(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO

(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO(Luận văn thạc sĩ) Kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Trong nghiên cứu công nghệ cho hệ thống thông tin di động, hệ thống đa ăng-ten cỡ lớn (MASSIVE MIMO) kết hợp với kỹ thuật định hướng đa búp sóng được xem là công nghệ tiềm năng cho thế hệ 5G Công nghệ này mang lại hiệu quả sử dụng phổ vượt trội so với các hệ thống đa ăng-ten trước đây Bằng cách kết hợp tín hiệu giữa các ăng-ten, hệ thống có khả năng tạo ra các chùm tia hẹp, tập trung năng lượng sóng điện từ vào người dùng, từ đó nâng cao chất lượng thu tín hiệu và cải thiện vùng phủ sóng, đặc biệt là ở các dải tần số cao, nơi còn nhiều băng thông trống nhưng suy hao theo khoảng cách lớn.

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu kỹ thuật định hướng đa búp sóng trong hệ thống MASSIVE MIMO cho mạng 5G theo chuẩn New Radio của 3GPP nhằm khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của kỹ thuật này đến chất lượng tín hiệu thu, hiệu quả sử dụng phổ và vùng phủ mạng 5G thông qua mô phỏng.

Phương pháp nghiên cứu

Bài viết này sử dụng phương pháp nghiên cứu tài liệu và thực nghiệm để thu thập thông tin về mạng thông tin di động 5G Nó phân tích các kỹ thuật tạo búp sóng và ứng dụng của chúng trong hệ thống MASSIVE MIMO, đồng thời đánh giá hiệu quả của hệ thống thông qua các mô phỏng.

Một lĩnh vực nghiên cứu mới đang nổi lên trong truyền thông MIMO đa người dùng là hệ thống MASSIVE MIMO, hay còn gọi là MIMO quy mô lớn.

Hệ thống truyền thông MASSIVE MIMO, được đề xuất vào năm 2010, đã thu hút sự chú ý đáng kể từ ngành viễn thông Đến năm 2013, một số đặc biệt của tạp chí IEEE đã tập trung vào MASSIVE MIMO, nhấn mạnh tầm quan trọng của nó trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng của truyền thông từ năm 2015 trở đi.

Hệ thống MASSIVE MIMO đã vượt trội so với các hệ thống hiện tại nhờ việc sử dụng hàng trăm đến hàng ngàn anten dịch vụ Những anten bổ sung này tập trung vào việc truyền tải và thu nhận tín hiệu trong một không gian nhỏ, từ đó cải thiện đáng kể hiệu quả thông lượng và tiết kiệm năng lượng, đặc biệt khi kết hợp với nhiều thiết bị đầu cuối người dùng cùng lúc.

- MASSIVE MIMO có các ưu điểm:

+ Công suất: Gọi N t và N r lần lượt là số lượng Anten phát và thu, γ là tỉ số SNR

(Signal-to-Noise Ratio) Khi đó dung lượng C của Anten MIMO được xác định bởi:

Rõ ràng, dung lượng sẽ tăng ở cả uplink và downlink khi ta sử dụng MASSIVE MIMO

Hình 1.11: Mô hình Cell sử dụng Anten MASSIVE MIMO

Độ trễ trong đường truyền vô tuyến chịu ảnh hưởng lớn từ hiện tượng fading Tuy nhiên, việc áp dụng công nghệ MASSIVE MIMO cùng với các kỹ thuật như tiền mã hóa và Beamforming giúp giảm thiểu tác động của fading, từ đó cải thiện hiệu suất truyền tải.

MASSIVE MIMO giúp giảm chi phí và năng lượng bằng cách giới hạn tín hiệu trong một không gian nhỏ, đạt được độ lợi cao hơn với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn cho mỗi anten Tổng năng lượng tiêu thụ của MASSIVE MIMO thấp hơn đáng kể so với MIMO truyền thống, dẫn đến chi phí vận hành giảm và khuếch đại năng lượng hiệu quả hơn, chỉ cần miliwatt thay vì hàng chục watt.

Hệ thống MASSIVE MIMO hoạt động chủ yếu trong chế độ truyền dẫn song công phân chia theo thời gian TDD, với các kênh uplink và downlink có tần số giống nhau nhưng khác nhau về thời gian Các kênh truyền vật lý trong hệ thống này được xem là đối xứng, cho phép truyền dẫn đồng thời ở cả hai hướng Tuy nhiên, công nghệ MASSIVE MIMO cũng đối mặt với một số nhược điểm và thách thức riêng.

Nâng cao thuật toán xử lý tín hiệu trong hệ thống MASSIVE MIMO là một thách thức lớn, khi phải phối hợp hàng trăm đến hàng ngàn anten để tạo ra tín hiệu Beamforming Mặc dù mức năng lượng phát xạ đã được giảm thiểu, nhưng tiêu thụ năng lượng của tín hiệu băng cơ sở lại tăng lên do yêu cầu thực hiện nhiều quá trình xử lý phức tạp hơn Mặc dù đã có một số thuật toán tuyến tính và cận tuyến tính cho quá trình xử lý thời gian thực được đề xuất, nhưng vẫn còn nhiều khó khăn cần vượt qua.

Việc ước lượng kênh truyền là một quá trình quan trọng, trong đó tín hiệu giám sát từ các thiết bị người dùng (UE) trên uplink có thể được sử dụng để thực hiện ước lượng Tuy nhiên, ước lượng cho downlink lại phức tạp hơn nhiều do yêu cầu về số lượng tín hiệu giám sát trực giao, tương ứng với hàng trăm đến hàng ngàn anten Điều này có thể dẫn đến hiện tượng lây nhiễm tín hiệu giám sát (pilot contamination), ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn.

Triển khai phần cứng trong MASSIVE MIMO yêu cầu mỗi anten đơn được thiết kế đơn giản và chi phí thấp, nhưng vẫn cần đảm bảo khả năng chống nhiễu và cân bằng 2 nhánh I/Q Trong điều chế bậc cao, tạp âm phase do phi tuyến của bộ khuếch đại trở nên quan trọng, thay thế cho tạp âm cộng trắng Gaussian (AWGN) Do đó, việc thiết kế phần cứng cần tập trung vào việc hạn chế các loại tạp âm phức tạp này.

Khả năng thích ứng của MASSIVE MIMO trong hệ thống 5G vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, và việc triển khai công nghệ này để tương thích với các công nghệ tiên tiến khác vẫn còn là một thách thức cần giải quyết.

Chương này đã tổng quan về sự phát triển của mạng thông tin di động, bao gồm kiến trúc mạng 5G, kỹ thuật truyền dẫn và mạng lõi nano trong mạng di động 5G Qua đó, bài viết cung cấp cái nhìn tổng thể về quá trình hình thành và phát triển của các thế hệ mạng thông tin di động.

Mạng di động đã trải qua 26 giai đoạn tiến hóa nhằm đáp ứng nhu cầu dịch vụ của người dùng Bài viết làm rõ các đặc điểm và kỹ thuật cơ bản áp dụng vào mạng di động, đặc biệt là mạng 5G Các kiến trúc mạng cơ bản được đề xuất trong 3GPP cung cấp nhiều lựa chọn linh hoạt cho việc triển khai mạng 5G Ngoài ra, chương này cũng trình bày các kỹ thuật truyền dẫn và mạng lõi ứng dụng công nghệ nano trong mạng 5G.

CHƯƠNG II KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG 2.1 Phân loại định hướng đa búp sóng

Kỹ thuật đa búp sóng là công nghệ quan trọng trong ăng ten thông minh, cho phép truyền và nhận tín hiệu hiệu quả Các ăng ten này sử dụng mảng và thuật toán xử lý tín hiệu để nhận diện các đặc điểm không gian của tín hiệu, bao gồm hướng đến (DOA) của tín hiệu, từ đó đánh giá các vectơ định dạng một cách chính xác.

Các vectơ trong hệ thống ăng ten thông minh được sử dụng để xác định và theo dõi tín hiệu từ các trạm di động, đặc biệt trong các lĩnh vực như xử lý tín hiệu âm thanh, thiên văn vô tuyến và radar Các kỹ thuật như MUSIC, ESPRIT và phương pháp ma trận Butler giúp ước tính các tham số tín hiệu và dự đoán DOA của tín hiệu đến thông qua hệ thống ăng ten thông minh Những phương pháp này dựa vào phổ tần không gian của dải ăng ten để tính toán DOA dựa trên các đỉnh của phổ Anten thông minh được phân loại thành ba loại chính: đa dạng, ghép kênh không gian và búp sóng.

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

Kết luận chương

Chương này tổng quan về sự phát triển của mạng thông tin di động, bao gồm kiến trúc mạng 5G, kỹ thuật truyền dẫn và mạng lõi nano trong mạng di động 5G Nội dung đã cung cấp cái nhìn tổng thể về quá trình hình thành và phát triển của các thế hệ mạng thông tin di động.

Sự tiến hóa của mạng di động đã đáp ứng nhu cầu dịch vụ của người dùng qua các thế hệ mạng, đặc biệt là mạng 5G Mạng 5G được xây dựng dựa trên các kiến trúc mạng cơ bản được đề xuất trong 3GPP, mang lại sự linh hoạt trong việc triển khai Bên cạnh đó, chương này cũng trình bày các kỹ thuật truyền dẫn và mạng lõi ứng dụng công nghệ nano, góp phần nâng cao hiệu suất và khả năng kết nối của mạng 5G.

KỸ THUẬT ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG

Phân loại định hướng đa búp sóng

Kỹ thuật đa búp sóng được áp dụng trong ăng ten thông minh nhằm tối ưu hóa việc truyền và nhận tín hiệu Các ăng ten thông minh là những ăng ten mảng tích hợp thuật toán xử lý tín hiệu, cho phép nhận diện các đặc điểm không gian của tín hiệu, như hướng đến (DOA), và sử dụng thông tin này để đánh giá các vectơ định dạng một cách hiệu quả.

Các vectơ trong hệ thống ăng ten thông minh đóng vai trò quan trọng trong việc xác định và theo dõi tín hiệu từ các trạm di động Kỹ thuật ăng ten thông minh được ứng dụng rộng rãi trong xử lý tín hiệu âm thanh, thiên văn vô tuyến, radar và các hệ thống truyền thông không dây như W-CDMA, UMTS, LTE và LTE Advanced Các phương pháp như MUSIC, ESPRIT và ma trận Butler giúp ước lượng các tham số tín hiệu và dự đoán hướng đến (DOA) của tín hiệu thông qua hệ thống ăng ten thông minh Những phương pháp này khai thác phổ tần không gian của dải ăng ten và tính toán DOA dựa trên các đỉnh của phổ Anten thông minh được phân loại thành ba loại chính: đa dạng, ghép kênh không gian và búp sóng.

Tính đa dạng được áp dụng ở cả phía truyền và nhận nhằm giảm thiểu fading đa đường và nâng cao độ tin cậy của liên kết, trong khi ghép kênh không gian cho phép truyền nhiều luồng dữ liệu song song để tăng tốc độ truyền Nhiều nghiên cứu đã tiến hành phân loại kỹ thuật đa búp sóng dựa trên các đặc điểm của chúng, với hai loại chính là búp sóng chuyển đổi và búp sóng thích ứng Hơn nữa, các kỹ thuật này còn được phân chia thành các loại ăng ten mảng khác nhau như mảng tuyến tính, mảng tròn và mảng hình chữ nhật, cùng với một phân loại khác cho kỹ thuật định hướng đa búp sóng.

Trong nghiên cứu về xử lý tín hiệu, các nhà nghiên cứu đã phân loại các kỹ thuật thành ba dạng chính: búp sóng tương tự, búp sóng kỹ thuật số, và búp sóng lai tương tự/số.

Nhiều thuật toán đã cải tiến công nghệ để tối ưu hiệu suất của ăng ten búp sóng thích ứng, được chia thành hai loại chính: thuật toán thích ứng mù và không mù Thuật toán không mù yêu cầu thông tin về tín hiệu truyền đi để xác định đường đi có trọng số, thường sử dụng tín hiệu huấn luyện từ các thiết bị đầu cuối Ngược lại, thuật toán mù không cần kiến thức thống kê, tập trung vào việc tối đa hóa tín hiệu đến đầu cuối và giảm thiểu nhiễu Ngoài ra, các kỹ thuật định hướng đa búp sóng có thể hoạt động hiệu quả trên dải sóng mm, với ăng ten nhỏ hơn và phạm vi tối đa chỉ vài trăm mét.

Tạo chùm tia Định dạng chùm băng hẹp Định dạng chùm băng rộng chuyển đổi chùm tia

Tạo chùm thích ứng tạo chùm tia tương tự Định dạng chùm tia kỹ thuật số

Butler thuật toán tạo dạng chùm thích ứng. thuật toán thích ứng mù

CMA LS-CMA LCMV MVDR

LMS: bình phương nhỏ nhất

RLS: đệ quy-nhỏ nhất-bình phương

SMI: nghịch đảo ma trận mẫu

CGA: thuật toán gradient liên hợp

CMA: thuật toán mô đun không đổi

LS-CMA: thuật toán mô đun hằng số bình phương nhỏ nhất

LCMV: phương sai tối thiểu hạn chế tuyến tính

MVDR: phản hồi không biến dạng phương sai tối thiểu

Hình 2.1: Phân loại định hướng đa búp sóng

Định hướng đa búp sóng băng hẹp và băng rộng

Nhu cầu gia tăng về dịch vụ băng rộng gần đây đã thúc đẩy việc cải thiện băng thông và tốc độ truyền dữ liệu trong hệ thống truyền thông không dây Do hạn chế về phổ hiện có, nghiên cứu đang tập trung vào việc phát triển các kỹ thuật tối ưu để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ cho các ứng dụng băng rộng Hệ thống ăng ten thông minh nổi bật như một giải pháp khả thi nhờ khả năng lọc không gian, cho phép nhận tín hiệu từ các hướng cụ thể và giảm thiểu suy giảm cho các tín hiệu ở các hướng khác.

Bộ lọc không gian kết hợp với bộ lọc tạm thời giúp xử lý dữ liệu theo không gian và thời gian, từ đó nâng cao công suất hệ thống, hiệu quả sử dụng điện và giảm chi phí Hệ số mảng của bộ định hướng chùm tia được thiết kế để tối ưu hóa việc lái và định hướng tín hiệu, tăng cường tín hiệu theo hướng mong muốn và từ chối tín hiệu không cần thiết Hiện nay, định dạng chùm siêu rộng được ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực như điều hướng, radar, thiên văn vô tuyến, hình ảnh không gian RF và hệ thống thông tin liên lạc không dây băng thông rộng.

Ăng-ten định hướng hiện nay được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống liên lạc điểm - điểm, giúp tập trung năng lượng RF và giảm tiêu thụ năng lượng trong quá trình truyền tín hiệu Việc này cũng giảm thiểu các vấn đề nhiễu sóng vô tuyến, làm cho ăng-ten trở nên lý tưởng cho các ứng dụng như Mạng cảm biến không dây (WSN) Các loại ăng-ten định hướng bao gồm ăng-ten phân phái với chùm tia cố định và ăng-ten thích ứng cho phép điều chỉnh chùm tia theo hướng mong muốn Trong các WSN phân bố đồng đều, một bộ điều khiển chùm lái rỗng với SLL thấp được triển khai, giúp suy ra biểu thức chùm trung bình và giảm thiểu mức thùy bên.

Bài viết này trình bày sự tổng hợp của bộ giả chùm dải hẹp và dải rộng với mức thu nhỏ bên cạnh, cùng khả năng lái chùm rộng Kỹ thuật cân bằng độ dốc mới đã cải thiện đáng kể SLL của bộ định dạng chùm tia.

2.2.1 Đánh giá bộ định dạng chùm ULA

Trong định dạng chùm dựa trên tổng độ trễ, tín hiệu từ các phần tử được xử lý và tổng hợp để tạo ra chùm theo hướng cụ thể Khoảng cách giữa các phần tử được thiết lập thông qua các đường trễ, tối ưu hóa cho mỗi phần tử ăng ten theo hướng chùm tia mong muốn Độ trễ thời gian được thực hiện bằng cách sử dụng các bộ lọc kỹ thuật số FIR trong định dạng chùm tia FIR.

- Bộ định dạng chùm ULA băng hẹp

Hình 2.2 minh họa một bộ định dạng chùm, dùng để lấy mẫu trường sóng băng hẹp trong không gian Giả định rằng tín hiệu đến có băng thông hẹp, tức là chỉ một phần nhỏ của tần số trung tâm được xem như một tần số duy nhất.

Hình 2.2: Hình minh họa của một bộ định dạng chùm băng hẹp thông thường Đầu ra của bộ định dạng chùm băng hẹp được đưa ra bởi công thức:

Trong nghiên cứu tín hiệu, x(f) đại diện cho tín hiệu cản trở, θ là góc tín hiệu đến ảnh hưởng lên mảng ăng ten với M phần tử Trọng số của phần tử thứ n được ký hiệu là Wn, và d là khoảng cách giữa các phần tử trong mảng.

Mảng ULA có 32 phần tử và hoạt động với nửa bước sóng của tần số tín hiệu f Trọng số Wn được thiết kế nhằm tối ưu hóa đáp ứng tại tần số f cho bộ tạo chùm băng hẹp, với công thức w n = e jn πsinθ (2.2).

- Bộ định dạng chùm ULA băng rộng

Sơ đồ trọng số băng hẹp không phù hợp với tín hiệu băng rộng do bộ định dạng chùm tia không thể điều hướng chùm tia chính và loại bỏ nhiễu Trong hình 2.3, ULA có M phần tử ăng ten, với khoảng cách giữa các phần tử d là 0,5 lmin tại tần số fh cao nhất của tín hiệu đến x(n) Đáp ứng tần số của bộ định dạng chùm trọng số băng rộng phụ thuộc vào tần số hàm ω và góc tới θ.

Hệ số Wm,n trong công thức (2.3) đại diện cho hệ số thứ n của phần thứ m, với N không phụ thuộc vào M và Ts là chu kỳ lấy mẫu Tổng số nút được tính bằng M x N Các hệ số bộ lọc Wm,n được xác định thông qua biến đổi ngược Fourier hai chiều (IDFT) trên đáp ứng tần số H(ω,θ).

2.2.2 Thiết kế bộ lọc Spatial

Các kỹ thuật định dạng chùm khác nhau để tổng hợp mẫu mảng Antenna [10]-

Các phương pháp như Legendre, Chebyshev, Chebyshev sửa đổi, chuỗi hình cầu rời rạc (DPSS) và phương pháp Taylor được áp dụng trong thiết kế mảng ăng-ten Những đặc điểm quan trọng của mảng ăng-ten bao gồm mẫu bức xạ, một nửa độ rộng chùm tia (HPBW) và hiệu quả chùm tia.

Hình 2.3: Hình minh họa của một bộ định dạng chùm băng rộng thông thường

Bộ lọc không gian được thiết kế với hàm đáp ứng cường độ Hpm(ω) được mô hình hóa dựa trên hàm cosin và sin của tần số nhằm cải thiện SLL Phản hồi của bộ lọc không gian sẽ được xác định dựa trên các yếu tố này.

Băng thông ωc, gợn sóng băng thông δp và suy hao băng dừng δs là những yếu tố quan trọng trong thiết kế bộ lọc định hình bộ tạo tia Các thông số thiết kế kp, kt và ks đóng vai trò quyết định trong việc tối ưu hóa hiệu suất của bộ lọc này.

Ks được tìm thấy bằng cách cân bằng độ dốc của hàm phản ứng độ lớn ở hai bên của sự gián đoạn ωz được kết hợp tìm ks

Cân bằng độ dốc giúp giảm thiểu tác động của hiện tượng Gibb và cải thiện sự suy giảm của dải dừng Hệ số đáp ứng xung của bộ lọc không gian h(n) đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

2.2.3 Mô phỏng và kết quả

Mô phỏng được thực hiện trên máy tạo chùm băng hẹp với tần số tín hiệu 1,5GHz và máy tạo chùm băng rộng có băng thông từ 1GHz đến 3GHz, sử dụng phương pháp và hiệu suất được đề xuất để so sánh với máy tạo chùm hiện có.

Định hướng mảng búp sóng chuyển mạch và búp sóng thích ứng

Anten chuyển búp sóng bao gồm nhiều búp sóng kề nhau, cho phép điều chỉnh đầu ra để phục vụ một hoặc nhiều máy thu cụ thể Hệ thống này chia nhỏ ô bằng cách sử dụng nhóm búp sóng liên tục Anten mảng bám pha động là một loại anten chuyển búp sóng, nhưng cải tiến hơn nhờ sử dụng thông tin hướng từ người dùng để tối ưu hóa hướng cực đại búp sóng Trong khi đó, anten thích nghi có khả năng thay đổi cấu trúc búp sóng để phù hợp với môi trường tín hiệu cao tần, định hướng búp sóng tới người sử dụng và giảm thiểu nhiễu Mặc dù có hiệu suất tốt hơn, anten mảng thích nghi thường yêu cầu xử lý số phức tạp, dẫn đến chi phí cao hơn so với hệ thống chuyển búp sóng thông thường.

Hệ thống chuyển búp sóng bao gồm một mạch tạo búp sóng và một chuyển mạch cao tần được điều khiển bằng logic để lựa chọn búp sóng mong muốn Mỗi máy thu sẽ nhận tín hiệu từ hệ thống này.

Để chọn được búp sóng mong muốn, cần có một cơ chế lựa chọn búp sóng dựa vào các vector trọng số đã định Cơ chế này khá phức tạp và phụ thuộc vào các phương pháp truy nhập như CDMA, TDMA hoặc FDMA.

Anten chuyển búp sóng tạo ra các búp sóng hẹp và cố định, với đầu ra cao tần có thể là tín hiệu cao tần hoặc tín hiệu băng gốc số đã qua xử lý Mỗi vùng phủ dẻ quạt 120 độ được phục vụ bởi một mảng chấn tử phát xạ kết nối qua mạch chuyển búp sóng Trong điều kiện lý tưởng, các búp sóng được tạo ra độc lập với nhau, và số lượng búp sóng có thể thay đổi, chẳng hạn như sáu búp sóng với độ rộng 20 độ hoặc bốn búp sóng với độ rộng 30 độ cho mỗi vùng phủ dẻ quạt.

Anten mảng tuyến tính có độ rộng búp sóng theo phương nằm ngang phụ thuộc vào chiều dài mảng và bước sóng Để giảm độ rộng búp sóng theo chiều thẳng đứng, các phần tử anten được xếp chồng lên nhau, điều này cũng làm tăng tăng ích anten Tăng ích anten phụ thuộc vào cả độ rộng búp sóng theo chiều nằm ngang và thẳng đứng, và có thể được tính toán một cách chính xác.

Trong đó: η là hiệu suất anten,

Gd là tăng ích định hướng, θ và  là độ rộng búp sóng tương ứng theo phương nằm ngang và thẳng đứng, tính bằng độ [ o ]

Ma trận Butler là mạch thông dụng nhất trong kỹ thuật tạo lập búp sóng, đặc biệt cho hệ thống 8 búp sóng với 8 cổng vào và 8 cổng ra Cấu trúc này có tính thuận nghịch, cho phép mỗi đầu có thể hoạt động như đầu vào hoặc đầu ra cao tần Ma trận bao gồm 4 bộ chuyển đổi hoặc bộ nối ghép cặp theo hướng, cùng với các bộ chuyển pha cố định thụ động, và số lượng của từng loại phụ thuộc vào số búp sóng phát ra Ví dụ, với anten mảng tuyến tính M phần tử, số lượng bộ nối ghép cặp sẽ được xác định dựa trên cấu trúc của hệ thống.

Trong đó M là búp sóng

Số bộ chuyển pha là: log (2 1) 2 s M M  (2.13)

Khi số cổng (búp sóng) tăng cao, giá trị liên quan cũng tăng theo, nhưng trong các ứng dụng thông tin di động tổ ong, mức giá trị này vẫn nằm trong phạm vi chấp nhận được.

Các mảng Butler có thể lập lên mọi mẫu búp sóng là bội số nhân của 2: 2, 4, 8,

Số búp sóng trong một mảng sẽ tương ứng với số phần tử của nó Kỹ thuật tạo búp sóng có thể áp dụng cho các mảng hai chiều bằng cách kết hợp đầu ra của các cột anten thành các ma trận, sau đó tổ chức các đầu ra của ma trận cột thành nhóm ma trận hàng Tại giữa băng thông của anten, khi khoảng cách giữa các phần tử anten là 1/2 độ dài bước sóng, vị trí của búp sóng được tính bằng công thức: sin 2k 1.

Trong đó, θ đại diện cho góc lệch và k là số búp sóng Độ rộng và khoảng cách của búp sóng có sự biến đổi ngược chiều với tần số, cho phép duy trì mức giao cắt không đổi giữa các búp sóng.

Anten chuyển búp sóng có thể được xử lý không chỉ bằng kỹ thuật tương tự mà còn bằng kỹ thuật xử lý số Trong quá trình này, tín hiệu cao tần sẽ được biến đổi xuống trung tần và sau đó xuống băng gốc Tiếp theo, tín hiệu này được chuyển đổi thành tín hiệu số thông qua bộ chuyển đổi tương tự/số (A/D) Cuối cùng, tín hiệu số sẽ được xử lý tại máy thu số và gửi đến mạch tạo búp sóng số.

Các hệ thống anten thông minh chuyển búp sóng có nhiều ưu điểm như tính đơn giản và chi phí hợp lý Tuy nhiên, bên cạnh đó, vẫn tồn tại một số nhược điểm cần được xem xét.

+ Thứ nhất là không tránh được nhiễu của các thành phần đa đường đến từ các

Hệ thống tín hiệu 41 hướng gần với tín hiệu mong muốn, nhờ vào mạch tạo búp sóng cố định, thường nhạy cảm hơn với tán xạ góc của các thành phần đa đường so với các hệ thống sử dụng bộ xử lý mảng thích nghi.

+ Thứ hai là không có khả năng lợi dụng được ưu điểm của phân tập đa đường bằng cách kết hợp các thành phần đa đường

Khi thuê bao di chuyển quanh trạm gốc, công suất nhận được sẽ thay đổi do hiện tượng vỏ sò (scalloping), trong đó đường đẳng mức của giản đồ phương hướng anten phụ thuộc vào hướng Các mạch tạo búp sóng thường tạo ra các búp sóng đan chéo, dẫn đến cường độ tín hiệu của thuê bao biến đổi khi di chuyển từ giữa búp sóng đến biên vùng phủ của búp sóng khác.

- Nhược điểm: Mặc dù có những nhược điểm như trên song hệ thống chuyển búp sóng vẫn được sử dụng phổ biến vì các lý do sau;

Hệ thống chuyển búp sóng có khả năng mở rộng phạm vi phủ sóng trong các môi trường truyền sóng phức tạp, giúp giảm độ trễ và hỗ trợ người dùng trong việc truy cập dịch vụ tốc độ cao.

Việc tạo búp sóng cố định là một trong những kỹ thuật đơn giản nhất của anten thông minh, do đó, chi phí thiết kế và sử dụng các hệ thống này sẽ thấp hơn so với các kỹ thuật phức tạp khác.

2.3.2 Thuật toán tạo chùm tia thích ứng

Định hướng đa búp sóng tương tự, số và lai số-tương tự

Kỹ thuật định hướng đa búp sóng được phân loại thành hai loại chính: định hướng đa búp sóng tương tự và định hướng đa búp sóng kỹ thuật số Định hướng đa búp sóng tương tự, được đề xuất hơn 50 năm trước, sử dụng ma trận lai và bộ dịch pha cố định để điều khiển pha tín hiệu truyền Công nghệ này áp dụng bộ chuyển mạch tần số vô tuyến để tạo ra chức năng định hướng búp sóng Các nghiên cứu gần đây, như của Venkateswaran và van der Veen (2010), đã cải tiến định hướng đa búp sóng tương tự trong truyền thông MIMO nhằm giảm nhiễu và tối ưu hóa độ phân giải ADC Ngược lại, định hướng đa búp sóng kỹ thuật số mang lại nhiều lợi ích như ước tính DOA, điều khiển lập trình mẫu bức xạ ăng ten và điều khiển búp sóng thích ứng, tất cả đều nhờ vào công nghệ kỹ thuật số.

Định hướng đa búp sóng tương tự được áp dụng đơn giản với các bộ dịch pha rẻ tiền, mang lại hiệu quả chi phí cao hơn so với định hướng đa búp sóng kỹ thuật số Tuy nhiên, định hướng này có hiệu suất kém hơn do biên độ của bộ dịch pha không linh hoạt Để cải thiện hiệu suất, sự kết hợp giữa định hướng đa búp sóng kỹ thuật số và tương tự đã được đề xuất, gọi là định hướng đa búp sóng lai Khái niệm này đại diện cho một giải pháp tối ưu trong lĩnh vực công nghệ truyền thông.

Hệ thống MASSIVE MIMO sử dụng kết hợp định dạng đa búp sóng kỹ thuật số và tương tự, với phần kỹ thuật số tạo ra tín hiệu băng cơ sở Trong khi đó, phần tương tự giúp giải quyết hiệu ứng chuỗi, nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu.

RF giúp tiết kiệm chi phí bằng cách giảm số lượng ADC/DAC, cải thiện đầu ra của bộ khuếch đại công suất và thay đổi kiến trúc của bộ trộn Nhiều nhà nghiên cứu, bao gồm Hur và các cộng sự, đã thiết kế và đề xuất các loại hệ thống đa búp sóng lai khác nhau.

Năm 2013, một nghiên cứu đã thiết kế máy tạo búp sóng lai và so sánh định hướng đa búp sóng lai với kỹ thuật số trong các hệ thống MASSIVE MIMO có nhiều đường xuống Nghiên cứu này đã xem xét mối quan hệ giữa định hướng đa búp sóng kỹ thuật số và đa búp sóng lai thông qua việc thay đổi các tham số chuỗi RF Kết quả mô phỏng cho thấy rằng, với một số chuỗi RF và ADC nhất định, hiệu suất giữa hai phương pháp có thể được cải thiện bằng cách giảm số lượng các biểu tượng ghép kênh Hơn nữa, việc tăng số chuỗi RF và ADC cho một số ký hiệu ghép kênh cụ thể sẽ nâng cao tỷ lệ tổng hợp của định hướng đa búp sóng lai.

Xử lý băng tần số

Tín hiệu băng tần cơ sở

Hình 2.9: Kịch bản tạo chùm tương tự [15]

Xử lý băng tần số

Tín hiệu băng tần cơ sở

Xử lý băng tần số

Tín hiệu băng tần cơ sở

Hình 2.10: Kịch bản tạo chùm tia kỹ thuật số hoàn toàn [15]

Xử lý băng tần số

Tín hiệu băng tần cơ s ở

Xử lý băng tần số

Tín hiệu băng tần cơ s ở

Hình 2.11: Kịch bản tạo chùm tia lai, cấu trúc kết nối đầy đủ [16]

Kết luận chương

Chương này tổng quan về các kỹ thuật định hướng đa búp sóng, nêu rõ ưu và nhược điểm của chúng Định hướng đa búp sóng băng rộng, đặc biệt là sóng dải mm, được sử dụng phổ biến trong thiết kế mảng ăng ten thông minh Các thuật toán tối ưu, như MVDR hoặc sự kết hợp của nhiều thuật toán, giúp ước tính chính xác DOA theo góc phương vị và góc độ cao (2D-DOA) Việc triển khai các phương pháp định hướng đa búp sóng tối ưu sẽ mang lại hiệu suất cao nhất cho hệ thống MASSIVE MIMO, đáp ứng nhu cầu của hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới.

ĐỊNH HƯỚNG ĐA BÚP SÓNG

Hệ thống MIMO đã thu hút sự quan tâm lớn do nhu cầu ngày càng tăng về dữ liệu và số lượng người dùng Các hệ thống MIMO đa người dùng mang lại giải pháp đột phá để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ trong truyền thông không dây Với sự gia tăng yêu cầu cho các dịch vụ không dây trong bối cảnh phổ tần hạn chế, MIMO đã trở thành công nghệ chủ chốt cho các hệ thống truyền thông tương lai Gần đây, nhiều nghiên cứu chuyên sâu đã được tiến hành trong lĩnh vực MIMO đa người dùng, đặc biệt là các hệ thống MIMO quy mô lớn (MASSIVE MIMO).

Hệ thống MASSIVE MIMO được định nghĩa là sự kết hợp của nhiều phần tử ăng ten tại trạm phát (BS) và thiết bị đầu cuối, với hàng trăm hoặc hàng nghìn ăng ten hoạt động đồng thời Những hệ thống này có khả năng cải thiện hiệu suất truyền thông không dây lên đến 10 lần và tiết kiệm năng lượng khoảng 100 lần nhờ vào số lượng ăng ten lớn Tuy nhiên, việc triển khai nhiều ăng ten cũng gây ra vấn đề nhiễu, có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng ăng ten dạng chùm Định hướng đa búp sóng trong MASSIVE MIMO là quy trình xử lý tín hiệu cho phép gửi và phát hiện đồng thời nhiều tín hiệu từ nhiều thiết bị đầu cuối khác nhau.

Định hướng đa búp sóng giúp tăng hiệu suất hệ thống bằng cách lắp ráp các phần tử trong một mảng có tổ chức, với các chùm được định hướng theo hướng cụ thể Mặc dù không phải là kỹ thuật mới, nhưng nó vẫn được củng cố bởi các tổ chức phát triển hệ thống truyền thông không dây Việc triển khai một lượng lớn các thành phần ăng ten định dạng chùm tia có thể nâng cao hiệu quả năng lượng của các hệ thống MASSIVE MIMO Các nghiên cứu gần đây về hệ thống không dây 5G chủ yếu tập trung vào MASSIVE MIMO và giải pháp búp sóng, nhưng kỹ thuật búp sóng vẫn có tiềm năng cải tiến các hệ thống truyền thông không dây trong tương lai.

Hình 3 1: Hệ thống đa ăng ten cỡ lớn

3.2 Vai trò của định hướng đa búp sóng trong hệ MASSIVE MIMO Định hướng đa búp sóng là một quá trình được xây dựng để tạo ra các mẫu chùm bức xạ của anten bằng cách xây dựng hoàn toàn các tín hiệu được xử lý theo hướng của các cực mong muốn Điều này có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ lọc đáp ứng xung hữu hạn (FIR) Bộ lọc FIR có lợi ở chỗ trọng lượng của chúng có thể được thay đổi một cách thích ứng và được áp dụng để có được dạng tia tối ưu Ứng dụng của kỹ thuật búp sóng trong các hệ thống MASSIVE MIMO có các ưu điểm sau: tăng cường hiệu quả năng lượng, cải thiện hiệu suất quang phổ, tăng bảo mật hệ thống và khả năng ứng dụng cho các dải sóng mm

3.2.1 Tăng cường hiệu quả năng lượng

Yêu cầu công suất thấp hơn của anten búp sóng giúp truyền tín hiệu hiệu quả đến người dùng và giảm chi phí, dẫn đến mức tiêu thụ điện năng thấp hơn cho các hệ thống MASSIVE MIMO Các hệ thống này sử dụng quy trình định dạng tia để tối ưu hóa số lượng phần tử ăng ten, từ đó tiết kiệm năng lượng Hiệu suất năng lượng tổng thể của từng trạm phát sóng (BS) không bị ảnh hưởng bởi số lượng ăng-ten trong tế bào, cho phép triển khai ăng-ten chung cho toàn bộ hệ thống nhằm nâng cao hiệu quả chi phí và năng lượng Để đạt được thông lượng đầu cuối yêu cầu, cần xem xét các quy trình tối ưu hóa cho kỹ thuật búp sóng, bao gồm điều khiển công suất, nhằm giảm tiêu thụ điện năng tại BS.

3.2.2 Cải thiện hiệu suất phổ

Kiểm soát công suất tín hiệu đường lên và đường xuống là cần thiết để cải thiện chất lượng tín hiệu, và việc sử dụng các ăng ten dạng chùm có thể nâng cao hiệu suất này Hệ thống MASSIVE MIMO có khả năng tối ưu hóa hiệu quả phổ thông qua việc sử dụng nhiều phần tử ăng ten tại các trạm phát sóng, kết hợp với quy trình tiền mã hóa và phát hiện kết Hiệu suất phổ của các hệ thống tế bào cũng chịu ảnh hưởng bởi cách phân bố tỷ lệ sóng mang trên mạng di động.

Hiệu suất của các hệ thống không dây đã được cải thiện đáng kể nhờ vào việc thay thế ăng ten đa hướng bằng các cấu trúc phân vùng tế bào động và ăng ten điều khiển chùm tia, sử dụng quy trình song công phân chia theo thời gian (TDD) Các mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng kỹ thuật chiếu tia tại các trạm gốc (BS) giúp nâng cao hiệu quả trong việc tạo thành tế bào động, mang lại mức tăng định dạng chùm trung bình rõ rệt.

Việc tăng cường công suất tín hiệu đường xuống tại bộ tiền mã hóa lên đến 50 là nhờ vào sự kết hợp chặt chẽ của các tín hiệu thu được từ tất cả các phần tử ăng ten Độ lợi này có mối liên hệ trực tiếp với tốc độ tải xuống, cho phép tăng tốc độ dữ liệu thông qua việc sử dụng các hệ thống MASSIVE MIMO.

3.2.3 Tăng cường bảo mật hệ thống

Khái niệm tạo chùm tia liên quan đến việc điều khiển tín hiệu truyền đến người dùng mục tiêu, giúp người nhận là bên duy nhất có khả năng khôi phục tín hiệu mong muốn từ tín hiệu lớp phủ.

An ninh vật lý có thể được cải thiện khi xác suất kẻ nghe trộm nhận được tín hiệu truyền giảm xuống so với việc sử dụng ăng-ten thông thường.

3.2.4 Khả năng ứng dụng cho các dải sóng mm

Một lợi thế nổi bật của việc tạo chùm tia là khả năng áp dụng cho các dải sóng mm Trong bối cảnh truyền thông di động đô thị dày đặc, nơi mà phần lớn phổ tần số dưới 5 GHz đã được cấp phép, việc tăng tốc độ dữ liệu chỉ có thể thực hiện bằng cách sử dụng các dải tần số không sử dụng gần dải sóng mm Các dải tần số này mang lại lợi ích lớn nhờ vào băng thông cao, tuy nhiên, đặc điểm lan truyền của chúng lại kém, ngay cả trong khoảng cách ngắn.

Anten định hướng cao là giải pháp hiệu quả để khắc phục hạn chế trong việc sử dụng ăng ten Các bộ khuếch đại ăng ten cao hiện nay có thể được sản xuất với kích thước nhỏ hơn nhờ vào tần số sóng mang cao, cho phép sử dụng với các thiết bị di động Tuy nhiên, hệ thống chùm hẹp cố định không phù hợp cho các ứng dụng di động, vì vậy tạo chùm tia trở thành giải pháp khả thi duy nhất cho những ứng dụng này.

3.3 Các bộ tiền mã hóa và tách sóng MASSIVE MIMO

Hệ thống MASSIVE MIMO mang lại nhiều lợi ích nổi bật, bao gồm hiệu suất thông lượng được cải thiện, chi phí thành phần thấp, tiêu thụ năng lượng giảm và khả năng bức xạ hiệu quả.

Tiền mã hóa là một chức năng quan trọng trong các hệ thống MIMO, đặc biệt là trong MASSIVE MIMO, nơi phụ thuộc vào tính khả dụng của CSI để sửa lỗi tín hiệu tại các trạm phát (BS) Tại các thiết bị đầu cuối, máy tách sóng phục hồi tín hiệu mong muốn từ các thành phần ăng ten tại BS trong giai đoạn đường xuống Việc thiết kế máy tách sóng với mức tiêu thụ điện năng thấp và độ phức tạp tối ưu là một thách thức lớn nhưng rất cần thiết, nhất là khi số lượng ăng ten tăng lên.

Trong bài toán mô hình ở hình 3.1, trạm gốc với N ăng ten phát phục vụ đồng thời K người dùng, giả định mỗi người dùng sử dụng một ăng ten để đơn giản hóa Mô hình kênh được nghiên cứu là mô hình kênh pha đinh khối, trong đó mỗi kênh truyền từ người dùng thứ k được ký hiệu là h k = [h 1k h Nk ] T.