(Luận văn thạc sĩ) Mô phỏng và đánh giá khả năng xử lý tín hiệu trên kênh PDSCH của hệ thống 5G MIMO

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

TƠ ANH QUYỀN

MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ TÍN HIỆU TRÊN KÊNH
PDSCH CỦA HỆ THỐNG 5G MIMO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - NĂM 2021


HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

TƠ ANH QUYỀN

MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ TÍN HIỆU TRÊN
KÊNH PDSCH CỦA HỆ THỐNG 5G MIMO

CHUYÊN NGHÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS. TRẦN HỒNG QUÂN

HÀ NỘI - NĂM 2021

I

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

TÔ ANH QUYỀN


II

LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập và nghiên cứu tại Học viện Cơng nghệ bưu chính viễn
thơng em xin gửi lời cảm ơn tới tất cả thầy giáo, cô giáo trong nhà trường đã giảng
dạy cho em trong suốt thời gian em ngồi trên ghế Học viện. Em xin chân thành cảm
ơn các thầy giáo, cô giáo trong Khoa viễn thông và Khoa sau đại học đã trực tiếp
giảng dạy cho em những kiến thức bổ ích cũng là hành trang để em bước vào những
công việc thực tế bên ngoài.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Trần Hồng Quân trong
thời gian làm luận văn tốt nghiệp vừa qua, thầy đã giành nhiều thời gian và tâm huyết
để hướng dẫn em thực hiện đề tài này.
Dưới đây là kết quả của quá trình tìm hiểu và nghiên cứu mà em đã đạt được
trong thời gian vừa qua. Mặc dù rất cố gắng và được thầy cô giúp đỡ nhưng do hiểu
biết và kinh nghiệm của mình cịn hạn chế nên có thể đây chưa phải là kết quả mà
thầy cô mong đợi từ em. Em rất mong nhận được những lời nhận xét và đóng góp

q báu của thầy cơ để luận văn của em được hoàn thiện hơn cũng như cho em thêm
nhiều kinh nghiệm cho công việc sau này.
Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày 13 tháng 12 năm 2021
Sinh viên thực hiện

Tô Anh Quyền


III

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. I
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... II
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................. VI
DANH SÁCH BẢNG ........................................................................................................ XI
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................................. XII
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI
VIỆT NAM ........................................................................................................................... 2
1.1

Tổng quan về hệ thống thông tin di động 5G ......................................................... 2

1.1.1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống 5G................................................................... 2
1.1.2 Các tiêu chuẩn của hệ thống 5G .......................................................................... 3
1.1.3 Tổ chức viễn thông thế giới (ITU) ....................................................................... 3
1.1.4 Tổ chức 3GPP ........................................................................................................ 4
1.1.5 Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu âu (ETSI) .................................................... 5

1.1.6 Kiến trúc mạng 5G ................................................................................................ 6
1.1.6.1 Kiến trúc tổng quan về mạng 5G ................................................................. 6
1.1.6.2 Các kịch bản của mạng 5G ........................................................................... 8
1.2

Quá trình phát triển và các kỹ thuật cơ bản của 5G ........................................... 10

1.2.1 Quá trình phát triển từ 1G-5G .......................................................................... 10
1.2.2 Các kỹ thuật cơ bản của 5G ............................................................................... 11
1.2.2.1 Sơ đồ truyền và phần băng thông .............................................................. 11
1.2.2.2 Khoảng cách song mang con và Cấu trúc khung...................................... 12
1.2.2.3 Chế độ song công ......................................................................................... 13
1.3

Các ứng dụng của 5G ............................................................................................. 14

1.4

Các kịch bản phát triển 5G tại một số nước đang phát triển và Việt Nam ....... 16

1.4.1 Kịch bản phát triển tại các nước phát triển ..................................................... 16
1.4.2 Kịch bản phát triển tại Việt Nam ...................................................................... 18
1.5

Một số giải pháp nâng cao hiệu năng của mạng 5G ............................................ 20

1.5.1 Phân tách trạm gốc gNB theo chức năng .......................................................... 20
1.5.2 MIMO và Massive MIMO.................................................................................. 22

IV

1.5.3 Beamforming ....................................................................................................... 22
1.5.4 Điện toán biên ...................................................................................................... 23
1.6

Kết luận chương ...................................................................................................... 24

CHƯƠNG 2: XỬ LÝ TÍN HIỆU TRÊN KÊNH PDSCH TRONG MẠNG 5G HIỆN
NAY ..................................................................................................................................... 26
2.1

Giới thiệu chung ...................................................................................................... 26

2.1.1 Tổng quan các kênh trong mạng 5G ................................................................. 26
2.1.2 Các kênh logic trong mạng 5G........................................................................... 27
2.1.3 Các kênh truyền tải trong mạng 5G .................................................................. 28
2.1.4 Các kênh vật lý trong mạng 5G ......................................................................... 29
2.1.4.1 Kênh vật lý 5G đường xuống ...................................................................... 29
2.1.4.2 Kênh vật lý 5G đường lên ........................................................................... 29
2.2

Các phương pháp xử lý tín hiệu trên kênh PDSCH của mạng 5G hiện nay ..... 30

2.2.1 Tính tốn CRC và thuật tốn CRC ................................................................... 31
2.2.2 Mã hóa kênh LDPC ............................................................................................ 34
2.2.2.1 Lựa chọn LDPC base graph ....................................................................... 34
2.2.2.2 Phân đoạn mã hóa khối và chèn CRC ....................................................... 34
2.2.2.3 Mã hóa kênh qua LDPC.............................................................................. 36
2.2.3 Phân mảnh dữ liệu .............................................................................................. 37

2.2.4 Rate Matching và chức năng HARQ ................................................................. 38
2.2.5 Ghép nối dữ liệu .................................................................................................. 39
2.2.6 Bộ xáo trộn bit ..................................................................................................... 39
2.2.7 Bộ điều chế ........................................................................................................... 41
2.2.8 Tham chiếu tài nguyên vào các khối tài nguyên ảo VRB ................................ 42
2.2.8.1 Tài nguyên cấp phát PDSCH trong miền tần số ....................................... 43
2.2.8.2 Tài nguyên cấp phát PDSCH trong miền thời gian .................................. 44
2.3

Ưu điểm và nhược điểm của các phương pháp xử lý tín hiệu hiện nay ............. 45

2.3.1 Ưu điểm ................................................................................................................ 45
2.3.2 Nhược điểm .......................................................................................................... 46
2.4

Kết luận chương ...................................................................................................... 46

CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ Q TRÌNH XỬ LÝ TÍN HIỆU TRÊN KÊNH PDSCH
TRONG 5G MIMO ........................................................................................................... 48


V

3.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................................... 48
3.1.1 Vấn đề tồn tại ...................................................................................................... 51
3.1.2 Thiết kế khối xử lý LDPC dựa trên nền tảng FPGA ...................................... 53
3.1.2.1 Khối LDPC Front-end ................................................................................. 53
3.1.2.2 Khoảng cách song mang con và Cấu trúc khung...................................... 57
3.2

Mô phỏng và đánh giá kết quả ............................................................................... 55

3.2.1 Sơ đồ mơ phỏng và cấu hình mơ phỏng ............................................................. 55
3.2.2 Một số kết quả mô phỏng đã đạt được ............................................................... 56
3.2.2.1 Kết quả mơ phỏng khi thực hiện xử lý tín hiệu trên các mức điều chế khác
nhau của hệ thống SISO ............................................................................................ 56
3.2.2.2 Kết quả mô phỏng khi thực hiện xử lý tín hiệu trên MIMO 2X2 với mức
điều chế 64QAM ......................................................................................................... 59
3.2.2.3 Kết quả mô phỏng khi thực hiện xử lý tín hiệu trên MIMO 4X4 với mức
điều chế 64QAM ......................................................................................................... 60
3.2.2.4 Kết quả mô phỏng khi thực hiện xử lý tín hiệu trên MIMO 4X4 và lưu lượng
của 8 người dùng ........................................................................................................ 61
3.3 Kết luận chương ......................................................................................................... 62
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 64
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................... 65
PHỤ LỤC ........................................................................................................................... 66


VI

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ALRM_MGR

Alarm Manager

Quản lý cảnh báo

ANR

Automatic Neighbour

Quan hệ hang xóm tự động

Relation
ARP

Allocation and

Độ ưu tiên phân bổ và giữ lại

Retention Priority
AS

Access Stratum

Truy cập lớp vô tuyến

BWP

Bandwitdh Path

Phần băng thông

CA

Carrier Aggregation

Ghép sóng mang

CAT

Category

Phân loại

CB

Code Block

Khối mã

CFG

Configure

Cấu hình

CQI

Channel Quality

Chỉ số chất lượng kênh truyền

Indicator

CRC

Cyclic Redundancy

Mã kiểm tra xoay vịng

Check
CSI

Channel State

Thơng tin trạng thái kênh

Information
CU

Centralized Unit

Khối trung tâm

DB

Data base

Cơ sở dữ liệu

DCI

Downlink Control

Thông tin kênh điều khiển đường xuống

Information
DL

Downlink

Đường xuống

DMRS

Demodulation

Tín hiệu tham chiếu giải điều chế

Reference Signal
DRB

Data Radio Bearer

Sóng mang dữ liệu

DU

Distributed Unit

Khối phân tán


VII

DU_CFG

Distributed Unit

Cấu hình khối phân tán

Configure
EG

EMS gateway

Cổng ra EMS

EMS

Element Manager

Hệ thống quản lý các thành phần

System
eNB

Enhanced Node B

Nút gốc được nâng cấp

EVM

Error Vector

Biên độ vec tơ lỗi

Magnitude
FDD

Frequency Division

Song công phân chia theo tần số

Duplex
FO

Frequency Offset

Độ lệch tần số

FPGA

Field Programmable

Mảng cổng lập trình dạng trường

Gate Array
HARQ

Hybrid Automatic

Yêu cầu truyền lại tự động kết hợp

Repeat Request
HTTPD

HyperText Transfer

Nền tảng giao thức truyền siêu văn bản

Protocol daemon
KPI

Key performance

Chỉ báo hiệu suất chính

Indication
KPI_MGR

KPI Manager

Quản lý KPI

LDPC

Low Density Parity

Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp

Check
LOGD

Logging daemon

Nền tảng thu thập giá trị lịch sử

LTE

Long Term Evolution

Sự phát triển dài hạn

MAC

Medium Access

Điều khiển truy cập trung bình

Control
MIB

Master Information
Block

Khối thơng tin chính


VIII

MMSE

Minimum Mean

Lỗi bình phương trung bình tối thiểu

Square Error
NAS

Non-Access Stratum

Tầng khơng truy cập

NETCONF

Network Configuration Giao thức cấu hình mạng
protocol

NFV

Network Function

Ảo hóa các chức năng mạng

Virtualization
NFV MANO

NFV Management and

Quản lý và điều phối NFV

Orchestration
NFV-O

NFV Orchestrator

Điều phối NFV

NG

NMS Gate

Cổng NMS

NMS

Network Manager

Hệ thống quản lý mạng

System
OAM

Operation,

Vận hành, Quản trị và bảo dưỡng

Administration and
Maintenance
OM

Operation and

Vận hành và bảo dưỡng

Maintenance
PBCH

Physical Broadcast

Kênh quảng bá lớp vật lý

Channel
PDCCH

Physical Downlink

Kênh điều khiển đường xuống lớp vật lý

Control Channel
PDSCH

Physical Downlink

Kênh chia sẻ đường xuống lớp vật lý

Shared Channel
PLMGR

Platform Manager

Quản lý nền tảng

PMI

Pre-coding Matrix

Chỉ số ma trận tiền mã hóa

Indicator


IX

PRACH

Physical Random

Kênh truy cập ngẫu nhiên lớp vật lý

Access Channel
PSS

Physical

Tín hiệu đồng bộ lớp vật lý

Synchronization Signal
PUCCH

Physical Uplink

Kênh điều khiển đường lên lớp vật lý

Control Channel
PUSCH

Physical Uplink Shared Kênh chia sẻ đường lên lớp vật lý
Channel

QAM

Quadrature Amplitude

Điều chế biên độ cầu phương

Modulation
QPSK

Quadrature Phase Shift

Điều chế khóa dịch pha vng góc

Keying
RLC

Radio Link Control

Điều khiển kết nối vô tuyến

RRC

Radio Resource

Điều khiển tài ngun vơ tuyến

Control
RV

Redundant Version

Phiên bản dự phịng

SNMP

Simple network

Giao thức quản lý mạng đơn giản

management protocol
SRB

Signaling Radio Bearer Sóng mang vơ tuyến báo hiệu

SRS

Sounding Reference

Tín hiệu tham chiếu tạp âm

Signal
SSS

Secondary

Tín hiệu đồng bộ thứ cấp

Synchronization Signal
TB

Transport Block

Khối truyền tải

TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia theo miền thời gian

UE

User Equipment

Thiết bị đầu cuối

UI

User Interface

Giao diện người dùng

UL

Uplink

Đường lên


X

VIM

Virtualized

Trình quản lý cơ sở hạ tầng đã được ảo hóa

Infrastructure Manager
VNF

Virtual Network

Chức năng mạng ảo hóa

Function
VNF-M

VNF Manager

Quản lý chức năng mạng ảo hóa


XI

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1: Bảng tham chiếu giá trị Z .........................................................................36
Bảng 2.2: Các tham số cấu hình trên bộ trộn bit.......................................................40
Bảng 2.3: Tham số cho Modulation Mapper ............................................................41
Bảng 2.4 : Tham chiếu cấu hình và kích thước phần băng thơng .............................44
Bảng 3.1: Thời gian xử lý dữ liệu trên lớp vật lý với các cấu hình khác nhau .........55
Bảng 3.2: Danh sách các thiết bị sử dụng trong bài mô phỏng ................................55


XII

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Các hướng phát triển dịch vụ của mạng 5G.................................................2
Hình 1.2 Lộ trình phát triển cơng nghệ 5G của 3GPP ................................................5
Hình 1.3 Kiến trúc kết nối hệ thống 5G tham chiếu theo 3GPP .................................7
Hình 1.4: Kiến trúc dựa trên dịch vụ SBA của hệ thống 5G theo 3GPP ....................8
Hình 1.5: Các kịch bản khuyến nghị triển khai mạng 5G...........................................8
Hình 1.6: Tổng quan quá trình phát triển của hệ thống thơng tin di động ................12
Hình 1.7 : Ứng dụng của phần băng thơng (BWP) ...................................................13
Hình 1.8: Các cấu trúc dựa trên khoảng cách sóng mang con ..................................14
Hình 1.9: Cấu trúc khung linh hoạt của 5G ..............................................................14
Hình 1.10 : Mơ hình phân tách theo chức năng của gNB và các giao diện ..............12
Hình 1.11: Các phương án phân tách gNB được khuyến nghị bởi 3GPP.................23
Hình 1.12 : Ứng dụng của điện tốn biên trong 5G ..................................................25
Hình 2.1 Tham chiếu các kênh của mạng 5G ...........................................................28
Hình 2.2 Tham chiếu các kênh của mạng 5G ...........................................................33
Hình 2.3: Tính tốn CRC luân phiên ........................................................................35
Hình 2.4 : lựa chọn base graph cho LDPC theo 3GPP .............................................36
Hình 2.5: Thuật tốn xác định tổng số Khối mã hóa ................................................37

Hình 2.6: Phân đoạn khối truyền tải .........................................................................38
Hình 2.7: Mơ tả bit xen kẽ cho điều chế 256QAM...................................................38
Hình 2.8: Q trình móc nối các khối mã hóa sau mã hóa .......................................42
Hình 2.9: Mơ tả tham chiếu VRB cho PDSCH ........................................................47
Hình 2.10: Mơ tả tham chiếu khơng xen kẽ trong PDSCH ......................................48
Hình 2.11: Mơ tả tham chiếu xen kẽ trong PDSCH .................................................48
Hình 3.1 : Benchmark phần xử lý lớp vật lý với cấu hình MIMO4x4, MCS27,
64QAM, 13 Symbols ................................................................................................52
Hình 3.2: Giải pháp giảm tải trên khối LDPC ..........................................................52
Hình 3.3: Khối LDPC Front-end ..............................................................................53
Hình 3.4: Kiến trúc tổng quan khối LDPC Front-end ..............................................54


XIII

Hình 3.5: Định dạng dữ liệu vào/ra trong khối LDPC Front-end .............................55
Hình 3.6: Kiến trúc chi tiết khối LDPC Front-end ...................................................57
Hình 3.7: Kiến trúc khối LDPC Back-end ................................................................57
Hình 3.8 : Sơ đồ kết nối các thiết bị thực hiện mô phỏng ........................................59
Hình 3.9: Hình ảnh thực tế được học viên chuẩn bị cho bài mơ phỏng ...................59
Hình 3.10: Kết quả mô phỏng trường hợp sử dụng QPSKđược hiển thị trên phần mềm
Keysight Vector Signal Analyzer .............................................................................57
Hình 3.11: Kết quả mơ phỏng trường hợp sử dụng 64QAM được hiển thị trên phần
mềm Keysight Vector Signal Analyzer ....................................................................58
Hình 3.12: Kết quả mơ phỏng trường hợp sử dụng 256QAM được hiển thị trên phần
mềm Keysight Vector Signal Analyzer ....................................................................59
Hình 3.13: Kết quả mơ phỏng trường hợp sử dụng MIMO 2X2 với mức điều chế
64QAM được hiển thị trên phần mềm Keysight Vector Signal Analyzer ................60
Hình 3.14: Kết quả mơ phỏng trường hợp sử dụng MIMO 4X4 với mức điều chế
64QAM được hiển thị trên phần mềm Keysight Vector Signal Analyzer ................61

Hình 3.15: Kết quả mô phỏng trường hợp sử dụng MIMO 4X4 và lưu lượng của 8
người dùng được hiển thị trên phần mềm Keysight Vector Signal Analyzer ...........66