MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G
Tổng quan về mạng thông tin di động 5G
1.1.1 Giới thiệu về mạng thông tin di động 5G
5G là công nghệ mạng di động thế hệ thứ 5, tiếp nối các tiêu chuẩn 1G, 2G, 3G và 4G Đây là một mạng không dây toàn cầu mới, được thiết kế để kết nối mọi người và mọi vật, bao gồm máy móc, đồ vật và thiết bị.
Công nghệ không dây 5G mang lại tốc độ dữ liệu vượt trội lên đến nhiều Gbps, với độ trễ cực thấp và độ tin cậy cao Nó cung cấp dung lượng mạng lớn hơn, tăng cường tính khả dụng và mang đến trải nghiệm người dùng đồng nhất cho nhiều người Hiệu suất cao hơn và hiệu quả được cải thiện giúp nâng cao trải nghiệm người dùng mới và kết nối các ngành công nghiệp phát triển.
5G không chỉ đơn thuần là tăng băng thông mà còn đại diện cho sự tái cấu trúc cơ bản của mạng truy cập, tận dụng các xu hướng công nghệ chính để thúc đẩy đổi mới Công nghệ 5G dự kiến sẽ hỗ trợ giao diện người dùng nhập vai, các ứng dụng quan trọng như an toàn công cộng và phương tiện tự lái, cùng với Internet of Things (IoT) Những trường hợp sử dụng này sẽ bao gồm từ thiết bị gia dụng đến robot công nghiệp và ô tô tự lái, cho thấy rằng 5G không chỉ giúp con người truy cập Internet qua điện thoại thông minh mà còn cho phép nhiều thiết bị tự động hoạt động cùng nhau Do đó, việc hỗ trợ các dịch vụ này đòi hỏi nhiều hơn chỉ là cải thiện băng thông hay độ trễ cho người dùng cá nhân.
Các yêu cầu đối với kiến trúc này là đầy tham vọng và có thể được minh họa bằng ba lớp khả năng [2]:
eMBB (Băng thông di động nâng cao) hướng đến việc cung cấp cho người dùng khả năng truy cập nội dung đa phương tiện, dịch vụ và dữ liệu một cách dễ dàng Các yêu cầu thiết kế chính bao gồm tốc độ dữ liệu cao, khả năng phục vụ một lượng lớn người dùng, độ trễ thấp và vùng phủ sóng rộng rãi.
Massive Internet of Things (mIoT) and Massive Machine Type Communications (mMTC) refer to the deployment of an extensive number of devices that utilize minimal data while maintaining long battery life.
URLLC (Giao tiếp siêu tin cậy với độ trễ thấp) đòi hỏi tiêu chuẩn cao về tốc độ, độ trễ và tính khả dụng Các ứng dụng của URLLC rất đa dạng, bao gồm ngành công nghiệp chế tạo, y tế và điện lực.
Những mục tiêu này không thể đạt được ngay lập tức, nhưng chúng phản ánh sự nỗ lực kéo dài hàng thập kỷ của mỗi thế hệ mạng di động.
1.1.2 Các công nghệ lõi sử dụng trong 5G
Các công nghệ lõi sử dụng trong 5G bao gồm: Scalable numerology, Flexible slots, BWP, Massive MIMO, và Beamforming
Công nghệ 5G kết hợp đa truy nhập OFDMA với LTE, mang đến khả năng tối ưu hóa hiệu suất mạng Khái niệm Scalable numerology cho phép tùy chỉnh linh hoạt giữa độ rộng sóng mang con (Subcarrier Spacing - SCS) và tiền tố vòng (Cyclic Prefix - CP), từ đó cải thiện khả năng truyền tải dữ liệu và giảm độ trễ.
5G NR hỗ trợ các khoảng độ rộng sóng mang con bao gồm: 15, 30, 60, 120 và
Tần số 240 kHz được trình bày trong Hình 1.1, với sự hỗ trợ cho cả Normal Cyclic Prefix (tiền tố tuần hoàn thông thường) và Extended Cyclic Prefix (tiền tố tuần hoàn mở rộng, chỉ áp dụng cho SCS 60 kHz) [3].
Hình 1.1 Các độ rộng khoảng cách sóng mang con
Mỗi phương pháp lựa chọn SCS sẽ ảnh hưởng đến thời gian truyền của từng symbol khác nhau Hình 2.2 minh họa sự phân bố các slots trong mỗi subframe.
Hình 1.2 Phân bố Slots mỗi Subframe
In a radio framework, one frame equals 10 milliseconds, while one subframe corresponds to 1 millisecond When the Subcarrier Spacing (SCS) is set to 15 kHz, each subframe equates to one slot, which contains 14 symbols in a normal cyclic prefix (CP) For different SCS values, a mini-slot may consist of 2, 4, or 8 OFDM symbols The specific number of slots per subframe for each SCS is illustrated in Figure 1.3.
Hình 1.3 Số Slots mỗi Subframe tương ứng từng trường hợp SCS 1.1.2.2 Self-contained slots
Self-contained slots là loại slot tích hợp thông tin DL, UL và các ký hiệu Guard, nhằm đạt được tốc độ truyền cao nhất Hình 1.4 minh họa rõ ràng cho khái niệm này.
Hình 1.4 Hai trường hợp hỗ trợ truyền DL, UL tốc độ cao Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 5
Trường hợp 1: Cho phép truyền dữ liệu DL có độ trễ thấp
UE sử dụng ký hiệu cuối để truyền thông tin kết quả kiểm tra CRC cho các khối dữ liệu DL đã được gửi trong slot Điều này giúp tối ưu hóa độ trễ trong việc truyền lại dữ liệu khi có lỗi xảy ra.
Trường hợp 2: Cho phép truyền dữ liệu UL có độ trễ thấp
UE giải mã PDCCH trong các symbols khởi tạo (1, 2 hoặc 3) của slot, sau đó sử dụng để giữ symbols tiếp theo sau khoảng bảo vệ nhằm truyền dữ liệu UL và có thể bao gồm cả dữ liệu điều khiển UL Điều này giúp tối ưu hóa độ trễ trong việc lập lịch và truyền tải dữ liệu UL.
Sự mở rộng và tùy biến của SCS tác động đến miền tần số, dẫn đến số lượng RBs khác nhau tùy thuộc vào băng thông kênh và SCS Hình 1.5 minh họa băng thông tối thiểu, tối đa và số PRB tối đa tại mỗi tần số.
Hình 1.5 Băng thông tối thiểu, tối đa và số PRB tối đa tại mỗi tần
Các kỹ thuật ghép kênh sử dụng trong 4G và 5G
1.2.1 Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
Công nghệ OFDM, được phát triển vào những năm 1960 và 1970, nhằm mục đích giảm thiểu giao thoa giữa các ký hiệu và nhiễu ISI do hiện tượng đa đường.
Khái niệm Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 14
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) là một dạng điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ được thiết kế để trực giao với nhau Điều này cho phép các phổ tín hiệu của các sóng mang chồng lấn lên nhau mà không làm mất đi khả năng khôi phục tín hiệu ban đầu ở phía thu Nhờ vào sự chồng lấn này, OFDM mang lại hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các phương pháp điều chế truyền thống.
Nguyên lý cơ bản của OFDM là phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn, cho phép phát đồng thời trên nhiều sóng mang con trực giao Việc tăng khoảng thời gian ký hiệu cho các sóng mang con song song giúp giảm thiểu nhiễu do độ trễ đa đường, từ đó cải thiện hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Tính trực giao của hệ thống OFDM
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) dựa trên nguyên tắc trực giao của tín hiệu của tín hiệu sin [14]
Một hệ thống được hình thành bởi các thành phần:
Hệ thống này trực giao trong [a,b] nếu:
∫ Đồng thời phải xác minh rằng:
Bằng cách này, chúng ta có một hệ thống được tạo bởi các hàm lượng giác là một hệ trực giao trong khoảng độ dài 2 bất kỳ:
Hệ thống này cho phép chúng ta truyền từng ký hiệu ở các tần số sóng mang khác nhau mà không gặp phải hiện tượng nhiễu.
Trong hình 1.16, mỗi sóng mang có số nguyên chu kỳ trong khoảng thời gian T, với số chu kỳ của các sóng mang con kế cận chênh lệch nhau đúng một chu kỳ Tính chất này lý giải cho sự trực giao giữa các sóng mang.
Hình 1.16 Tín hiệu OFDM có 4 sóng mang con
Trong miền tần số, mỗi sóng mang con trong hệ thống OFDM được biểu diễn bằng hàm sinc Hình 1.17 minh họa phổ của ký tự OFDM, trong đó có 7 sóng mang con, được tạo thành từ tổng hợp của 7 hàm sinc khác nhau.
Hình 1.17 Phổ tín hiệu OFDM với 7 sóng mang
Vì một kênh mang nhiều sóng mang nên mỗi sóng mang chỉ cần bằng thông hẹp nên chống được fading và trải trễ
Hệ thống OFDM băng gốc
Sơ đồ hệ thống OFDM băng gốc
Hình 1.18 Sơ đồ hệ thống OFDM Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 16
Hệ thống OFDM được mô tả qua sơ đồ trong Hình 1.18, bắt đầu bằng việc dòng dữ liệu nhị phân đầu vào được sắp xếp và chuyển đổi từ dạng nối tiếp sang song song Dòng dữ liệu tốc độ cao sau đó được mã hóa bằng thuật toán FEC để đảm bảo tính chính xác Sau khi mã hóa, dữ liệu được sắp xếp theo trình tự hỗn hợp và tín hiệu dẫn đường pilot được chèn vào Khối IFFT nhận đầu vào là các ký tự hỗn hợp và thực hiện biến đổi từ miền thời gian sang miền tần số Để giảm thiểu nhiễu ISI, khoảng bảo vệ được thêm vào Cuối cùng, tín hiệu thời gian liên tục được chuyển đổi lên tần số cao để truyền tải qua các kênh bằng bộ lọc phía phát.
Trong quá trình truyền, sẽ có các nguồn nhiễu như nhiễu Gaussian trắng cộng AWGN gây ảnh hưởng lên các kênh
Tại phía thu, tín hiệu được truyền xuống tần số thấp và tín hiệu rời rạc được thu nhận tại bộ lọc Khoảng bảo vệ được loại bỏ, và các mẫu được chuyển đổi từ miền thời gian sang miền tần số thông qua phép biến đổi DFT với thuật toán FFT Tùy thuộc vào sơ đồ điều chế, sự dịch chuyển về biên độ và pha của sóng mang con sẽ được cân bằng bằng bộ cân bằng kênh Các ký tự hỗn hợp sau đó sẽ được sắp xếp ngược lại và giải mã, dẫn đến việc thu được dòng dữ liệu nối tiếp ban đầu Kỹ thuật OFDM mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.
Sử dụng dải tần hiệu quả do phép chồng phổ giữa các sóng mang
Để giảm thiểu ảnh hưởng của fading và hiệu ứng đa đường, cần chia kênh fading chọn lọc tần số thành các kênh fading phẳng tương ứng với các tần số sóng mang khác nhau trong hệ thống OFDM.
Dễ dàng thích ứng với các điều kiện kênh khắc nghiệt mà không cần cân bằng miền thời gian phức tạp Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 17
If the length of the guard interval exceeds the maximum transmission delay of the channel, the OFDM system can completely eliminate intersymbol interference (ISI).
Bộ thu có cấu trúc đơn giản
Công suất đỉnh cao hơn công suất trung bình gây lên nhiễu xuyên điều chế
Làm giảm hiệu suất đường truyền, do chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích
Hệ thống OFDM rất nhạy cảm với hiệu ứng Doppler, sự dịch tần (frequency offset) và dịch thời gian (time offset) do sai số đồng bộ
1.2.2 Kỹ thuật ghép kênh OFDM Zero Tail Để khắc phục những thiếu sót trong kỹ thuật OFDM, kỹ thuật OFDM Zero Tail được đề xuất để sử dụng hiệu quả băng thông và công suất Sơ đồ khối cơ bản của OFDM Zero Tail được thể hiện trong Hình 1.19 Hệ thống tuân theo cùng một sơ đồ và chuyển qua các kênh giống như trước đây, nhưng thay đổi đáng kể trong việc truyền và nhận
Hình 1.19 Sơ đồ khối cơ bản của OFDM – ZT
Hệ thống OFDM Zero Tail:
Phía phát: Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 18
Hình 1.20 Phía phát của OFDM – ZT
Tín hiệu OFDM trong hệ thống này được tạo ra tương tự như các hệ thống trước, nhưng khác biệt ở việc xử lý trong miền thời gian của các ký hiệu OFDM Cụ thể, các tiền tố tuần hoàn CP được thay thế bằng đuôi không (Zero Tail), tức là thêm đuôi số không vào mỗi ký hiệu OFDM Kỹ thuật này giúp giảm thiểu lãng phí công suất và tối ưu hóa việc sử dụng băng thông.
Ký hiệu OFDM + CP có thể biểu diễn như sau:
Ký hiệu OFDM + Zaro Tail có thể biểu diễn như sau:
Sơ đồ hệ thống OFDM Zero Tail, như thể hiện trong Hình 1.20, dựa trên nguyên tắc trực giao của tín hiệu hình sin tương tự như kỹ thuật OFDM, cho phép tạo ra một hệ thống trực giao trong khoảng độ dài 2 bất kỳ, giúp các ký hiệu truyền đi không gây nhiễu lẫn nhau Trước khi truyền, dữ liệu cần được điều chế, trong đó phương pháp điều chế QAM được áp dụng để tạo ra hai vector thông tin đồng pha và vuông góc độc lập.
Phía thu Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 19
Hình 1.21 Cấu trúc phía thu của OFDM – ZT
Cấu trúc phía thu của OFDM Zero Tail, như mô tả trong Hình 1.21, cho thấy rằng khi ký hiệu OFDM Zero Tail đi qua kênh đa đường, tích chập bị ảnh hưởng bởi các thành phần không theo chu kỳ của tín hiệu mới Việc thu nhận không thể thực hiện chỉ bằng cách nhìn N mẫu thời gian của ký hiệu phía thu, vì phần đuôi số không chứa thông tin về kết quả tích chập Để xử lý thông tin này, giá trị của các mẫu đuôi được thêm vào các mẫu ký hiệu đầu tiên, quá trình này gọi là chồng chéo – thêm tích chập khối, như minh họa trong Hình 1.22, cho phép phục hồi các mẫu ký hiệu OFDM và loại bỏ các mẫu bổ sung.
Hình 1.22 Sơ đồ minh họa phương pháp chồng chéo – thêm
DFT-s-OFDM (DFT Spread OFDM) là một phương pháp điều chế tiên tiến của OFDM, mang lại hiệu quả thông lượng và độ phức tạp tương tự như OFDM nhưng với tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) thấp hơn Đặc biệt, đa truy nhập đường lên sử dụng DFT-s-OFDM được gọi là SC-FDMA, được áp dụng trong các hệ thống thông tin di động sau 3G như LTE và WIMAX.
Lưới tài nguyên vô tuyến cho hệ thống thông tin di động 5G
Lưới tài nguyên trong NR được minh họa trong Hình 1.28, có hình dạng tương tự như lưới tài nguyên LTE Tuy nhiên, các yếu tố như khoảng cách sóng mang con và số lượng ký hiệu OFDM trong khung vô tuyến sẽ thay đổi tùy thuộc vào băng tần được sử dụng trong NR.
Phần tử tài nguyên là đơn vị nhỏ nhất trong lưới tài nguyên, được hình thành từ một sóng mang con trong miền tần số kết hợp với một ký hiệu OFDM trong miền thời gian.
Resource Block (Khối tài nguyên - RB): được định nghĩa là 12 số sóng mang con liên tiếp trong miền tần số
Lưới tài nguyên (Resource Grid) là sự kết hợp giữa các sóng mang con và các ký hiệu OFDM, được xác định cho từng sóng mang và cổng anten Mỗi đường lên, đường xuống và liên kết phụ sẽ có một tập hợp lưới tài nguyên riêng biệt.
Hình 1.28 Cấu trúc lưới tài nguyên Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 25
Kết luận chương 1
Chương 1 của bài nghiên cứu tập trung vào hệ thống thông tin di động 5G, bao gồm các công nghệ cốt lõi, kiến trúc mạng di động 5G và 5GC, cũng như sự tiến hóa của RAN Nghiên cứu cũng khám phá các kỹ thuật ghép kênh trong 4G và 5G như OFDM, OFDM Zero Tail và DFT-s-OFDM, từ đó phân tích ưu nhược điểm của từng hệ thống Cuối cùng, chương này tìm hiểu về lưới tài nguyên vô tuyến trong hệ thống 5G, với sự khác biệt về số lượng RBs tùy thuộc vào băng thông kênh và SCS.
PHƯƠNG THỨC TRUYỀN DẪN ZERO TAIL DFT-s-OFDM
Tổng quan về truyền dẫn Zero Tail DFT-s-OFDM
Cả OFDM và DFT-s-OFDM đều hiệu quả trong việc giảm thiểu fading nhờ vào việc chèn Tiền tố tuần hoàn (CP) vào đầu mỗi ký hiệu thời gian Khi độ dài của CP lớn hơn độ lan truyền trễ của kênh, hiện tượng nhiễu giữa các ký hiệu sẽ được tránh, và tín hiệu sẽ được coi là tuần hoàn tại phía thu.
Việc sử dụng chu kỳ bảo vệ (CP) trong tiêu chuẩn vô tuyến dựa trên OFDM gặp nhiều hạn chế Độ dài CP phải được mã hóa cố định để phù hợp với khung thời gian, như trong LTE với hai cấu trúc khung con: CP ngắn 4,7 với 14 ký hiệu thời gian và CP dài 8,6 với 12 ký tự thời gian, cả hai đều giới hạn trong độ dài khung con 1ms Điều này có thể dẫn đến hạn chế về thông lượng khi thời gian trễ lan truyền thấp hơn độ dài CP Ngược lại, nếu độ dài CP không đủ, có thể ảnh hưởng đến tỷ lệ lỗi khối (BLER) trong trường hợp độ trễ lớn Hơn nữa, việc sử dụng chiều dài CP khác nhau, như CP dài và CP ngắn trong LTE, có thể gây ra nhiễu không đồng bộ giữa các mạng hoạt động gần nhau, làm giảm hiệu suất tổng thể.
Việc áp dụng tín hiệu Zero Tail DFT-s-OFDM là một giải pháp hiệu quả thay thế cho điều chế OFDM và DFT-s-OFDM dựa trên CP truyền thống, nhằm tự động điều chỉnh hệ thống để ứng phó với sự phân tán thời gian của kênh Nguyên tắc hoạt động của Zero Tail DFT-s-OFDM là tạo ra tín hiệu với công suất cực kỳ thấp ở phần đuôi, với chiều dài đuôi có thể tự động điều chỉnh theo thời gian trễ ước lượng mà không cần thay đổi numerology của hệ thống Do phần đuôi được tích hợp trong tín hiệu đầu ra IFFT, các mạng sử dụng độ dài đuôi khác nhau có thể cùng sử dụng numerology và phối hợp truyền tải để tránh nhiễu lẫn nhau Hơn nữa, Zero Tail DFT-s-OFDM còn cho thấy hiệu suất sử dụng phổ tốt hơn so với các kỹ thuật OFDM và DFT-s-OFDM.
2.1.1 Sự thúc đẩy cho tín hiệu Zero Tail DFT-s-OFDM
Trong hệ thống OFDM/ DFT-s-OFDM truyền thống, độ dài CP được thiết lập theo yêu cầu:
= + (2.1) Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 27
Độ trễ lan truyền của kênh, ký hiệu là , là thời gian truyền tín hiệu giữa máy phát và máy thu Khi điều kiện của phương trình (2.1) được đáp ứng, tính tuần hoàn của tín hiệu tại máy thu sẽ được duy trì, cho phép áp dụng cân bằng một lần chạm Trong hệ thống LTE/LTE Advanced, độ trễ lan truyền có thể được bù đắp thông qua quy trình nâng cao thời gian, trong khi CP chủ yếu được sử dụng để xử lý vấn đề trễ truyền lan.
Như đã đề cập ở trên, trong các tiêu chuẩn vô tuyến theo lịch trình hiện có độ dài
CP được mã hóa cố định dẫn đến sự kém hiệu quả của hệ thống và khó khăn khi tương tác với các hệ thống sử dụng độ dài CP khác nhau Hình 2.1a cho thấy hai hệ thống lân cận có thể gây ra can thiệp không đồng bộ do sự khác biệt trong thiết lập CP, mặc dù chúng được đồng bộ hóa ở các mức khung Các máy thu như loại bỏ giao thoa kết hợp (IRC) và loại bỏ giao thoa liên tiếp (SIC) có thể ngăn chặn nhiễu đồng bộ nhưng không thể loại bỏ can thiệp không đồng bộ, dẫn đến hiệu suất liên kết kém.
Hình 2.1 Tín hiệu dựa trên CP (a) với tín hiệu Zero Tail
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét hai khung OFDM/DFT-s-OFDM không có CP nhưng có một tập hợp các số 0 ở cuối Hình 2.1b cho thấy rằng các số 0 này có thể khác nhau cho hai khung mà vẫn giữ nguyên độ dài ký hiệu Những số 0 này không được tạo ra bằng cách bỏ trống các mẫu cuối cùng của IFFT, mà là kết quả tự nhiên của nó Thời gian của phần số 0 đáp ứng yêu cầu tương tự của TCP theo phương trình (2.1), đảm bảo rằng mỗi ký hiệu OFDM/DFT-s-OFDM không tràn năng lượng sang các ký tự liền kề, từ đó duy trì tính tuần hoàn của tín hiệu tại máy thu Các tín hiệu Zero Tail sở hữu những thuộc tính thuận lợi, góp phần cải thiện hiệu suất truyền dẫn.
Khả năng tự động thích ứng với độ trễ lan truyền mà không cần thay đổi hệ thống numerology giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng Điều này giảm thiểu tổn thất thông lượng tiềm năng và hạn chế tăng BLER (tỷ lệ lỗi khối) do CP mã hóa cứng Độ trễ lan truyền có thể được ước lượng thông qua các chuỗi pilot được gửi định kỳ và thiết lập tương ứng.
Các hệ thống khác nhau có thể cùng tồn tại nhờ vào việc sử dụng chung các mẫu trong ký hiệu OFDM/DFT-s-OFDM, cho phép hoạt động trên nhiều loại kênh với cùng một numerology, chẳng hạn như độ dài ký hiệu Khi các hệ thống này được đồng bộ hóa ở mức khung và ký hiệu, chúng có thể phối hợp truyền tải mà không gây nhiễu lẫn nhau Hơn nữa, ngay cả khi truyền đồng thời, chúng tạo ra nhiễu không đồng bộ, có thể được triệt tiêu bởi bộ dò IRC và SIC, từ đó nâng cao hiệu suất thông lượng.
2.1.2 Sự hình thành tín hiệu Zero Tail
Tín hiệu Zero Tai có thể được tạo bằng một dạng của chuỗi DFT-s-OFDM truyền thống [22] Vector đầu vào là ma trận cỡ được xác định như sau:
Vector độ dài x của các số 0 được biểu diễn dưới dạng vector ký hiệu dữ liệu với kích thước ma trận, cùng với toán tử chuyển vị Sau đó, vector q được đưa vào khối DFT, và đầu ra của nó được ánh xạ qua một tập các tần số sóng mang con để xử lý IFFT Kết quả cuối cùng của quá trình IFFT là vector tín hiệu thời gian, được biểu diễn bằng công thức s √ q, trong đó phản ánh ma trận FFT chưa chuẩn hóa với kích thước tương ứng.
Cho và là ma trận ánh xạ dữ liệu sóng mang con trên miền tần số có kích thước (ma trận ánh xạ sóng mang con)
Bằng cách áp dụng phương trình (2.3) trên vector đầu vào, dữ liệu tại vị trí z tập trung chủ yếu năng lượng ở vị trí ⌊ ⌋ của vector s trong miền thời gian Kết quả là, các vector trước DFT sẽ được mở rộng từ phần đầu và phần đuôi của s Độ dài của các vector và đại diện cho miền thời gian tương ứng zero-head và zero-tail lần lượt được xác định.
Trong đó: : độ dài IFFT; N: số sóng mang con; : độ dài zero-head; : độ dài zero-tail
Hình 2.2 Ảnh chụp tín hiệu Zero Tail DFT-s-OFDM , giả sử N = 1200,
Hình 2.2 thể hiện tín hiệu trong miền thời gian, với các vector đã được đánh dấu Công suất của chúng không bằng 0, nhưng thấp hơn đáng kể so với công suất phát trung bình Hiện tượng công suất thấp không bằng 0 ở đuôi là do rò rỉ dữ liệu trong các mẫu thời gian còn lại Thiết kế phải đáp ứng yêu cầu của phương trình (2.1) và đảm bảo rằng chu kỳ IFFT không tạo ra năng lượng tái sinh ở các mẫu cuối cùng của đuôi.
Trong trường hợp, đáp ứng kênh lý tưởng, vector truyền có thể được xác định như sau:
= √ (2.7) khi biểu thị tín hiệu nhận được và vector dữ liệu sau đó được cho bởi :
[ ] (2.8) Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 30
Với việc truyền qua một kênh fading, cân bằng miền tần số có thể được áp dụng như trong các hệ thống OFDM và DFT-s-OFDM truyền thống
Việc tạo tín hiệu Zero Tail DFT-s-OFDM dẫn đến DFT-s-OFDM truyền thống với độ phức tạp của bộ thu phát tương đương như bộ thu phát LTE đường lên Mở rộng sơ đồ truyền dẫn đa anten cũng đơn giản như trong các sơ đồ OFDM/DFT-s-OFDM Tuy nhiên, trong DFT-s-OFDM truyền thống, các ký hiệu dữ liệu trải rộng trên toàn bộ băng thông, ngăn cản việc sử dụng lập lịch chọn lọc tần số hoặc thích ứng liên kết Khả năng áp dụng các thuật toán chọn lọc tần số vẫn có thể giữ lại khi áp dụng trải rộng DFT Sự có mặt của cả zero-head và zero-tail giúp giảm quá trình chuyển đổi đột ngột giữa các ký hiệu thời gian liền kề, dự kiến sẽ làm giảm lượng phát xạ ngoài băng của các tín hiệu liên quan đến OFDM/DFT-s-OFDM.
Trong phần này lý thuyết về các tín hiệu Zero Tail DFT-s-OFDM sẽ được cung cấp
Ta ký hiệu là tổng độ dài phần không trong miền thời gian, tức là
Để đơn giản, không mất đi tính tổng quát, ta giả sử rằng và chỉ tập trung vào việc tạo ra
Sau đó, vectơ miền thời gian có thể được viết lại thành:
Có thể viết (2.10) dưới dạng ̃ (2.11), trong đó ̃ đại diện cho ma trận phân vùng của ma trận (2.12) Vectơ công suất trung bình của được xác định như sau:
{ } { ̃ ̃ } (2.13) Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 31
Biểu thức này thể hiện phép toán kỳ vọng, là toán tử Hamilton và cung cấp đường chéo của ma trận mà nó được áp dụng Do số hạng ngẫu nhiên duy nhất trong phương trình (2.13) được xác định bởi vector dữ liệu, phương trình có thể được viết lại dưới dạng: ̃ { } ̃ (2.14).
Các chòm sao ký hiệu dữ liệu truyền thống được xác định dựa trên công suất trung bình duy nhất, thể hiện qua ma trận kích thước Các thành phần của ma trận này có thể được biểu diễn một cách cụ thể.
| | = ∑ | ̃ | (2.15) cho 1 Bằng các phép tính đơn giản phương trình (2.15) có thể được biểu diễn dưới dạng tích của hàm độc lập:
Hình 2.3 Phần dao động và đường bao của Zero Tail, giả sử = 1200,
, Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 32
Phân tích mô hình kênh đường lên 5G
Để truyền dữ liệu qua mạng 5G, thông tin được phân chia thành nhiều kênh dữ liệu khác nhau Việc tổ chức này giúp hệ thống truyền thông 5G nhận diện và xử lý dữ liệu một cách hiệu quả.
Trong môi trường truyền thông vô tuyến, việc truyền tải nhiều loại dữ liệu khác nhau như dữ liệu người dùng, thông tin điều khiển, và dữ liệu đồng bộ hóa là rất quan trọng Những chức năng này không chỉ cần thiết mà còn yêu cầu một hệ thống truyền dữ liệu hiệu quả qua mạng để đảm bảo quản lý liên kết và truy cập.
Hệ thống thông tin di động 5G sử dụng tầng truy cập tương tự như 4G LTE Mô hình kênh đường xuống và đường lên của 5G NR được minh họa rõ ràng trong Hình 2.5.
Hình 2.5 Mô hình kênh đường xuống và đường lên 5G NR
Mặc dù tồn tại hai ngăn xếp giao thức là mặt phẳng người dùng và mặt phẳng điều khiển, nhưng chúng vẫn tuân theo mô hình tham chiếu OSI Điều này dẫn đến sự hình thành nhiều lớp giao thức khác nhau, từ đó xác định một số lớp kênh dữ liệu cho truyền thông vô tuyến.
2.2.1 Hệ thống phân cấp kênh 5G Để nhóm dữ liệu được gửi qua mạng truy cập vô tuyến 5G NR, dữ liệu được tổ chức một cách rất hợp lý Vì có nhiều chức năng khác nhau được gửi qua liên kết thông tin vô tuyến, chúng cần được đánh dấu rõ ràng và có vị trí và định dạng xác định Để đảm bảo điều này xảy ra, có một số dạng kênh dữ liệu khác nhau được sử dụng Những kênh cấp cao hơn được ánh xạ hoặc chứa trong những kênh khác cho đến khi cuối cùng ở lớp vật lý, kênh chứa dữ liệu từ các kênh cấp cao hơn
Luồng dữ liệu logic và luồng dữ liệu quản lý được truyền từ các cấp cao hơn của ngăn xếp xuống lớp vật lý, theo mô hình phân cấp kênh trong 5G NR như thể hiện trong Hình 2.6.
Có 3 loại kênh dữ liệu chính được sử dụng trong hệ thống thông tin di động Điều này đúng với các hệ thống 5G và theo đó, hệ thống phân cấp được đưa ra:
Kênh logic: Các kênh logic có thể là một trong hai nhóm: kênh điều khiển và kênh lưu lượng
Các kênh điều khiển: được sử dụng để truyền dữ liệu từ mặt phẳng điều khiển Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 34
Hình 2.6 Mô hình phân cấp kênh 5G NR
Các kênh lưu lượng: được sử dụng để truyền dữ liệu từ mặt phẳng người dùng
Kênh truyền tải: là sự ghép kênh của dữ liệu logic được vận chuyển bởi lớp vật lý và các kênh của nó qua giao diện vô tuyến
Kênh vật lý là những kênh gần gũi nhất với việc truyền dữ liệu thực tế qua mạng truy cập vô tuyến hoặc tín hiệu 5G RF Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải dữ liệu qua giao diện vô tuyến.
Các kênh vật lý thường được ánh xạ với các kênh cấp cao hơn để cung cấp dịch vụ cụ thể Bên cạnh đó, các kênh vật lý cũng chứa thông tin về dữ liệu payload và các đặc tính truyền dữ liệu như điều chế, ghép kênh tín hiệu tham chiếu, công suất phát và tài nguyên RF.
Có một số kênh logic khác nhau được sử dụng trong mạng truy cập vô tuyến 5G
Một số tên quen thuộc từ hệ thống 4G LTE đã được chuyển sang, như Đặng Thị Lịch, D17CQVT02 – B Trang 35.
Kênh điều khiển quảng bá (BCCH) là kênh sử dụng trong đường xuống để truyền tải thông tin quảng bá đến thiết bị người dùng trong ô mạng Thông tin hệ thống được truyền qua BCCH được phân chia thành nhiều khối khác nhau.
Khối thông tin chính (Master Information Block – MIB): có một MIB và nó được ánh xạ vào kênh quảng bá BCH và sau đó đến kênh vật lý PBCH
Khối thông tin hệ thống (SIB) bao gồm nhiều khối khác nhau, được ánh xạ vào kênh truyền tải DL – SCH và tiếp theo là vào kênh vật lý PDSCH.
Kênh điều khiển tìm gọi (Paging Control Channel - PCCH) là kênh đường xuống, được sử dụng khi mạng không xác định được vị trí ô của thiết bị người dùng (UE) hoặc khi UE đang ở trạng thái kết nối nhưng thực hiện các quy trình chế độ ngủ PCCH được ánh xạ tới kênh truyền tải và sau đó tới kênh vật lý, giúp đảm bảo quá trình tìm gọi diễn ra hiệu quả.
Kênh điều khiển chung (Common Control Channel – CCCH) trong mạng 5G đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin điều khiển giữa thiết bị di động và mạng Kênh này được sử dụng cho cả đường lên và đường xuống, giúp thực hiện các truy cập ban đầu cho những điện thoại di động không có điều khiển tài nguyên vô tuyến và kết nối RRC.
Kênh điều khiển riêng (Dedicated Control Channel - DCCH) là kênh quan trọng trong mạng di động, được sử dụng để truyền tải thông tin điều khiển giữa thiết bị di động (UE) và mạng trong cả đường lên và đường xuống Sau khi thiết lập kết nối RRC và điều khiển tài nguyên vô tuyến, UE và mạng sẽ sử dụng DCCH để đảm bảo quá trình giao tiếp hiệu quả.
Mô hình hệ thống Zero Tail DFT-s-OFDM cho đường lên 5G
Trong hệ thống LTE, khoảng thời gian bảo vệ được mã hóa cố định chỉ có hai tùy chọn: CP thông thường và CP mở rộng Trạm gốc chỉ có thể chọn một trong hai khoảng thời gian bảo vệ này, vì việc sử dụng các khoảng thời gian khác nhau sẽ dẫn đến sự khác biệt về thời gian ký hiệu và tổng số lượng ký hiệu trên mỗi khung Điều này có thể gây ra nhiễu không đồng bộ, ngay cả khi các khung được căn chỉnh.
Các CP khác nhau không thể đồng tồn tại trong cùng một ô, dẫn đến khoảng thời gian không linh hoạt gây cản trở cho thiết bị người dùng có điều kiện kênh tốt hơn Để khắc phục vấn đề này, Zero Tail DFT-s-OFDM được đề xuất, trong đó CP được thay thế bằng khoảng thời gian bảo vệ nội bộ với chức năng tương tự Tổng thời gian bảo vệ và thời gian dữ liệu được cố định, nhưng tỷ lệ giữa chúng lại linh hoạt, như thể hiện trong Hình 2.8.
Hình 2.8: (a) Khoảng thời gian bảo vệ bên trong linh hoạt
(b) Một ví dụ minh họa về việc sử dụng khoảng thời gian bảo vệ bên trong linh hoạt trong đường lên
Trong phương pháp này, các vector không có độ dài được thêm vào phần đầu và phần đuôi của dữ liệu trước khi xử lý DFT Chiều dài đuôi được điều chỉnh dài hơn độ trễ lan truyền của kênh, giúp giảm thiểu rò rỉ sang ký hiệu tiếp theo mà không gây ra công suất đáng kể Thêm vào đó, công suất ở phần đầu thường ngắn hơn các số không ở đuôi, tạo ra sự chuyển đổi mượt mà hơn và giảm thiểu đáng kể OOBE Sơ đồ khối của hệ thống phát và thu Zero Tail DFT-s-OFDM được trình bày trong Hình 2.9.
Hình 2.9 Sơ đồ khối Zero Tail DFT-s-OFDM (a) Phía phát (b) Phía thu
Các chuỗi cố định được thêm vào mỗi ký hiệu giúp đảm bảo tính tuần hoàn ở bộ thu, cho phép Zero Tail DFT-s-OFDM hỗ trợ FDE một chạm Tuy nhiên, năng lượng dư của phần dữ liệu trong các mẫu cuối cùng gây ra sự rò rỉ không tuần hoàn đến ký hiệu tiếp theo, khiến cho phương pháp bảo vệ bên trong không đạt được tính tuần hoàn hoàn hảo như CP Hơn nữa, sự rò rỉ này là yếu tố hạn chế hiệu suất liên kết đối với người dùng sử dụng các điều chế bậc cao trong môi trường đa đường.
PAPR và OOBE thấp trong Zero Tail DFT-s-OFDM giúp tăng hiệu quả phổ nhờ vào khoảng thời gian bảo vệ linh hoạt Tính năng bảo vệ bên trong cho phép hệ thống tương thích với các thời gian ký hiệu khác nhau mà không gây ra nhiễu không đồng bộ Tuy nhiên, sự linh hoạt này cũng đòi hỏi chi phí cao hơn để theo dõi độ trễ lan truyền của kênh.
Kết luận chương 2
Chương 2 tập trung vào nghiên cứu hệ thống Zero Tail DFT-s-OFDM, bắt đầu từ tổng quan về truyền dẫn Zero Tail DFT-s-OFDM, từ động lực phát triển đến hình thành tín hiệu và phân tích lý thuyết chi tiết Bài viết cũng phân tích mô hình kênh 5G, bao gồm hệ thống phân cấp kênh 5G, các kênh logic 5G NR, kênh vận chuyển 5G NR, và các kênh dữ liệu lớp vật lý 5G NR, cùng với các tín hiệu tham chiếu cho đường lên 5G Cuối cùng, mô hình hệ thống Zero Tail DFT-s-OFDM cho đường lên 5G được đề xuất.