C ÔNG NGHỆ MẠNG DIỆN RỘNG CÔNG SUẤT THẤP LPWAN
Mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) là công nghệ không dây nổi bật với khả năng kết nối rộng, băng thông thấp và kích thước gói tin nhỏ LPWAN cho phép hoạt động liên tục trong thời gian dài mà không cần sạc hay thay pin, đáp ứng hiệu quả nhu cầu kết nối đa dạng của các ứng dụng IoT.
Công nghệ LPWA cung cấp giải pháp kết nối diện rộng cho các thiết bị có công suất và tốc độ dữ liệu thấp, dự kiến sẽ chiếm khoảng 1/4 trong tổng số 30 tỷ thiết bị IoT/M2M kết nối Internet qua mạng LPWAN Nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực kinh doanh như nông nghiệp, giao thông, và thành phố thông minh có thể khai thác công nghệ LPWA để kết nối thiết bị cuối.
Thành phố thông minh, ứng dụng IoT cá nhân, lưới điện thông minh, đo lường thông minh, hậu cần, giám sát công nghiệp, nông nghiệp, …
Hình 1.1 Ứng dụng của LPWAN
Mạng LPWAN là công nghệ kết nối ưu việt cho các thiết bị trong phạm vi rộng lớn, vượt trội hơn so với các công nghệ không dây khác như ZigBee, Bluetooth, Z-Wave, Wifi, và các mạng di động 2G, 3G, 4G Các công nghệ này thường chỉ hoạt động hiệu quả trong khoảng cách từ vài chục mét đến vài km, gây tốn kém khi triển khai cho các thiết bị IoT trong thành phố thông minh, đặc biệt là ở vùng sâu, vùng xa và hải đảo Với khả năng kết nối từ vài đến hàng chục km và tuổi thọ pin lên tới mười năm, công nghệ LPWA mang lại giải pháp tiết kiệm chi phí cho việc truyền thông internet của các thiết bị có công suất và thông lượng thấp.
Công nghệ LPWA cho phép các thiết bị IoT và M2M hoạt động hiệu quả trên diện tích rộng lớn, giúp chúng có thể được lắp đặt ở nhiều vị trí và thời điểm khác nhau.
Hình 1.2 So sánh các công nghệ truyền thông không dây [16]
Các công nghệ khác nhau áp dụng các kỹ thuật riêng để tối ưu hóa phạm vi hoạt động, giảm công suất và nâng cao khả năng mở rộng (xem bảng 1.1) Mặc dù công nghệ LPWA mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đi kèm với không ít thách thức và sự đánh đổi.
Bảng 1.1 Bảng so sánh các công nghệ LPWAN [3]
Công nghệ SIGFOX LORA NB IOT CAT M EC-GSM
Công suất ~162dB ~157dB ~164dB ~156dB ~164dB
Tuổi thọ Pin >10 năm >10 năm >10 năm >10 năm >10 năm
Phổ tần Không cần cấp phép
GSM & LTE (Có bản quyền)
Băng thông 600Hz 125kHz 180kHz 1.4MHz 200kHz Điều chế BPSK
Giao thức Sigfox Semtech 3GPP 3GPP 3GPP
- Dùng phổ tần không cần cấp phép: Sigfox, Lora
Trong lĩnh vực IoT, việc sử dụng phổ tần cần cấp phép như NB IoT, CAT M và EC-GSM là rất quan trọng Đối với các công nghệ không phải di động, Lora nổi bật hơn với tốc độ và băng thông vượt trội Tuy nhiên, giữa các công nghệ còn lại, sự khác biệt và phát triển phụ thuộc vào mục đích sử dụng cụ thể.
Bảng 1.2 Bảng so sánh từng công nghệ không dây trong tiêu chuẩn 3GPP [5]
NB IOT (Cat M2) LTE-MC
EC-GSM Đơn tone Đa tone Cat 0 Cat M (M1)
Release 13 Release 13 Release 12 Release 13 Release
13 Băng thông DL 180kHz (12 tone/15kHz) 20Mhz 1.4 Mhz 20kHz
Băng thông UL là 180kHz, trong khi băng thông DL có thể đạt tới 20MHz với các phương thức đa truy cập như OFDMA và TDMA Đối với băng thông UL, các phương thức FDMA và SC-FDMA được sử dụng cùng với TDMA Về điều chế, băng thông DL hỗ trợ BPSK, QPSK, 16QAM và 64QAM, trong khi băng thông UL sử dụng P/Q/8PSK và B/Q/16QAM, cùng với QPSK, 16QAM và GMSK.
Tốc độ đỉnh DL: 128kbps
Phủ sóng ~164 dB ~141 dB ~156 dB ~164 dB
Tính di động Hạn chế Có Có
Trong đó UL là tải lên (Uplink), DL là tải xuống (Downlink)
Dựa trên hai bảng so sánh, có thể thấy rằng công nghệ Lora và NB IOT nổi bật với các tiêu chí như tốc độ thấp, thời gian sử dụng dài, tiết kiệm chi phí và không cần di động.
S O SÁNH L ORA VÀ NB IOT
LoRa là công nghệ lớp vật lý được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp, khoa học và băng tần y tế (ISM), dựa trên kỹ thuật trải phổ (CSS) nổi bật CSS là một phương pháp điều chế tần số tuyến tính băng rộng, trong đó tần số sóng mang thay đổi theo thời gian Công nghệ LoRa hoạt động dựa trên các giao thức ALOHA thuần túy và hỗ trợ nhiều tần số ISM khác nhau, bao gồm 868 MHz (Châu Âu), 915 MHz (Bắc Mỹ) và 433 MHz.
LoRa, một công nghệ truyền dữ liệu phổ biến tại Châu Á, hỗ trợ tốc độ truyền từ 300 bps đến 50 kbps Công nghệ này sử dụng phương thức lan truyền bán trực giao, cho phép nhiều đường truyền hoạt động đồng thời với các hệ số lan truyền khác nhau (SF).
IoT băng thông hẹp (NB-IoT) là công nghệ LPWAN được phát triển trong bản 3GPP Release 13, cho phép triển khai mạng linh hoạt bằng cách sử dụng một phần nhỏ của phổ trong băng tần 4G (LTE) Là một công nghệ 3GPP, NB-IoT có khả năng tương thích với hệ thống di động 2G (GSM) và LTE ở các băng tần 700 MHz, 800 MHz và 900 MHz Công nghệ này hỗ trợ giao tiếp hai chiều, sử dụng phương thức đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) cho đường xuống và đa truy nhập phân chia theo tần số sóng mang đơn (SC-FDMA) cho đường lên.
ABI Research đã so sánh hai công nghệ này với đầy đủ các thông số công nghệ cho cả LoRaWAN và NB-IoT (Bảng 1.3):
Bảng 1.3 Bảng so sánh NB IOT và Lora [12]
Tham số LoRaWAN NB-IoT
Tuổi thọ pin Trên 15 năm Trên 10 năm
Dòng tiêu thụ đỉnh 32 mA 120 mA
Dũng tiờu thụ khi thiết bị Off 1 àA 5 àA
Thông lượng 50 Kbps 60 Kbps Độ trễ Phụ thuộc vào thiết bị 1 GHz)
Bảng 1.5 cho thấy Lora có chi phí thấp hơn NB-IOT do sử dụng phổ tần miễn phí và không cần giấy phép
Bảng 1.6 Bảng so sánh thực tế ứng dụng của 2 công nghệ [14]
Lĩnh vực Công nghệ Đo lường thông minh (ga, nước) Cả hai Nhà thông mình & thành phố thông minh NB IOT
Tra cứu tài sản, hàng hóa trong xuất nhập khẩu Cả hai
Nông nghiệp thông minh LoRaWAN
Dây chuyền sản xuất & Công nghiệp Cả hai Đèn phố và Bãi đỗ xe thông minh NB-IoT*
Hệ thống điện lưới thông minh NB-IoT*
Tủ và kệ thông minh (Bán lẻ) NB-IoT*
Thiết bị đeo & Dò tìm thú cưng Cả hai
Giám sát nhà kho LoRaWAN
Dựa trên các tiêu chí về tốc độ cao, độ trễ thấp và bảo mật tốt, NB IoT là sự lựa chọn tối ưu cho việc truyền tải dữ liệu Công nghệ này không chỉ cho phép truyền tải dữ liệu nhiều hơn mà còn đảm bảo an toàn cao, đặc biệt là trong lĩnh vực an ninh quốc phòng.
T IỀM NĂNG CỦA CÔNG NGHỆ NB-IOT
Đầu năm 2014, thị trường LPWAN bùng nổ nhờ sự phát triển của IoT (Internet Of Things) Nhận thấy tiềm năng của giao tiếp mới, 3GPP đã nghiên cứu khả năng hỗ trợ hệ thống di động cho giải pháp IoT với độ phức tạp và thông lượng thấp, được gọi là IoT di động Vào tháng 5 năm 2014, các nghiên cứu này đã mở ra hướng đi mới cho công nghệ kết nối.
Năm 2014, Huawei và Vodafone đã trình bày giải pháp kết nối băng hẹp giữa các máy móc (NB-M2M) lên 3GPP nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường IoT Đồng thời, Qualcomm cũng đề xuất công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao băng hẹp (NB-OFDM).
Vào tháng 5 năm 2015, 3GPP đã hợp nhất hai đề xuất NB-M2M và NB-OFDM để tạo ra IoT di động băng hẹp (NB-CIoT) Chỉ sau tám tháng, Ericsson đã giới thiệu NB-LTE (4G băng thông hẹp) Đến tháng 9 năm 2015, 3GPP đã tổng hợp tất cả các đề xuất trong Phiên bản release 13 Sự khác biệt chính giữa NB-CIoT và NB-LTE nằm ở việc tái sử dụng tài nguyên mạng LTE cũ để hỗ trợ khả năng tương tác Đến tháng 6 năm 2016, khái niệm NB-IoT đã được công nhận và tiếp tục phát triển cho đến nay.
Việc triển khai NB-IOT có thể tận dụng cơ sở hạ tầng hiện có như 2G và 4G (LTE), cho thấy tiềm năng lớn của NB-IOT trong phát triển bền vững Công nghệ này nhận được sự hỗ trợ mạnh mẽ từ nhiều nhà mạng và các công ty sản xuất chip hàng đầu trên toàn cầu.
M ỤC TIÊU THIẾT KẾ CỦA NB-IOT TRONG CÁC BẢN PHÁT HÀNH
NB-IoT có thể được triển khai trong ba chế độ khác nhau: chế độ độc lập, chế độ trong băng tần và chế độ băng tần bảo vệ, phù hợp với yêu cầu băng thông hạn chế.
Hình 1.5 Phổ tần NB IOT [7]
NB-IoT hỗ trợ truyền dẫn đa tone, cho phép phân bổ Đơn vị tài nguyên (RU) cho nhiều Thiết bị người dùng (UE) nhằm triển khai số lượng lớn thiết bị Trong đường tải lên, mỗi tone có thể chiếm 3,75 kHz hoặc 15 kHz băng thông truyền, dựa trên nguyên lý Đa truy nhập phân chia tần số sóng mang đơn (SC-FDMA) Đối với đường xuống, NB-IoT sử dụng tone truyền dẫn 15 kHz theo nguyên lý OFDM.
Công nghệ giảm chi phí, độ phức tạp
NB-IoT được thiết kế với độ phức tạp thấp nhằm giảm chi phí và hỗ trợ kết nối lớn Công nghệ này sử dụng băng tần gốc, bộ nhớ lưu trữ tối thiểu và các thành phần tần số vô tuyến (RF) giảm thiểu Hơn nữa, NB-IoT áp dụng các sơ đồ điều chế BPSK và QPSK hạn chế, chỉ cần một ăng-ten hỗ trợ.
Phương pháp giảm năng lượng
Các thiết bị NB-IoT được thiết kế với tuổi thọ pin lên tới 10 năm, giúp triển khai quy mô lớn mà không cần can thiệp nhiều từ con người Để đạt được điều này, hai tính năng quan trọng là Chế độ tiết kiệm năng lượng (PSM) và Chế độ tiếp nhận không liên tục mở rộng (eDRx) đã được tích hợp Đồng hồ thời gian thực (RTC) cũng được sử dụng để kích hoạt các tính năng này.
Bản phát hành 14 giới thiệu nhiều tính năng cải tiến đáng chú ý, bao gồm cập nhật định vị chính xác hơn, dịch vụ đa hướng tiên tiến và lớp công suất đầu ra UE mới Những cải tiến này nâng cao thông lượng hệ thống NB-IoT, đồng thời cải thiện tính di động và tính liên tục của dịch vụ.
Kỹ thuật định vị được cải tiến
3GPP Release 14 đã giới thiệu phương pháp định vị trong nhà tiên tiến thông qua chênh lệch thời gian từ UE đến các trạm phát lân cận (OTDOA) cho NB-IoT, nhằm nâng cao khả năng đo lường vị trí của UE liên quan đến nhận dạng tế bào (CID) Trong phương pháp OTDOA, UE thực hiện đo thời gian đến (ToAs) của tín hiệu tham chiếu định vị (PRS) từ các máy phát khác nhau để tạo ra phép đo chênh lệch thời gian tín hiệu tham chiếu (RSTD) Đối với CID nâng cao, các yêu cầu đo lường bao gồm chênh lệch thời gian nhận (Rx) và phát (Tx) của trạm gốc, công suất nhận tín hiệu tham chiếu (RSRP) và chất lượng nhận tín hiệu tham chiếu (RSRQ).
Mục tiêu của cơ chế này là tối ưu hóa tài nguyên và giảm độ trễ truyền bằng cách gửi dữ liệu đến một nhóm thiết bị người dùng (UE) cùng lúc, thay vì gửi đến từng thiết bị riêng lẻ Dịch vụ đa phương tiện phát sóng đa hướng (MBMS) được hỗ trợ thông qua nguyên lý điểm-tới-đa điểm trong một ô (SC-PTM) SC-PTM sử dụng NPDSCH để ánh xạ Kênh điều khiển MBMS trong một ô (SC-MCCH) và Kênh lưu lượng MBMS trong một ô (SC-MTCH), mang tín hiệu điều khiển và lưu lượng dữ liệu đến lớp vật lý, được lập lịch dựa trên thông tin điều khiển đường xuống (DCI).
Giảm mức năng lượng cho thiết bị người dùng
Công suất đầu ra tối đa của thiết bị đã giảm xuống còn 14 dBm, thay vì hai cấp công suất trước đó là 20 dBm và 23 dBm Sự thay đổi này dẫn đến việc giảm vùng phủ sóng 9 dB, từ 164 dB MCL xuống còn 155 dB MCL, và làm giảm lưu lượng Việc áp dụng loại năng lượng mới cũng cho phép sử dụng pin khuy áo nhỏ hơn.
Hỗ trợ kích thước khối truyền tải lớn hơn
Bản phát hành 3GPP 14 đã ra mắt danh mục thiết bị NB-IoT mới, nâng cao tốc độ dữ liệu bằng cách tăng kích thước khối truyền tải (TBS) lên 2536 bit.
Có thể đạt được các tốc độ dữ liệu này nhờ khả năng hỗ trợ quy trình Lai ghép tự động các yêu cầu lặp lại (HARQ) lần hai
Hoạt động đa sóng mang là một tính năng quan trọng cho phép triển khai NB-IoT quy mô lớn, giúp giám sát việc phân trang và thực hiện truy cập ngẫu nhiên trên các sóng mang không neo Tính năng này cho phép thêm một hoặc nhiều sóng mang không neo vào sóng mang neo, từ đó thực hiện các phép đo đồng bộ và di động thông qua NRS Ngoài ra, các sóng mang không neo cũng cần thực hiện truy cập hoặc phân trang ngẫu nhiên khi cần thiết và thiết lập lại việc kiểm soát tài nguyên vô tuyến (RRC) cho thiết bị người dùng NB-IoT.
NB-IoT cung cấp các tính năng mới nhằm giảm độ trễ truyền và mức tiêu thụ điện năng trong các yêu cầu truyền dài Hiện tại, NB-IoT UE hỗ trợ Yêu cầu lập lịch lớp vật lý (SR), cho phép mạng gửi quyền truy cập (DCI 0) để UE có thể truyền dữ liệu lên Ngoài ra, việc phát hành RRC nhanh và truyền dữ liệu sớm trong quy trình kênh truy cập ngẫu nhiên (RACH) cũng được hỗ trợ, giúp giảm độ trễ truyền và tiết kiệm điện năng cho UE.
Tính năng lập lịch bán cố định (SPS) đã được giới thiệu nhằm cải thiện dịch vụ tin nhắn thoại Trạm gốc sẽ cấu hình trước cho thiết bị người dùng (UE) một mã nhận dạng mạng vô tuyến tạm thời (SPS-RNTI) để phân biệt giữa các kênh vô tuyến của NB-IoT UE khác nhau SPS cho phép nhận dữ liệu NB-IoT theo chu kỳ được định cấu hình, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.
NB-IoT hỗ trợ triển khai các ô nhỏ và quy định rằng thiết bị NB-IoT (UE) không được phép phát công suất vượt quá mức tối đa đã được cấu hình, nhằm giảm thiểu nhiễu Đặc biệt, NB-IoT có khả năng mở rộng kết nối IoT ở các khu vực nông thôn và vùng sâu vùng xa, phục vụ cho các ứng dụng như nông nghiệp, hậu cần và giám sát môi trường, với phạm vi kết nối lên đến 100 km.
Các phép đo thiết bị người dùng nâng cao
Trong các hệ thống LTE cũ, phép đo UE đóng vai trò quan trọng trong việc mô tả tín hiệu tham chiếu của băng thông Phiên bản 15 đã cải tiến các phép đo UE, giúp nâng cao khả năng tìm kiếm và thu nhận tế bào ban đầu.
Hỗ trợ song công phân chia theo thời gian (TDD) cho khoảng cách 3,75 kHz và 15 kHz có một số hạn chế, chỉ cho phép sử dụng tiền tố chu kỳ bình thường trong truyền NB-IoT Để hỗ trợ các cấu hình TDD với ít khung con đường xuống, thông tin hệ thống (SI) có thể được truyền trên các sóng mang không neo Cách này giúp UE giảm thời gian thu thập và tìm kiếm thông tin hệ thống, đồng thời giảm sự khác biệt của UE và cải thiện kiểm soát truy cập.
Quyền truy cập miễn phí
Hầu hết mức tiêu thụ điện năng diễn ra trong thời gian hoạt động của NB-IoT
UE (Tx và Rx) UE được dự kiến sẽ truyền trong chế độ RRC-Idle thông qua tin nhắn
C ÁC THAM SỐ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG NB-IOT
SINR, hay Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu với tạp âm, là chỉ số thể hiện tỷ lệ giữa công suất tín hiệu và công suất nhiễu không mong muốn, bao gồm cả nhiễu từ bên ngoài và nhiễu nội sinh Chỉ số này thường được sử dụng để đo lường chất lượng kết nối trong truyền thông không dây Khi giá trị SINR cao, tín hiệu trung gian sẽ tốt hơn, đồng nghĩa với việc môi trường kênh ổn định hơn và tốc độ truyền dữ liệu sẽ cao hơn.
Thông lượng là chỉ số quan trọng thể hiện lượng dữ liệu truyền qua mạng trong một khoảng thời gian nhất định, với đơn vị đo là kbps Thông lượng càng cao, hiệu suất truyền tải dữ liệu trên mỗi đơn vị thời gian càng lớn, cho thấy mạng hoạt động hiệu quả hơn.
Tỷ lệ mất gói là tỷ số giữa số gói bị mất và tổng số gói gửi trong một khoảng thời gian nhất định, cho thấy mức độ mất mát dữ liệu trong quá trình truyền tải Chỉ số này phản ánh chất lượng kết nối mạng và tính toàn vẹn của dữ liệu Tỷ lệ mất gói thấp đồng nghĩa với chất lượng kết nối mạng cao, giúp dữ liệu được truyền tải nhanh chóng và đầy đủ hơn.
1.5.4 Tính tin cậy của khối truyền tải
Tính tin cậy của khối truyền tải (TB) được xác định bởi tỷ lệ chính xác của dữ liệu nhận được, phản ánh xác suất thành công trong việc chấp nhận dữ liệu sau khi thực hiện cơ chế truyền lại Độ tin cậy cao của TB đồng nghĩa với việc truyền dữ liệu hiệu quả hơn và cơ chế truyền lại hoạt động tốt hơn Vì vậy, chỉ tiêu về tính tin cậy của TB là một chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất truyền dữ liệu của hệ thống.
Suy hao là giá trị của năng lượng tín hiệu bị mất do các chướng ngại vật trên đường truyền Mức độ suy hao càng cao thì ảnh hưởng của tòa nhà đến việc truyền tín hiệu càng lớn Chỉ báo suy hao phản ánh sự suy giảm năng lượng tín hiệu, và khi tín hiệu bị suy giảm quá mức, nó sẽ ảnh hưởng đến độ dài truyền của tín hiệu.
Chương 1 đã trình bày các khái niệm cơ bản về công nghệ truyền thông không dây công suất thấp diện rộng LPWAN và so sánh ưu nhược điểm giữa các công nghệ Với yêu cầu của bài toán đặt ra ban đầu thì có hai công nghệ LPWAN đáp ứng tốt tiêu chí về công suất và thời gian sử dụng đó là Lora và NB-IOT Tuy chi phí đắt hơn, dòng tiêu thụ cao hơn nhưng NB-IOT có tốc độ truyền tải cao hơn, độ trễ tháp hơn và quan trọng là bảo mật cao hơn Do đó giải pháp NB-IOT là lựa chọn trong luận văn này Các tiêu chí thiết kế trong các bản phát hành 13, 14, 15 và 16 cũng được trình bày chi tiết trong chương I Nội dung chương 2 sẽ trình bày về thiết kế đường tải lên máy thu và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu năng mạng.
N GHIÊN CỨU VỀ THIẾT KẾ MÁY THU TRONG KÊNH NPRACH
Thiết kế máy thu trong NB-IoT rất quan trọng vì tuổi thọ thiết bị phụ thuộc vào công suất phát đường tải lên Nghiên cứu và thiết kế máy thu là cần thiết để đạt được mục tiêu này, đặc biệt là với ba kênh vật lý đường tải lên: Kênh truy cập ngẫu nhiên NPRACH, Kênh dữ liệu và điều khiển NPUSCH.
Như chương I, NB-IOT có thể hoạt động ở 3 chế độ (Hình 2.1)
Hình 2.1 Các chế độ hoạt động NB IOT (Đường lên)
Sơ đồ nguyên lý các chế độ ở hình 2.1 có thể tham khảo trong phần phụ lục
2.1.1 Thiết kế máy thu NPRACH
Phần mở đầu truy cập ngẫu nhiên (NPRACH) là bước đầu tiên trong quy trình truy cập ngẫu nhiên, giúp thiết bị người dùng (UE) kết nối với mạng Ngoài việc phát hiện chính xác phần mở đầu, việc ước tính thời gian đường lên cũng là một mục tiêu quan trọng của máy thu NPRACH Các tham số NPRACH cần thiết được cấu hình bởi các lớp cao hơn, như được minh họa trong Hình 2.2.
1 N NPRACH period (3 bits, thời hạn NPRACH) 40,80,160, 240,320,1280, 2560 tính bằng mili giây tương ứng với khoảng thời gian NPRACH trong đó UE có thể truy cập ngẫu nhiên
2 N NPRACH rep (3 bits, Số lần lặp lại NPRACH) {1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128} tương ứng với NPRACH phần mở đầu lặp lại
3 N NPRACH scoffet (3 bits, Độ lệch sóng mang con) {0, 12, 24, 36, 2, 18, 34} tương ứng với độ lệch sóng mang con trong băng thông 180kHz
4 N SC NPRACH (2 bits, Số lượng sóng mang con ) {12, 24, 36, 48} tương ứng với số lượng sóng mang con đang được sử dụng để truy cập ngẫu nhiên
5 N NPRACH start (3 bits, Thời gian bắt đầu) {8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024} tính bằng mili giây Điều này tương ứng đến thời điểm bắt đầu truyền NPRACH là
N khung con sau khung con đầu tiên trong khung radio hoàn thành 𝑚𝑜𝑑
Kênh NPRACH sử dụng sóng mang phụ 3,75KHz với nhóm ký hiệu gồm 5 ký hiệu và tiền tố chu kỳ (CP) Mỗi cơ hội truy cập ngẫu nhiên NPRACH trong nguồn NPRACH bị giới hạn bởi 12 sóng mang phụ, có thể lặp lại tới 128 lần Để giảm phần mở đầu liên quan đến CP, N mẫu ký hiệu OFDM được lặp lại 5 lần và một CP duy nhất với độ dài N CP được thêm vào nhóm ký hiệu Có hai định dạng NPRACH cho NB-IoT, định dạng 0 và định dạng 1, với N CP tương ứng là 66,7 μs và 266,7 μs.
Cấu trúc kênh NPRACH được thiết kế để hỗ trợ ước tính thời gian đường tải lên tại eNB, với phần mở đầu của các Tones đơn nhảy qua các sóng mang con khác nhau.
Hình 2.3 Bước nhảy trong NPRACH [6]
NB-IoT sử dụng ranh giới ký hiệu OFDM tương tự như LTE, với ký hiệu 0,7 có 128 mẫu dữ liệu và 10 mẫu CP, trong khi các ký hiệu khác (1 đến 6 và 8 đến 14) có 128 mẫu dữ liệu và 9 mẫu CP, với tần số lấy mẫu 𝑓𝑠 = 1,92 MHz Tốc độ lấy mẫu không được thấp hơn 1,92 MHz để đảm bảo tính tương thích với ranh giới ký hiệu OFDM, tức là cần có số nguyên lần mẫu cho cả CP và dữ liệu Nếu sử dụng tốc độ lấy mẫu thấp hơn, cần phải thực hiện nội suy trong miền thời gian để điều chỉnh độ lệch thời gian lấy mẫu Việc lấy mẫu ở tần số 240kHz sẽ yêu cầu phân rã 4 với hai bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn, nhưng độ phức tạp xử lý mẫu ở 1,92MHz và 240kHz tương tự nhau Tốc độ lấy mẫu cho PRACH được giả định là 𝑓𝑠 = 1,92 MHz Kết quả được trình bày dựa trên tài liệu tham khảo [18].
S n là dạng sóng trong miền thời gian tại mẫu thứ n th của ký hiệu thứ i th trong nhóm ký hiệu thứ m th Ta có công thức tính Sm,i n :
NCPlà kích thước của CP (16 mẫu tại tần số f S 240ksps) N là kích thước của một ký hiệu (64 mẫu tại f S 240ksps), N g là kích thước của một nhóm
(N CP 5N336 mẫu tại tần số f S 240ksps=1.4ms) Tín hiệu nhận được có thể được viết dưới dạng công thức sau:
Với là độ lệch tần số chuẩn hóa theo tần số lấy mẫu và là độ trễ khứ hồi (RTD) chuẩn hóa theo thời gian ký hiệu, h m,i là hệ số kênh tại mẫu thứ i của nhóm ký hiệu m và j = -1 Độ sụt CP và quá trình lấy FFT được xác định bởi công thức sau:
Với kn RA SC m và Y m,i được tính bởi công thức:
Nhiễu trong một nhóm ký hiệu 𝑚 có thể được tính là:
Vấn đề là ước tính hai ẩn số, độ lệch tần số 𝜉 và RTD 𝜏 bằng cách sử dụng tất cả các ẩn số có sẵn Y m
Để ước tính và hiệu chỉnh độ lệch tần số, trước tiên, 𝜏 được loại bỏ trong phương trình (2.6) và độ lệch tần số 𝜉 được ước tính bằng cách khai thác ký hiệu kết hợp giữa các nhóm và lặp lại Để đạt được mục tiêu này, các bước sau đây được thực hiện: xác định tích của nhóm ký hiệu 𝑚 với 𝑚∈ {0,1,2,3} và liên hợp của nhóm ký hiệu 𝑚 + 1.
Z Y conj Y e e (2.7) Ở đây, mô hình nhảy H m được định nghĩa là:
VớiH3nSC RA 0 n RA SC 3
Tiếp theo việc kết hợp giữa các nhóm ký hiệu trong bước nhảy bên trong (với 𝑚∈ {0,1}) chúng ta có:
X Z Z e cos 2/ N (2.9) Kết hợp giữa các lần lặp lại (hoặc qua bước nhảy bên ngoài) và số lượng ăng- ten thu cho bởi công thức:
Trong đó, 𝑅 đại diện cho số lần lặp lại NPRACH được cấu hình bởi các lớp trước đó Tổng W1 có thể vượt quá số lượng anten thu N rx và R được xác định bởi N PRACH Rep Tương tự, W2 có thể được tính toán theo công thức tương ứng.
Khi dự đoán độ lệch tần số không cao, việc tính toán W2 có thể không cần thiết Chẳng hạn, với 𝜉 = 200Hz, góc quay trên một nhóm ký hiệu kích thước N g khoảng 101 độ Đối với các giá trị 𝜉 nhỏ hơn, chỉ cần tính toán W1 là đủ, giúp giảm độ phức tạp tính toán mà không làm giảm hiệu suất Điều này giúp ước lượng độ lệch tần số một cách hiệu quả hơn.
W W W j W W (2.13) Độ lệch tần số 𝜉, có thể được ước tính bằng cách tính góc 𝑊 theo công thức:
Lưu ý rằng độ lệch tần số tối đa có thể được ước tính bằng phương pháp trên tương ứng với max g
Để đáp ứng yêu cầu phát hiện NPRACH bị lỡ, cần nâng cao cài đặt độ lệch tần số lên 200Hz cho RAN4 Lưu ý rằng độ lệch tần số không cần phải được tính toán một cách rõ ràng, mà pha tương ứng với độ lệch tần số có thể được tính bằng công thức: j2 N g.
(2.15) Điều chỉnh độ lệch tần số ước tính nhận được theo công thức: g m j2 N j2 H / N m m
Với n 1, 1, 6 trình tự nhảy có thể có và tính tổng qua các lần lặp lại 𝑟, ta có công thức: j2 n / N n 4r n r 0,1, R
Biến đổi T n sao cho 0 1, 1 6, 2 1 và 3 6 Đối với mỗi cơ hội
NPRACH nhất định (được tham số hóa bởi sóng mang con của nhóm ký hiệu đầu tiên
từ vectơ dạng F [ T 0 0 0 0 T 0 T 0 0 3 0 2 0 0 T 0 1 0 ]với kích thước
Kích thước FFT được sử dụng để ước tính là N RTD có thể được ước tính thông qua công cụ ước lượng ML dựa trên FFT.
Giả thuyết vectơ thời gian G v tương ứng với giá trị tuyệt đối lớn nhất là ước lượng RTD
(2.21) Ước tính RTD có thể được tính bằng cách sử dụng chỉ số FFT (idx max ) tương ứng với giá trị lớn nhất m max khi
Sử dụng N 256sẽ cho chu kỳ là
Giả sử rằng độ lệch thời gian nằm trong CP và thời gian lỗi là ±7/16T s, giá trị tối đa được lấy sau khi loại bỏ các giá trị 0 trong phép biến đổi Fourier nhanh (FFT) tương ứng với độ lệch thời gian bên ngoài cửa sổ lọc, được xác định bởi kích thước CP và thời gian lỗi Phép nội suy bậc hai xung quanh giá trị lớn nhất sẽ giúp ước lượng chu kỳ tốt hơn, mặc dù có thêm độ phức tạp tính toán Các giá trị của G tại m_max-1, m_max, m_max+1 lần lượt được ký hiệu là α, β, và γ Giá trị lớn nhất sau khi so sánh ngưỡng được tính theo công thức đã cho.
Ước tính RTD có thể được căn chỉnh sau khi sử dụng nội suy
Trong nghiên cứu về NPRACH, khi thực hiện 128 lần lặp lại, phép biến đổi FFT tại đầu ra của hai ăng-ten thu và nhóm 64 lần lặp lại được kết hợp không chặt chẽ trước khi xác định mức tối đa.
Hình 2.4 Nội suy đa thức xung quanh FFT bin với giá trị lớn nhất
Việc phát hiện tín hiệu NPRACH hoặc DTX được thực hiện thông qua việc so sánh giá trị G * chuẩn hóa với nhiễu trung bình trên các nhóm ký hiệu, số lần lặp lại và ăng-ten, dựa trên ngưỡng R NPRACH Hằng số R NPRACH được xác định thực nghiệm bằng cách gửi tín hiệu 0 (DTX) và tính toán giá trị chuẩn hóa của G * trên nhiều khung DTX Hàm phân phối xác suất tích lũy (CDF) của các giá trị quan sát G * cung cấp xác suất cho các giá trị của G *.
Giá trị G* được xác định từ CDF bằng cách tìm kiếm giá trị xảy ra với xác suất 99,9%, tương ứng với tỷ lệ dự báo sai là 0,1% Việc phát hiện trên sóng mang phụ ρ được thực hiện như sau:
N GHIÊN CỨU VỀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI HIỆU NĂNG
2.2.1 Ảnh hưởng của khoảng cách truyền của tín hiệu Độ tin cậy của hệ thống được biểu thị bằng bốn tham số: SINR, thông lượng, tỷ lệ mất gói và độ chính xác của khối truyền tải (TB) Khi khoảng cách truyền tăng lên, SINR, thông lượng và tỷ lệ mất gói giảm xuống, trong khi độ chính xác của TB về cơ bản không thay đổi SINR đại diện cho tỷ số giữa cường độ của tín hiệu hữu ích thu được với cường độ của tín hiệu nhiễu
Hình 2.8 SINR và Thông lượng ở các khoảng cách truyền khác nhau [9]
SINR và thông lượng giảm nhanh chóng trong khoảng cách từ 2500m đến 3500m, như thể hiện trong Hình 2.8 [9] Khi khoảng cách truyền đạt đạt 3500m, sự thay đổi của SINR và thông lượng diễn ra chậm hơn Điều này xuất phát từ việc NB-IoT là một kỹ thuật truyền dẫn đường dài Tỷ lệ mất gói, được xác định bằng tỷ số giữa số gói bị mất và tổng số gói dữ liệu truyền đi, có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hệ thống Khi khoảng cách truyền tăng, thời gian truyền dữ liệu kéo dài, dẫn đến việc cơ chế truyền lại của NB-IoT được kích hoạt thường xuyên hơn.
Hình 2.9 Độ chính xác của TB và tỷ lệ mất gói theo khoảng cách [9]
Kết quả cho thấy tỷ lệ mất gói tin giảm đáng kể trong khoảng cách 17500-18000m, trong khi ở khoảng cách xa hơn 18000m, sự khác biệt về tỷ lệ mất gói gần như không thay đổi Hình 2.9 chỉ ra rằng khoảng cách có độ sụt giảm nhanh nằm trong phạm vi 17850-17950m, và độ chính xác của TB vẫn ổn định.
Hình 2.10 SINR và thông lượng ở khoảng cách truyền ngắn [9]
Hình 2.10 thể hiện SINR và thông lượng ở khoảng cách truyền ngắn Kết quả tương tự hình 2.8 ở khoảng cách gần
Hình 2.11 Tỷ lệ mất gói ở khoảng cách truyền dài [9]
Tỷ lệ mất gói tin của toàn hệ thống dao động từ 0,00093314 đến 0,000922469, cho thấy cơ chế truyền lại của NB-IoT giúp giảm thiểu vấn đề mất gói dữ liệu Đặc biệt, đường cong mất gói cho thấy ở khoảng cách truyền từ 15000-20000m, tỷ lệ mất gói tương đối cao Tuy nhiên, từ khoảng cách 17500m trở đi, tỷ lệ mất gói tin giảm rõ rệt.
2.2.2 Ảnh hưởng của số lượng nút NB-IoT đến độ tin cậy
Hình 2.12 [9] cho thấy ảnh hưởng của số lượng nút NB-IoT đối với độ tin cậy của hệ thống
Hình 2.12 SINR và thông lượng ở số lượng nút khác nhau [9]
Khi số lượng nút NB-IoT tăng lên, SINR trong hệ thống có xu hướng tăng, mặc dù đường truyền và môi trường truyền không thay đổi, dẫn đến SINR cơ bản vẫn ổn định Sự gia tăng số lượng nút cũng đồng nghĩa với việc lượng dữ liệu tăng lên, từ đó nâng cao thông lượng toàn bộ hệ thống Đặc biệt, khi số lượng thiết bị NB-IoT nằm trong khoảng từ 5 đến 50, thông lượng của hệ thống tăng trưởng nhanh chóng.
Hình 2.13 Thông lượng ở số lượng nút nhỏ [9]
Khi số lượng nút trong hệ thống tăng lên, khối lượng truyền thông và tốc độ truyền chung cũng gia tăng Tuy nhiên, khi số lượng thiết bị đạt từ 250 đến 300, thông lượng hệ thống bắt đầu giảm Trung bình, thông lượng của hệ thống đạt 177 Kbps, với mức tối thiểu là 140 Kbps Hình 2.13 cho thấy rằng khi số lượng nút NB-IoT nằm trong khoảng từ 5 đến 50, xu hướng thông lượng vẫn tiếp tục tăng.
Hình 2.14 Độ chính xác của TB và tỷ lệ mất gói ở số lượng nút khác nhau [9]
Theo nghiên cứu, tốc độ tăng thông lượng diễn ra nhanh chóng khi số lượng nút gia tăng, tuy nhiên, tài nguyên hệ thống vẫn đủ để duy trì hiệu suất Mặc dù thông lượng tiếp tục tăng, nhưng tốc độ tăng bắt đầu chậm lại Điều này khác biệt so với giai đoạn đầu khi số nút mới tăng lên Hình 2.14 minh họa xu hướng tỷ lệ mất gói và độ chính xác của TB, cho thấy rằng khi số lượng nút tăng, tỷ lệ mất gói cũng tăng lên một cách ổn định, trong khi độ chính xác của TB có xu hướng giảm Tham khảo hình 2.15 để có cái nhìn rõ hơn.
Hình 2.15 Độ chính xác của TB ở số lượng lớn các nút [9]
Khi số lượng nút NB-IoT gia tăng, khả năng truyền tải của hệ thống cũng tăng theo, tuy nhiên, điều này dẫn đến tỷ lệ mất gói dữ liệu tăng cao và độ chính xác của khối dữ liệu giảm Mặc dù hệ thống có cơ chế truyền lại, nhưng với lượng dữ liệu lớn, việc khôi phục hoàn toàn dữ liệu bị mất trong thời gian ngắn là rất khó khăn.
Khi số lượng nút NB-IoT từ 250 đến 300, độ chính xác của khối dữ liệu giảm đáng kể Mặc dù số lượng nút NB-IoT có ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống, nhưng mức độ ảnh hưởng này là tương đối nhỏ.
2.2.3 Ảnh hưởng của rào cản xây dựng đối với độ tin cậy
Phần này sẽ phân tích tác động của chướng ngại vật đến mức tiêu thụ năng lượng trong quá trình truyền tải, đồng thời đánh giá những biến động về độ tin cậy của hệ thống.
Hình 2.16 Suy hao theo các vật liệu xây dựng khác nhau [9]
Kết quả phân tích tổn thất của hệ thống trong Hình 2.16 cho thấy các tòa nhà được xây dựng từ các loại vật liệu khác nhau, bao gồm bê tông có cửa sổ, bê tông không có cửa sổ, vật liệu gỗ và vật liệu đá Theo thứ tự, tổn thất được ghi nhận từ cao đến thấp là: tòa nhà bê tông không có cửa sổ (14,9996 dB), tòa nhà bằng vật liệu đá (11,9996 dB), tòa nhà bê tông có cửa sổ (6,9996 dB) và tòa nhà bằng vật liệu gỗ (3,9996 dB) [9].
Hình 2.17 Tổn thất theo tầng khác nhau [9]
Hình 2.17 minh họa sự biến đổi tổn thất hệ thống liên quan đến sự khác biệt về tầng trong các tòa nhà được xây dựng từ các loại vật liệu khác nhau.
Phần này tập trung vào nghiên cứu thiết kế máy thu đường tải lên, bao gồm các công thức tính định lượng để ước tính nhiễu, điều chỉnh độ lệch tần số và ước tính pha Bên cạnh đó, nó cũng phân tích cấu trúc các kênh vật lý trong đường tải lên.
Chương 2 nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống, với các chỉ số định lượng được phản ánh qua mô phỏng Kết quả cho thấy khoảng cách truyền tín hiệu NB-IoT có tác động đáng kể đến độ tin cậy, khi SINR và thông lượng giảm theo khoảng cách Mặc dù độ chính xác của thiết bị (TB) vẫn ổn định, tỷ lệ mất gói tin lại tăng khi lưu lượng truy cập gia tăng Tuy nhiên, tỷ lệ mất gói tổng thể vẫn dưới 1%, trong khi độ chính xác trung bình của các khối dữ liệu nhận được vượt quá 98,5% Bên cạnh đó, các rào cản xây dựng trên đường truyền cũng ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống.
Chương 3 sẽ tập trung vào nghiên cứu các giải pháp nhằm nâng cao hiệu năng máy thu.