua yêu cầu phát lại tự động lai (HARQ). Lớp vật lý: Truyền dẫn và tiếp nhận qua không khí. Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển được thể hiện trong Hình 3.1 (b) và bao gồm:
46  Giao thức kiểm soát tầng không truy cập (NAS): Xác thực, quản lý di động và kiểm soát bảo mật.  Điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) lớp 3: Thiết lập kết nối RRC, chức năng di động và khôi phục lỗi liên kết vô tuyến  Các lớp PDCP, RLC, MAC và PHY. Hình 3.1. (a): Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng NR, và (b): Ngăn xếp giao thức mặt phẳng điều khiển. Hình 3.2. Ví dụ về luồng dữ liệu. Ở phía phát, mỗi lớp nhận một đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU) từ một phân lớp cao hơn được xử lý, nối với các tiêu đề và được chuyển dưới dạng một đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) cho phân lớp bên dưới và ngược lại khi nhận, được thể hiện trong Hình 3.2. Lớp SDAP là mới so với LTE, nó nhận các gói IP để tạo PDU dựa trên các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS). PDU MAC khi được chuyển đến lớp vật lý cũng được gọi là một khối vận chuyển (TB). Phần còn lại của chương này mô tả các chức năng chính của Phiên bản 15 và các đặc tính thiết kế của từng lớp giao thức trên. Lớp vật lý NR tại giao
47 diện vô tuyến cho cả hai hướng đường xuống và đường lên được đề cập trong mục 3.2, sau đó là tổng quan ngắn gọn về các khía cạnh tần số vô tuyến trong mục 3.3. Tiếp theo là lớp MAC trong mục 3.4, lớp RLC trong mục 3.5, lớp PDCP và SDAP trong mục 3.6, lớp RRC trong mục 3.7. Mục 3.8 là kết luận của chương. 3.2 LỚP VẬT LÝ Trước khi đi sâu vào chi tiết của các kênh và tín hiệu của lớp vật lý khác nhau thì chúng ta nên xem xét một quy trình bậc cao để xem các phần khác nhau kết hợp với nhau như thế nào. Một ví dụ phù hợp là quy trình truy cập ngẫu nhiên để truy cập ban đầu. Một UE thực hiện quy trình này khi nó cố gắng kết nối với một tế bào NR độc lập trong lần đầu tiên sau khi được bật nguồn và có thể được tóm tắt là: UE điều chỉnh kênh tần số vô tuyến (RF) cụ thể và tìm kiếm một tế bào để kết nối. Dải tần số của kênh RF (tức là dưới hoặc trên 24 GHz) xác định phạm vi của RF và các tham số lớp vật lý được UE giả định cho tìm kiếm tế bào của nó. UE tìm kiếm khối dãy đồng bộ (SSB) xác định tế bào của gNB nằm trên lưới đồng bộ. Việc này thường liên quan đến việc vận hành một bộ tương quan cho các mẫu tín hiệu đồng bộ chính (PSS) tương tự như LTE. Sau khi phát hiện PSS theo sau là tín hiệu đồng bộ hóa thứ cấp (SSS), UE giả định rằng nó đã định vị SSB và thực hiện giải mã kênh quảng bá vật lý (PBCH) đường xuống liên kết với sự trợ giúp của tín hiệu tham chiếu giải điều chế (DMRS) PBCH. Việc đọc khối thông tin chính (MIB) trong tải PBCH dẫn UE đến thông tin hệ thống tối thiểu còn lại (RMSI) được lập lịch bởi một không gian tìm kiếm kênh điều khiển đường xuống vật lý (PDCCH) loại 0 và được vận chuyển trên kênh chia sẻ đường xuống vật lý (PDSCH). RMSI chứa thông tin hệ thống cần thiết để thực hiện việc truyền dẫn truy cập ngẫu nhiên trên đường lên. UE có thể đo các SSB bổ sung (nếu được truyền) để xác định SSB nào (tương đương, chùm tia đường xuống) có chất lượng tốt nhất (ví dụ: công suất nhận cao
48 nhất). Sau đó UE suy ra tài nguyên truy cập ngẫu nhiên nào để sử dụng do sự tương thích giữa chất lượng SSB và tài nguyên truy cập ngẫu nhiên, do nhiều hướng chùm tia có thể được sử dụng trong phổ tần sóng milimet. UE truyền một đoạn mở đầu truy cập ngẫu nhiên trên kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH) để thông báo gNB về sự hiện diện của nó. Nếu PRACH được phát hiện, gNB lập lịch phản hồi thông qua PDCCH và cung cấp cho UE với sự cho phép lập lịch đường lên đầu tiên của nó. UE phát một yêu cầu kết nối trên kênh chia sẻ đường lên vật lý (PUSCH) theo sự cho phép đường lên. gNB giải mã PUSCH với sự hỗ trợ của DMRS UL liên quan. Khi yêu cầu kết nối được chấp nhận và quy trình truy cập ngẫu nhiên hoàn tất, UE bắt đầu giám sát PDCCH cho DL và UL lập lịch và thực hiện các phép đo được cấu hình dựa trên tín hiệu tham chiếu DL (như tín hiệu tham chiếu thông tin trạng thái kênh (CSI-RS)) cho tế bào dịch vụ của nó và tế bào lân cận. Kết quả về các phép đo này hỗ trợ gNB với việc điều chỉnh liên kết và quản lý di động. Mỗi kênh và tín hiệu trên được mô tả chi tiết trong phần còn lại của phần này. 3.2.1 Cấu trúc khung và tài nguyên Ghép kênh phân chia tần số trực giao theo tiền tố vòng (CP-OFDM) được chọn làm dạng sóng NR sau một nghiên cứu toàn diện trong Phiên bản 14. Một lý do là ở tần số dưới 7 GHz, CP-OFDM được chứng minh tốt vì nó cũng được sử dụng trong LTE. CP-OFDM với tỷ lệ thích hợp của khoảng cách sóng mang con (SCS) cũng có thể áp dụng cho các tần số sóng mang milimet và dạng sóng không thay đổi trên các dải tần khác nhau tạo điều kiện thuận lợi cho việc thực hiện. Sơ đồ khối máy phát được thể hiện trong Hình 3.3. Vô hiệu hóa hoạt động tiền mã hóa biến đổi dẫn đến dạng sóng UL ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) trong mặt phẳng điều khiển, trong khi cho phép nó tạo ra dạng sóng OFDM biến đổi Fourier rời rạc (DFT) (tức là dạng sóng UL LTE) bảo vệ UL tốt hơn.
49 NR có cấu trúc khung linh hoạt không bị giới hạn trong cấu trúc ghép kênh phân chia theo tần số hoặc phân chia theo thời gian cụ thể như trong LTE. Truyền dẫn đường xuống và đường lên được tổ chức thành các khung có độ dài 10ms, mỗi khung bao gồm mười khung con có độ dài 1 ms. Độ dài của khe với một SCS 15 kHz là 14 symbols với CP thông thường và 12 symbols có CP mở rộng và được chia theo thời gian như là một hàm của khoảng cách sóng mang con được sử dụng để luôn có số lượng khe trong số khung con là số nguyên. Các bộ số liệu này được hỗ trợ trong Phiên bản 15 và Phiên bản 16 được thể hiện trong bảng 3.1. Ví dụ: với khoảng cách sóng mang con là 30 kHz, thì có hai khe trên mỗi khung con, trong khi với khoảng cách 240 kHz có 16 khe trên mỗi khung con. Mỗi khung được chia thành hai nửa khung có kích thước bằng nhau của 5 khung con, với nửa khung 0 bao gồm các khung con 0 - 4 và nửa khung 1 bao gồm các khung con 5-9. Có một bộ khung trong đường lên và một bộ khung trong đường xuống trên một sóng mang. Bảng 3.1: Các số bộ số liệu NR Phiên bản 15. Hỗ trợ đồng µ SCS Tiền tố tuần hoàn Hỗ trợ dữ liệu bộ 0 15 Bình thường có Có 1 30 Bình thường Có Có 2 60 Bình thường, mở rộng Có Không 3 120 Bình thường Có Có 4 240 Bình thường Không Có Các symbol OFDM trong một khe có thể được phân loại linh hoạt thành đường xuống hoặc đường lên. Báo hiệu của các định dạng khe được thực hiện bằng cách sử dụng chỉ báo định dạng khe (SFI) trong các kênh điều khiển đường xuống. Trong một khe của một khung đường xuống, UE giả sử rằng việc truyền dẫn đường xuống chỉ xảy ra trong các symbol đường xuống hoặc symbols linh hoạt. Trong một khe của khung đường lên, UE chỉ truyền trong các symbol đường lên hoặc các symbol linh hoạt. Cả song công phân chia theo tần số (FDD)
50 và song công phân chia theo thời gian (TDD) đều có khả năng hỗ trợ truyền trong phổ ghép và không ghép đôi. Hình 3.3. Sơ đồ khối máy phát cho CP-OFDM với sự trải phổ DFT tùy ý trong UL. NR cũng hỗ trợ nhiều bộ số liệu OFDM trong các điều kiện của SCS có chỉ số là µ, được thể hiện trong bảng 3.1. Sự linh hoạt để chọn một bộ số liệu phù hợp cho các trường hợp triển khai cụ thể là một trong những yếu tố phân biệt chính giữa NR và bộ số liệu 15 kHz của LTE. Ví dụ, khoảng cách sóng mang con là 120 kHz (휇 = 3) và 240 kHz (휇 = 4) là lý tưởng cho việc triển khai sóng milimet NR với hàng trăm megahertz băng thông sóng mang và các tế bào phạm vi nhỏ, vì một băng thông sóng mang lớn có thể đạt được với một kích thước FFT thực tế và độ dài CP ngắn sẽ không làm giảm hiệu suất. Có thể sử dụng khoảng cách sóng mang con là 15 kHz (휇 = 0) khi triển khai NR trong phổ tần LTE được tái sử dụng để phủ sóng tế bào lớn. Tài nguyên miền tần số được xác định theo các khối tài nguyên, trong đó một khối tài nguyên trải trên 12 sóng mang con bất kể SCS. Trong sự thay đổi từ LTE, NR đưa ra khái niệm về một phần băng thông (BWP). Một phần băng thông là một tập hợp con của các khối tài nguyên chung liền kề cho một SCS định trước trên một sóng mang định trước. UE có thể được cấu hình tối đa bốn BWP trong đường xuống với một phần băng thông đường xuống duy nhất đang hoạt động tại một thời điểm nhất định. UE sẽ không nhận được dữ liệu, các kênh điều khiển hoặc các tín hiệu tham chiếu (ngoại trừ các phép đo di động) bên ngoài một phần băng thông đang hoạt động. Do đó, các loại UE khác nhau có thể được cấu hình để giám sát và vận hành trên các BWP khác nhau của băng thông sóng mang mà không phải thay đổi cấu hình tế bào cho tất cả các UE. Ví dụ, các UE loại máy có thể được tạo ra với một BWP nhỏ để đạt được hiệu quả
51 năng lượng, trong khi các UE eMBB có thể được tạo ra với một BWP lớn cho thông lượng cao. Một UE có thể được cấu hình tối đa 4 BWPs trong đường lên chỉ với một phần băng thông đường lên đang hoạt động ở thời điểm nhất định. Nếu một UE được cấu hình với một đường lên bổ sung (SUL), UE cũng có thể được cấu hình tối đa 4 BWPs trên đường lên bổ sung với một BWP SUL đang hoạt động ở thời điểm nhất định. UE không truyền dữ liệu hoặc các kênh điều khiển ngoài một phần băng thông đang hoạt động. 3.2.2 Kênh và tín hiệu đường lên Các kênh và tín hiệu đường lên (UL) được các UE truyền đến một hoặc nhiều tế bào dịch vụ. Các kênh vật lý UL sau đây đã được định nghĩa trong Phiên bản 15 và Phiên bản 16 để mang thông tin có nguồn gốc từ các lớp cao hơn: Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý (PRACH); Kênh chia sẻ đường lên vật lý (PUSCH); Kênh điều khiển đường lên vật lý (PUCCH). Các chức năng của phần trên giống như trong LTE. Nghĩa là, PRACH được sử dụng để bắt đầu quy trình truy cập ban đầu hoặc để khôi phục đồng bộ thời gian với gNB và cũng để bắt đầu quy trình khôi phục lỗi chùm tia. PUSCH mang dữ liệu UL (các khối vận chuyển) và/hoặc thông tin điều khiển đường lên (UCI), trong khi PUCCH truyền tải UCI. Nhiều kênh và tín hiệu UL có thể được truyền đồng thời trong trường hợp kết nối kép, chịu các hạn chế về công suất UE. Các tín hiệu tham chiếu UL (RSs) sau đây khả dụng: Các tín hiệu tham chiếu giải điều chế (DM-RS); Các tín hiệu tham chiếu theo dõi pha (PT-RS); Tín hiệu tham chiếu âm thanh (SRS). Vai trò của RSs là tạo điều kiện thuận lợi cho việc ước lượng kênh UL cùng với việc phát hiện và giải mã các kênh vật lý UL bằng gNB. DM-RS được bao gồm với truyền dẫn PUCCH và PUSCH để hỗ trợ giải điều chế của chúng, trong khi SRS được sử dụng để phát âm thanh kênh (tức là, gNB có thể suy ra
52 trạng thái kênh DL sau khi sử dụng SRS để ước lượng kênh UL). Trong khi DM-RS và SRS có các bản sao trong LTE, một bổ sung mới trong NR là PT-RS. Các hệ thống OFDM nói chung phải xử lý các độ lệch giữa các bộ dao động tần số gNB và UE do các thành phần phần cứng không lý tưởng. Việc bù tần số và dẫn đến mất tính trực giao của sóng mang dẫn đến một hiệu ứng được gọi là hiệu ứng tạp âm pha trên các sóng mang con OFDM. Các hệ thống NR hoạt động ở các tần số sóng milimet đặc biệt dễ bị ảnh hưởng bởi cường độ (mật độ phổ công suất) của thang đo tạp âm pha với tần số dao động. Do đó, PT-RS được giới thiệu để theo dõi và bù tạp âm pha tại máy thu (trong trường hợp này là gNB). Một UE có thể được cấu hình chỉ để truyền PT-RS trong các khối tài nguyên được sử dụng cho PUSCH. 3.2.2.1 Kênh dữ liệu và điều khiển Việc truyền dẫn PUSCH có thể được lập lịch động thông qua thông tin điều khiển đường xuống (DCI) được gửi trên PDCCH hoặc được xác định trước thông qua một sự cho phép đã được cấu hình (CG). Khi một UE nhận được một sự cho phép đường lên động ở định dạng DCI 0_0 (từ mã UL đơn) hoặc định dạng DCI 0_1 (hai từ mã UL) và nó nhận được cả việc gán tài nguyên miền tần số và gán miền thời gian của truyền dẫn PUSCH tương ứng. Không giống như LTE, các tài nguyên PUSCH NR được ánh xạ theo phương pháp đầu tiên là tần số, sau đó là thời gian, cho phép máy thu bắt đầu giải mã trên cơ sở mỗi symbol thay vì chờ để nhận toàn bộ khe đầu tiên. Các tài nguyên trên miền tần số nằm trong băng thông của BWP UL đang hoạt động và có thể bao gồm nhảy tần nếu được chỉ ra trong DCI. Hai sơ đồ phân bổ tài nguyên đường lên loại 0 và loại 1 thì được hỗ trợ. Loại phân bổ mà xác định UE thực hiện việc gán tài nguyên trên miền tần số trong DCI như thế nào và được chỉ ra trong DCI hoặc được cấu hình bởi RRC. Trong loại 0, một ánh xạ bit biểu thị các nhóm khối tài nguyên (RBG) được phân bổ cho UE lập lịch thì được truyền tải với một bit cho mỗi nhóm khối tài nguyên UL (RBG), sao cho tất cả các RBG đều có thể xử lý được cho một UE. Một RBG chứa từ 2 đến 16 khối tài nguyên ảo liên tiếp (VRB) và được xác
53 định bởi các lớp cao hơn. Một VRB có thể trùng hoặc không trùng với PRB có cùng số, tùy thuộc vào cách phân bổ tài nguyên được biễu diễn. Trong loại 1, giá trị chỉ số tài nguyên (RIV) truyền tải một khối tài nguyên ảo và độ dài theo các khối tài nguyên được phân bổ liền kề. Do đó, NR loại 0 tương ứng với phân bổ UL LTE loại 0, trong khi NR loại 1 tương ứng với phân bổ UL LTE loại 2. Đối với PUSCH được lên lịch động, tài nguyên trên miền thời gian là các khe, SLIV chỉ báo bắt đầu và độ dài trong khe đó hoặc trực tiếp là symbol bắt đầu S và độ dài phân bổ L trong các symbol liên tiếp bắt đầu từ S, trong đó một sự bù khe K2 từ khe mang thông tin điều khiển đường xuống lập lịch (DCI) được sử dụng để trỏ đến khe PUSCH. Bốn bit trong phép gán miền thời gian trong DCI được sử dụng để trỏ đến một chỉ số hàng của bảng mặc định hoặc được cấu hình để truyền tải thông tin bù khe K2, SLIV hoặc (S, L) và loại ánh xạ PUSCH (loại A hoặc loại B). Mỗi bảng mặc định và bảng cấu hình RRC có 16 hàng, bảng cấu hình RRC được truyền tải qua PUSCH-TimeDomainResource AllocationList. Nếu SLIV lấy từ bảng được cấu hình, UE sẽ tính symbol bắt đầu S và độ dài L như định nghĩa, nếu không UE sẽ lấy S và L trực tiếp từ bảng mặc định. Loại ánh xạ PUSCH xác định sự bắt đầu các phần tử tài nguyên theo miền thời gian của PUSCH, cũng như vị trí của DM-RS, ví dụ theo định nghĩa S = 0 cho ánh xạ loại A (PUSCH dựa trên khe) trong khi S = 2, 4, 8 được phép cho ánh xạ loại B (PUSCH không dựa trên khe). Truyền dẫn PUSCH CG là tuần hoàn và có thể được cấu hình loại 1 hoặc loại 2. Trong loại 1, tài nguyên thời gian-tần số cùng với tất cả các tham số khác được cấu hình bởi các lớp cao hơn (ConﬁguredGrantConfig). Trong loại 2, một phần của các tham số (CS-RNTI, tính tuần hoàn và số lượng quy trình HARQ) được cấu hình bởi các lớp cao hơn trong khi các tham số còn lại có thể được cập nhật tự động qua DCI gửi đến CS-RNTI. Khi một sự cho phép đường lên được cấu hình đang hoạt động, nếu UE không thể tìm thấy C-RNTI/CS-RNTI của nó trên PDCCH(s) thì có thể thực hiện truyền dẫn đường lên theo sự cho phép đường lên được cấu hình. Mặt khác, nếu UE tìm thấy C-RNTI/CS-RNTI của nó
54 trên PDCCH(s) thì phân bổ PDCCH sẽ ghi đè lên sự cho phép đường lên được cấu hình. Không giống như PUCCH LTE nằm ở rìa của băng thông sóng mang và có thời gian và độ dài cố định, PUCCH NR thì linh hoạt trong phân bổ thời gian và tần số. Các định dạng PUCCH 0 và 2 có độ dài tối đa hai symbol và được gọi là PUCCH ngắn, trong khi các định dạng PUCCH khác có độ dài từ 4 đến 14 symbol và được gọi là PUCCH dài. Nhảy tần trong một khe có thể được cấu hình cho các định dạng PUCCH 1, 3 và 4. Ghép kênh nhiều người dùng trên cùng tài nguyên thời gian và tần số chỉ được hỗ trợ cho định dạng PUCCH 0, 1 và 4 bằng các dịch chuyển theo chu kỳ khác nhau hoặc mã bảo vệ trực giao (OCC) như áp dụng. Danh sách các định dạng PUCCH Phiên bản 15 được thể hiện trong bảng 3.2. Bảng 3.2: Các định dạng PUCCH NR. Định dạng Độ dài trong các Số lượng các bit Số lượng RBs PUCCH symbol OFDM tải 0 1 - 2 ≤ 2 1 1 4 – 14 ≤ 2 1 2 1 - 2 > 2 ≥ 1 3 4 – 14 > 2 ≥ 1 4 4 – 14 > 2 1 Một UE có thể được cấu hình tối đa bốn bộ tài nguyên PUCCH, trong đó mỗi bộ tài nguyên bao gồm tối đa 32 tài nguyên PUCCH, mỗi tài nguyên PUCCH có một chỉ số tài nguyên tương ứng là định dạng PUCCH, symbol đầu tiên, độ dài, sự bù PRB, thông tin nhảy tần và bộ chỉ số dịch chuyển theo chu kỳ. Bộ tài nguyên PUCCH được cung cấp bởi tham số lớp cao hơn bộ tài nguyên PUCCH và được liên kết với chỉ số bộ tài nguyên PUCCH. Do đó, UE truyền UCI phải xác định bộ tài nguyên đầu tiên (nếu nhiều bộ được cấu hình), tiếp theo là tài nguyên PUCCH. Chỉ số bộ tài nguyên được xác định dựa trên số lượng bit UCI là NUCI được truyền, nghĩa là bộ tài nguyên 1 nếu NUCI ≤ 2, bộ tài nguyên 2 nếu 2 < NUCI ≤ N2, bộ tài nguyên 3 nếu N2 < NUCI <N3 và bộ tài nguyên 4 nếu N3 <V ≤ 1706, trong đó N2 và N3 là các tham số lớp cao hơn.
55 Tiếp theo, việc xác định tài nguyên PUCCH dựa trên trường chỉ số tài nguyên PUCCH ở định dạng DCI 1_0 hoặc DCI 1_1 gần nhất mà UE phát hiện được và UE sẽ truyền thông tin HARQ-ACK tương ứng trong PUCCH. Cuối cùng, khe thời gian để truyền PUCCH dựa trên việc UCI có chứa HARQ-ACK/NACK hay là một bản CSI định kỳ/bán định kỳ. Đối với phản hồi HARQ-ACK/NACK, UE phát hiện định dạng DCI 1_0 hoặc định dạng DCI 1_1 lập lịch cho việc tiếp nhận PDSCH kết thúc ở khe thứ n, UE cung cấp thông tin HARQ-ACK tương ứng trong việc truyền PUCCH trong khe n + k, trong đó k là số khe và được biểu thị bằng chỉ số thời gian từ PDSCH đến HARQ ở định dạng DCI, nếu có hoặc được cung cấp bởi tham số lớp cao hơn dl-DataToUL-ACK. Đối với bản CSI định kỳ hoặc bán định kỳ, khe PUCCH được cấu hình bởi các lớp cao hơn. 3.2.2.2 Kênh và thủ tục truy cập ngẫu nhiên Để truyền PRACH trong suốt quá trình truy cập ban đầu, UE nhận được cấu hình của các tham số truyền dẫn (định dạng mở đầu PRACH, tài nguyên thời gian và tài nguyên tần số để truyền dẫn PRACH) từ thông tin hệ thống được quảng bá bởi tế bào (SIB1 hoặc RMSI). Chuỗi mở đầu PRACH NR có thể có độ dài 839 hoặc 139 và dựa trên chuỗi Zadoff-Chu, tương tự như LTE. Trong Phiên bản 15 thì 9 định dạng PRACH (A1, A2, A3, B1, B2, B3, B4, C0, C2) với chuỗi mở đầu khác nhau và khoảng thời gian trước chu kỳ là có sẵn cho các chuỗi có độ dài là 139 và bốn định dạng PRACH (0, 1, 2, 3) là có sẵn cho các chuỗi có độ dài là 839. Mạng có thể cấu hình các tham số PRACH phù hợp dựa trên trường hợp triển khai. Truy cập ngẫu nhiên ban đầu chỉ có thể được truyền trong các tài nguyên thời gian (SFN, số khung con, symbol bắt đầu) được cung cấp bởi tham số lớp cao hơn prach-ConﬁgurationIndex (256 khả năng) và trong tài nguyên tần số được cung cấp bởi tham số lớp cao hơn msg1-FrequencyStart là phần bù của việc truyền PRACH được đánh số thấp nhất trong miền tần số tương ứng với PRB 0 và có thể trỏ đến bất kỳ PRB bắt đầu nào trong băng thông hệ thống. Đa số các trường hợp PRACH (1, 2, 4 hoặc 8) có thể được ghép kênh trong miền
56 tần số trong cùng một khe PRACH, không giống như LTE và được đánh số theo thứ tự tăng dần. Vậy làm thế nào để UE chọn tài nguyên miền thời gian để truyền PRACH từ các trường hợp hợp lệ được chỉ ra bởi prach-ConﬁgurationIndex? Một UE được cung cấp N khối SS/PBCH được kết hợp với một khả năng PRACH (N ∈ {1/8, 1/4, 1/2, 1, 2, 4, 8, 16}, trong đó N = 1/8 cung cấp một khối SS/PBCH được liên kết với tám khả năng PRACH) và một số R của phần mở đầu dựa trên sự tranh chấp trên mỗi khối SS/PBCH cho mỗi trường hợp PRACH hợp lệ bằng tín hiệu lớp cao hơn. Sau khi đo đạc nhiều khối SS/PBCH, UE truyền PRACH vào PRACH tương ứng với khối SS/PBCH chất lượng cao nhất. Điều này cho phép gNB suy ra hướng chùm tối ưu cho các lần truyền dẫn DL tiếp theo để hoàn tất quy trình truy cập ban đầu. Hình 3.4. Quy trình truy cập ngẫu nhiên bốn bước cơ bản trong Phiên bản 15 và quy trình hai bước trong Phiên bản 16. Quy trình truy cập ngẫu nhiên dựa trên sự tranh chấp để truy cập ban đầu bao gồm trao đổi thông điệp giữa UE và tế bào mà nó muốn kết nối. Trong quy trình NR Phiên bản 15 cơ bản, bốn thông điệp được trao đổi theo bốn bước như trong Hình 3.4: 1. Phần mở đầu Msg1 được UE gửi đến gNB trên PRACH. Điều này thông báo cho gNB rằng UE đang cố truy cập vào tế bào. 2. Phản hồi truy cập ngẫu nhiên Msg2 (RAR) được gửi bởi gNB đến UE (s). RAR được lập lịch trên PDCCH được gửi đến một định danh tạm thời của mạng vô tuyến truy cập ngẫu nhiên (RNTI) và được truyền trên PDSCH. RAR mang một sự cho phép UL và thông tin trước về thời gian cho UE.
57 3. Msg3 mang theo một YÊU CẦU KẾT NỐI RRC được UE gửi trên sự cho phép UL được chỉ ra trong RAR. 4. Msg4 mang thông tin giải quyết tranh chấp được gửi bởi gNB trên PDSCH. Cần có sự giải quyết tranh chấp để xử lý trường hợp góc trong đó hai UE gửi cùng một lời mở đầu trong cùng một khe và có một sự không chắc chắn trong danh tính của UE mà gNB gửi tới RAR. Như trong Hình 3.4, một quy trình truy cập ngẫu nhiên hai bước rút ngắn đã được giới thiệu trong Phiên bản 16 để giảm độ trễ truy cập ban đầu. Điều này cũng hữu ích cho hoạt động trong phổ tần không được cấp phép vì số lần truy cập kênh bị giảm đi một nửa. Một MsgA mới kết hợp với PUSCH phần mở đầu Msg1 và Msg3 được UE truyền đi trong bước đầu tiên. Sau đó MsgB từ gNB chứa thông tin giải quyết tranh chấp và tịnh tiến. Trong trường hợp MsgA không thể được giải mã hoàn toàn bởi gNB, việc truy cập ngẫu nhiên bốn bước được thực hiện bằng cách gửi một RAR. 3.2.2.3 Các tín hiệu tham chiếu Các vị trí miền thời gian của một hoặc hai symbol DM-RS PUSCH phụ thuộc vào loại ánh xạ PUSCH (loại-A hoặc loại-B, được mô tả trong mục 3.2.1), độ dài của truyền dẫn PUSCH và nhảy tần hoặc các vị trí DM-RS bổ sung (tối đa ba DM-RS bổ sung cho các khả năng tốc độ cao) được cấu hình bởi các lớp cao hơn. DM-RS PUSCH được tải trước theo nghĩa là symbol DM-RS đầu tiên được đặt ở đầu của truyền dẫn PUSCH để tạo điều kiện cho việc ước lượng kênh sớm. DM-RS PUCCH thuộc các định dạng PUCCH 1, 2, 3 và 4 (định dạng PUCCH 0 là một chuỗi không được điều chế và do đó không cần giải điều chế) và vị trí trong miền thời gian của chúng phụ thuộc vào số lượng symbol PUCCH và có hay không nhảy tần nội khe được kích hoạt. PT-RS PUSCH được UE truyền đi khi được cấu hình để tiếp tục truyền bởi các lớp cao hơn. Mật độ miền thời gian và miền tần số PT-RS được đặt ở giá trị mặc định hoặc được đảm bảo bởi các lớp cao hơn và là một chức năng của sơ đồ mã hóa và điều chế PUSCH (MCS) và phân bổ RB (số lượng PUSCH RB lớn