Tổng quan công nghệ 5G

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA ĐIỆN-ĐIÊN TỬ
Bộ Môn Viễn Thông

Môn: THÔNG TIN VÔ TUYẾN

TIỂU LUẬN 2
GVHD:

TS. Hà Hoàng Kha

SVTH:
Trương Trần Thúy Nga - 1670326
Nguyễn Trần Thanh Lâm- 1570635

TP.HCM
Tháng 05/2017

1|Trang


TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ 5G

2|Trang


MỤC LỤC
MỤC LỤC.....................................................................................................................3
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................5
DANH MỤC HÌNH.......................................................................................................6
1.Millimeter Waves.......................................................................................................8

2.1.Tổng quan............................................................................................................8
2.Small cell..................................................................................................................15
3.1.Tổng quan..........................................................................................................15
3.2.Tại sao phải dùng small cell?.............................................................................16
3.3.Các loại small cell và mô hình triển khai..........................................................16
3.4.Backhaul problem (Tới ưu chi phí và kỷ thuật).................................................17
3.5.Ưu điểm.............................................................................................................17
3.6.Bất lợi................................................................................................................17
3.7 Mô phỏng MMW bằng phần mềm NYUSIM....................................................18
3.7.1 Giao diện.....................................................................................................18
3.7.2 Ý nghĩa các thông số:.................................................................................19
4.Massive MIMO.........................................................................................................24
4.1.Tổng quan..........................................................................................................24
4.2.Massive MIMO là gì?........................................................................................25
4.3.Massive MIMO hoạt động thế nào?..................................................................27
1.1.Ước lượng kênh (channel estimation)...........................................................27
1.2.Uplink Data Transmission.............................................................................28
1.3.Downlink Data Transmission........................................................................28
4.4.Tại sao phải dùng Massive MIMO....................................................................28
4.5.Thách thức của massive MIMO:.......................................................................29
1.1.“Ô nhiễm” pilot (pilot contamination)...........................................................29
1.2.Môi trường truyền không thuận lợi................................................................29
3|Trang


1.Beamforming............................................................................................................30
2.Full Duplex...............................................................................................................35
3.Kết luận.....................................................................................................................35
4.Tài liệu tham khảo:...................................................................................................36

4|Trang


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AOA

Angles of arriva

AOD

Angles of departure

BMW

Beam Widening

BS

Base Station

GCS

Ground Control Station

ITU

International Telegraph Union

LOS

Line Of Sight

LTE

Long Term Evolution

MIMO

Multiple-Input and Multiple-Output

MPC

Multipath Component

MS

Mobile Station

PBCH

Physical Broadcast Channel

RF

Radio Frequency

RRC

Radio Resource Control

SDMA

Signal to Noise Ratio

SDMA

Spatial Division Multiple Access

SNR

Signal-to-Noise Ratio

5|Trang


DANH MỤC HÌNH

6|Trang


T

A. TÓM TẮT
rong bài tiểu luận này nhóm đã tìm hiểu được về mạng 5G các thức hoạt
động, nhu cầu sử dụng mạng 5G trong tương lai, và các vấn đề liên quan
khác, song song đó nhóm đã tham khảo một số bài báo và các trao đổi trên

các diễn đàn, đồng thời sử dụng lý thuyết nền tản trong sách A. Goldsmith, Wireless
Communications, Cambridge University Press, 2005 . Mục tiêu của nhóm là không

chỉ thực hiện được đầy đủ yêu cầu của đề tài, hiểu được rõ nội dung vấn đề cần thực
hiện mà thêm vào đó là thể hiện một cách cô đọng và đầy đủ các nội dung của vấn
đề cần nghiên cứu để tiểu luận có thể trở thành một tài liệu tham khảo cho việc
nghiên cứu trở về sau của nhóm. Mặc dù đã cố gắng dành phần lớn thời gian cho
việc nghiên cứu cũng như môn học tuy nhiên do một số hạn chế nhất định về mặt
kiến thức cũng như thời gian tiếp thu đối với lĩnh vực vẫn đang còn mới so với thực
tiễn nên sẽ không thể tránh việc một số vấn đề xảy ra sai sót, hay cách nhìn nhận có
phần hơi chủ quan, thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý chân thành của Thầy.
Qua bài tiểu luận nhóm xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS. Hà
Hoàng Kha về những bài học đầy tính thực tiễn cũng như những k i ế n t h ứ c
hiểu biết sâu rộng của Thầy trong thông tin vô tuyến.

Trân trọng và cảm ơn,

7|Trang


Giới thiệu chung
Người dùng di động ngày nay muốn tốc độ dữ liệu nhanh hơn và dịch vụ đáng
tin cậy hơn. Thế hệ tiếp theo (next generation) của mạng không dây – 5G – hứa hẹn
sẽ mang lại nhưng mong muốn này và nhiều hơn nữa. Với 5G, người dùng có thể tải
xuống một bộ phim HD trong khoảng thời gian dưới 1s (một nhiệm vụ có thể mất 10
phút nếu dùng 4G LTE). Các kỹ sư vô tuyến cho biết rằng, 5G sẽ thúc đẩy sự phát
triển của các công nghệ mới như phương tiện giao thông tự hành (autonomous
vihicles), thực tế ảo (virtual reality) và Internet of Things.
Nếu mọi việc suôn sẻ, các công ty viễn thông hy vọng sẽ ra mắt mạng 5G thương
mại đầu tiên vào năm 2020. Ngay bây giờ, 5G đang trong giai đoạn lập kế hoạch,
các công ty và các nhóm ngành công nghiệp đang làm việc cùng nhau để tìm ra mô
hình chính xác sẽ như thế nào. Nhưng tất cả đều đồng ý một vấn đề: khi số lượng
người dùng di động và nhu cầu dữ liệu tăng, 5G phải xử lý nhiều lưu lượng truy cập

ở tốc độ cao hơn nhiều so với các base station tạo thành mạng di động ngày nay.
Để đạt được điều này, các kỹ sư vô tuyến đang thiết kế một tập hợp các công
nghệ hoàn toàn mới. Các công nghệ này sẽ cung cấp dữ liệu với thời gian trễ dưới
một mili giây (so với 70 ms trên mạng 4G hiện nay) và mang lại tốc độ download tối
đa là 20Gbps (so với 1Gpbs trên 4G) cho người dùng.
Hiện tại, vẫn chưa rõ ràng là công nghệ nào sẽ được áp dụng nhiều nhất cho 5G
về lâu dài, nhưng một vài sự ưa thích bắt đầu xuất hiện bao gồm: millimeter waves,
small cells, massive MIMO, full – duplex và beamforming.
Để hiểu 5G sẽ khác như thế nào đối với 4G ngày nay, chúng ta sẽ đi qua 5 công
nghệ này và xem xét mỗi công nghệ sẽ có ý nghĩa gì đối với người dùng vô tuyến.
1. Millimeter Waves
2.1. Tổng quan
Những tần số dùng trong thông tin di động cũng giống như những mảnh đất màu
mỡ rất nhiều người thèm muốn và cực kỳ hiếm. Vì thế các công ty viễn thông phải
liên tục chạy đua để mua những tần số này với giá đôi khi lên đến hàng chục tỷ đô-la
trong khi chúng chỉ là một mảnh nhỏ của dải tần số điện từ. Đó là vì ngành công
nghiệp di động, trải qua bốn thập kỷ tồn tại, đã phụ thuộc hoàn toàn vào một dải tần
số được biết đến dưới tên gọi “sóng siêu cao tần” (ultrahigh frequency band) vốn có
băng thông chỉ vào khoảng 1% của toàn bộ dải tần được phép sử dụng. Các kỹ sư vô
tuyến đã xem dải tần số trong khoảng từ 300 MHz đến 3 GHz này là “thiên đường”
cho công nghệ mạng di động. Bước sóng ở dải tần này đủ ngắn để có thể dùng
8|Trang


những ăng-ten nhỏ nằm gọn trong các thiết bị cầm tay nhưng cũng đủ dài để có thể
đi vòng qua hoặc đi xuyên qua những vật cản như nhà cửa và cây cối. Ngay cả khi
được phát ở công suất thấp, những tín hiệu này có thể truyền đi một cách đáng tin
cậy trên những khoảng cách xa hàng cây số trong hầu như bất cứ môi trường nào,
bất kể là trong trung tâm của thành phố lớn hay trên những cánh đồng trải dài.
Vấn đề xảy ra khi cho dù các công ty viễn thông có sẵn lòng chi trả đến bao

nhiêu đi chăng nữa cho dải tần số này, họ vẫn không khi nào có thể đáp ứng đủ nhu
cầu băng thông để dùng. Việc sử dụng điện thoại thông minh và máy tính bảng đang
gia tăng nhanh chóng, còn người sử dụng thì duyệt web, xem phim, và chia sẻ ảnh
trong khi di chuyển đã dẫn đến lượng dữ liệu được truyền tải qua sóng vô tuyến trở
nên nhiều hơn bao giờ hết. Lưu lượng thông tin di động trên toàn thế giới tăng gấp
đôi sau mỗi năm, theo các báo cáo từ Cisco và Ericsson, và việc gia tăng theo cấp số
nhân đó sẽ còn tiếp diễn trong tương lai. Đến năm 2020, một người sử dụng thiết bị
di động thông thường có thể tải xuống khoảng 1 TB dữ liệu mỗi năm—tương đương
với khoảng hơn 1000 bộ phim dài.
Các nhóm xây dựng tiêu chuẩn truyền thông không dây đã làm đủ kiểu để tăng
dung lượng cho các mạng di động thế hệ thứ tư (4G) theo chuẩn LTE ngày nay, bao
gồm cả những cách như sử dụng nhiều ăng-ten, chia nhỏ các ô thu phát sóng (cell),
và phối hợp các thiết bị một cách thông minh hơn. Nhưng những giải pháp này sẽ
chẳng thể giải quyết được sự gia tăng lưu lượng dữ liệu sau bốn đến sáu năm nữa.
Có một cách để giải quyết vấn đề đó là chỉ cần truyền tín hiệu trên một dải tần số
hoàn toàn mới mà chưa bao giờ dược sử dụng cho dịch vụ di động trước đây. Đó là
lý do tại sao các nhà cung cấp đang thử nghiệm việc broadcast trên sóng millimeter
(millimeter waves), sử dụng tần số cao hơn tần số vô tuyến từ lâu đã được sử dụng
cho điện thoại đi động. Các chuyên gia trong lĩnh vực này đồng ý rằng công nghệ di
động thế hệ thứ năm (5G) sẽ phải có mặt vào cuối thập kỷ này. Millimeter waves
được phát sóng ở tần số 30 đến 300GHz, so với bằng tần 6GHz đã được sử dụng cho
các thiết bị đi động trong quá khứ. Chúng được gọi là millimeter waves bởi vì có
chiều dài khác nhau từ 1 đến 10 mm, so với sóng vô tuyến phụ vụ điện thoại thông
minh hiện nay, với chiều dài đo được khoảng 10cm.
Theo định nghĩa của Liên minh Viễn thông Thế giới (ITU), dải tần số millimeterwave, còn được gọi là dải tần số siêu cao, là dải tần số từ 30 đến 300 GHz. Tuy
nhiên, chúng ta cũng bao gồm luôn cả phần lớn các tần số nằm trong dải tần số cực
cao, trong khoảng từ 10 đến 30 GHz, bởi vì tín hiệu ở tần số này cũng lan truyền với
đặc tính tương tự như tín hiệu millimeter wave. Các nhà nghiên cứu đã dự đoán rằng
9|Trang

các nhà mạng có thể sẽ dành đến 100 GHz băng thông trong dải tần này cho thông
tin di động—nghĩa là hơn 100 lần so với lượng băng thông mà các mạng di động có
được ngày hôm nay. Bằng cách khai thác dải tần mới này, các công ty viễn thông có
thể cung cấp cho người tiêu dùng một dung lượng dữ liệu lớn gấp hàng trăm lần so
với 4G LTE và cho phép tải dữ liệu xuống với tốc độ hàng chục Gb/s với một mức
giá khá thấp.
Cho đến nay, chỉ có các nhà khai thác vệ tinh và hệ thống radar sử dụng
millimeter waves cho các ứng dụng thực thế. Bây giờ, một số nhà cung cấp di động
bắt đầu sử dụng chúng để gửi dữ liệu giữa các điểm tĩnh, chẳng hạn như giữa hai
base station. Nhưng sử dụng sóng millimet để kết nối giữa người dùng di động và
base station gần đó là một cách tiếp cận hoàn toàn mới. Một trở ngại lớn đối với
millimeter wave đó là chúng không thể đi qua các tòa nhà một cách dễ dàng và có
thể bị hấp thụ bởi tán lá và mưa. Đó là lý do tại sao các nhà mạng 5G có thể làm
tăng thêm các tháp di động truyền thống bằng một công nghệ mới khác, được gọi là
small cells.
2.2. Thách thức của sóng mm-Wave
Tuy tiềm năng của sóng mmWave là rất lớn và việc phát triển nó là xu thế tất yếu
nhưng hiện nay các công ty viễn thông vẫn chưa thể sử dụng vì các thiết bị thu phát
sóng, mạch điện RF và các hệ thống ăng-ten ở tần số millimeter-wave là quá tốn
kém và ở các tần số đó việc truyền tín hiệu giữa các trạm thu phát và thiết bị di động
truyền thống sẽ không được tốt. Thêm vào đó ngành công nghiệp bán dẫn không có
khả năng về mặt kỹ thuật cũng như không có đủ nhu cầu từ thị trường để tạo ra các
linh kiện điện tử, loại dành cho người tiêu dùng phổ thông, đủ nhanh để hoạt động ở
tần số millimeter-wave. Điều lo ngại lớn hơn nữa khi tín hiệu millimeter-wave sẽ bị
hấp thụ và phân tán do không khí, mưa, và cây cối và không đi xuyên vào bên trong
nhà được. Do đó trong gần hai thập kỷ, dải tần khổng lồ này vẫn chưa được sử dụng.
Ta có thể thấy mức suy hao của sóng mmWave là rất nhiều và khoảng cách phát
cũng không cao. Vì thế tiềm năng của sóng mmWave mang lại là rất lớn nhưng trở
ngại cũng không hề nhỏ.

2.3. Gỉai pháp cho mmWave
Một phần nhờ vào Luật Moore được xây dựng bởi Gordon Moore - một trong
những sáng lập viên của tập đoàn sản xuất chip máy tính nổi tiếng Intel. Định luật
ban đầu được phát biểu như sau:
"Số lượng transistor trên mỗi đơn vị inch vuông sẽ tăng lên gấp đôi sau mỗi
năm." (1 inch vuông xấp xỉ 6,45 cm²).
10 | T r a n g


Thêm vào đó sự phổ biến của các thiết bị đỗ xe tự động cũng như các thiết bị
radar khác trên xe hơi đã thúc đẩy công nghệ mmWave đến gần với người sử dụng
phổ thông, mà giờ đây người ta có thể gói ghém toàn bộ một hệ thống vô tuyến
millimeter-wave trên chỉ một con chíp CMOS hay silicon-germanium. Như vậy ban
đầu đã giải quyết được phần nào thách thức về kỹ thuật phần cứng. Nhiều điện thoại
thông minh cao cấp, ti-vi, máy tính xách tay dành cho dân chơi game, chẳng hạn
như hiện nay đã tích hợp các chíp không dây hoạt động trên hai chuẩn millimeterwave cạnh tranh nhau là Wireless High Definition (WirelessHD) và Wireless
Gigabit (WiGig). Nhưng những công nghệ này không được thiết kế cho việc truyền
tin giữa một điện thoại thông minh và một trạm thu phát sóng. Thay vào đó, chúng
được dùng để chuyển một lượng lớn dữ liệu, ví dụ như phim không nén, qua những
khoảng cách ngắn mà không cần đến cáp mạng hay cáp HDMI rườm rà. Cả hai hệ
thống WirelessHD và WiGig hoạt động ở tần số 60 GHz trên một dải tần rộng
khoảng từ 5 đến 7 GHz—xê dịch một vài GHz tuỳ theo từng nước. Băng thông đó
lớn gấp nhiều lần lượng băng thông mà các mạng Wi-Fi nhanh nhất sử dụng do đó
tốc độ truyền dữ liệu lên đến khoảng 7 Gb/s. Những nhà sản xuất thiết bị cho mạng
di động cũng đang bắt đầu khai thác các dải tần cực rộng trên tần số millimeterwave. Nhiều nhà cung cấp, bao gồm Ericsson, Huawei, Nokia, và công ty khởi
nghiệp BridgeWave, ở Santa Clara, California, hiện đang sử dụng sóng millimeterwave để tạo các kết nối thẳng (line-of-sight) tốc độ cao giữa các trạm thu phát và
mạng lõi (backbone) để khỏi phải dùng đến các kết nối cáp quang đắt tiền.
Mặc dù vậy, ngay cả khi millimeter-wave đã đem đến những ứng dụng không
dây mới trong nhà cũng như dịch vụ không dây cố định, nhiều chuyên gia vẫn còn
nghi ngờ khả năng dải tần này có thể hỗ trợ các kết nối di động, chẳng hạn như kết

nối đến một máy tính bảng trong một chiếc taxi đang chạy qua Times Square. Vấn
đề nằm ở chổ chính là việc các mạng di động trên tần số millimeter-wave sẽ không
thể phủ sóng mọi nơi, đặc biệt là đối với các môi trường ngoài trời đông đúc như các
thành phố, do ta không thể đảm bảo rằng luôn có một kết nối thẳng (line-of-sight)
giữa trạm thu phát và thiết bị di động. Nếu, chẳng hạn, một người sử dụng điện thoại
thông minh bất chợt đi qua bên dưới một tàn cây hay một cổng vào có mái che, tín
hiệu millimeter-wave rất có thể sẽ không đi xuyên qua những vật này được.
2.4. Đặc tính kênh truyền trong mạng mmWave Cellular
Như ta đã đề cập ở phần trước mối quan tâm lớn trong mmWave là khả năng
suy hao trong truyền sóng lớn, dẫn đến khoảng cách phát tín hiệu bị thu hẹp. Suy

11 | T r a n g


hao được thể hiện rõ trong công thức Friis cụ thể: trong không gian tự do suy hao
của anten đa hướng tỉ lệ với bình phương tần số sóng mang.

Gt Gr λ 2
Pr = Pt
(4π d ) 2 L
• Pt = cường độ tín hiệu tại anten phát
• Pr = cường độ tín hiệu tại anten thu
•λ = bước sóng của sóng mang (m)
• Gt = mức khuếch đại (gain) của anten phát
• Gr = mức khuếch đại (gain) của anten thu
•d = khoảng cách giữa các anten (T-R) đo bằng mét (>0)
•L : tham số suy hao của hệ thống do suy hao trên đường truyền, suy hao do các
bộ lọc, suy hao của anten (L >= 1)
L = 1 nghĩa rằng không có suy hao do phần cứng.
Suy hao trong không gian tự do:

Pt (4π d ) 2 L
LP = =
Pr
Gt Gr λ 2
Mặc dù suy hao lớn nhưng bù lại việc tăng tần số hoạt động cũng giúp làm
giảm kích thước thiết bị vô tuyến và cải thiện tính định hướng của anten, ngoài ra
băng tần rộng hơn có thể được cung cấp để truyền dữ liệu với tốc độ truyền dẫn
cao hơn giúp cung cấp các dịch vụ vô tuyến băng rộng tích hợp tới nhiều người
sử dụng trong một vùng xác định. Thay vào đó các bước sóng nhỏ của tín hiệu
mmWave cũng làm tăng độ lợi anten cho cùng 1 anten vật lý. Do đó tầng số sóng
mang cao hơn không tự nó gây ra bất kì sự tăng tổn thất đường truyền trong điều
kiện vùng anten vẫn cố định và phù hợp với độ lợi anten (do truyền có định
hướng) được sử dụng tại các trạm BS. Điều đó được thể hiện rõ hơn thông qua
sự tiến bộ của sự phát triển CMOS và các mạch tích hợp RF cho phép việc tích
hợp nhiều phần tử anten cực nhỏ (lớn hơn 32 phần tử) vào một diện tích bé trở
nên dể dàng, tạo nên một hệ thống đa anten (multiple antenna systems) để mà
nếu MS sử dụng một cụm anten định hướng như vậy sẽ nhận được độ lợi công
suất các tín hiệu mmWave cao hơn so với các tín hiệu tần số thấp. Việc các anten
truyền có định hướng góp phần giúp giảm thiểu can nhiễu, cũng chứng tỏ tầm
quan trọng của thu phát beamforming đối với hệ thống di động mmWave. Một
12 | T r a n g


ăng-ten dạng patch đơn lẻ ở tần số 28 GHz sẽ không có nhiều tác dụng đối với
việc truyền sóng di động do độ lợi của nó bị giảm đi khi kích thước của nó bị thu
nhỏ. Nhưng bằng cách sắp xếp hàng chục các ăng-ten tí hon này với nhau thành
một mảng, ta có thể khuyếch đại năng lượng tổng cộng của chúng lên mà không
cần phải tăng công suất phát. Những mảng ăng-ten như vậy đã được dùng từ lâu
trong thông tin radar và vũ trụ, và nhiều công ty sản xuất bán dẫn, bao gồm Intel,

Qualcomm, và Samsung, hiện đang tích hợp chúng trong các chip WiGig. Giống
như một ăng-ten hình loa hay một đĩa ăng-ten vệ tinh, một mảng ăng-ten tăng
cường độ lợi bằng cách tập trung sóng vô tuyến vào một hướng. Nhưng do các
mảng ăng-ten tạo ra hướng truyền này theo phương thức điện tử, nó có thể nhanh
chóng thay đổi hướng truyền để nhanh chóng tìm và duy trì một kết nối di động.
Trong đó analog beamforming/ hybrid beamforming thường được dùng để hỗ
trợ một hoặc nhiều phương thức truyền được đề cập ở mục sau, nơi mà tất cả các
anten chia sẻ một lượng nhỏ các chuỗi RF (nhỏ hơn rất nhiều so với số lượng
anten) và thường có beamforming không đổi về biên độ/hệ số tiền mã hóa.
Thông thường, đối với một MS phương thức truyền được sử dụng trong đó bao
gồm các chuỗi RF đơn và anten N MS . Đối với BS để hỗ trợ truyền thông đa
người dùng, truyền tải đa luồng có thể được sử dụng, trong đó có chuỗi RF N RF
và anten N BS . Thông thường, N RF < N BS .

Hình 2. 1 Mô hình hệ thống di động mmWave, trong đó BS giao tiếp thông qua
các beamforming sử dụng anten sắp xếp theo mảng

13 | T r a n g


Hình 2. 2 Sơ đồ khối của BS-MS thu phát sử dụng RF và búp sóng dải nền
baseband ở cả 2 đầu
Kênh các thành phần đa đường trong mmWave (MPCs) chủ yếu được tạo ra
bởi sự tán xạ thứ nhất và thứ 2 theo thứ tự, với các góc độ khác nhau về góc vật
lý xuất phát (AoDs) và góc độ đến (AoAs). Bởi vì số MPCs về cơ bản là nhỏ hơn
nhiều so với số lượng anten, AoDs và AoAs là rời rạc ở miền tọa độ góc. Kết quả
là, một cảm biến dựa trên các tiếp cận kênh dự đoán, có thể phù hợp tốt, đặc biệt
cho các hệ thống mmWave.
L (t )

H ( t ) = N MS N BS ∑ λL (t ) p (t − τ l (t ))
l =1

a( N BSψ (t ))a ( N MS , Ωl (t )) H

Trong đó:
λl (t ) là hệ số liên hợp phức của lth
L(t ) là số MPCs
p (t ) độ tăng của xung

τ l (t ) độ trễ tương đối của lth MPC

ψ (t ) là AoA tại BS
Ωl (t ) là AoDs từ MSs

Biểu thức a(.) là vector chuyển hướng phụ thuộc vào số lượng anten và các
góc lái. Nói chung chỉ có một số lượng rất nhỏ MPCs đủ mạnh có thể tìm được
để hình thành các búp sóng giữa BS và MS. Kết quả cho thấy độ trễ lan truyền có
thể được giảm nhẹ hơn nữa bở beamforming trong không gian. Hơn nữa thời
gian để liên kết trong thực tế là tương đối dài hơn so với thời gian gói truyền
trong giao tiếp mmWave. Do đó các kênh thường được xem như là Quasi-static.
14 | T r a n g


2. Small cell
3.1. Tổng quan
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng dải tần millimeter-wave có thể cung cấp
độ phủ sóng tốt trong lĩnh vực di động. Các đo đạc thực tế cho thấy một thiết bị di
động không nhất thiết phải có một đường truyền thẳng (line-of-sight) để kết nối với
một trạm thu phát. Tính phản xạ cao của tín hiệu ở tần số này hoá ra lại là một điểm

mạnh thay vì là một điểm yếu. Khi bị phản xạ trên các vật liệu đặc như nhà cửa,
bảng hiệu, và con người, các tín hiệu lan toả ra khắp không gian, làm tăng cơ hội
nhận được tín hiệu cho các máy thu—miễn là bộ thu và bộ phát được hướng theo
các hướng thích hợp. Cũng như bất kỳ một hệ thống không dây nào khác, khả năng
mất kết nối tăng lên khi bộ thu di chuyển ra xa khỏi bộ phát. Đối với các tín hiệu
millimeter-wave được phát ở công suất thấp, khả năng mất tín hiệu bắt đầu từ
khoảng 200 mét. Khoảng cách ngắn này có thể là một vấn đề cho các thế hệ thông
tin di động đời đầu với bán kính một ô thu phát sóng thông thường lên đến vài
kilomet. Nhưng trong khoảng một thập kỷ vừa qua, các công ty viễn thông đã thu
nhỏ các ô thu phát sóng một cách đáng kể để tăng dung lượng. Trong các trung tâm
đô thị cực kỳ đông đúc, họ đã bắt đầu triển khai các ô thu phát nhỏ—các trạm thu
phát cỡ nhỏ có thể lắp đặt được ở các trụ đèn hay các trạm xe buýt—với tầm bao
phủ không quá 100 mét. Các ô thu phát nhỏ có thể là hình thức lý tưởng cho thông
tin liên lạc trên tần số millimeter-wave. Như ta đã biết rằng mưa và không khí có thể
làm suy hao tín hiệu millimeter-wave truyền qua các khoảng cách xa, làm cho năng
lượng của chúng bị giảm đi nhanh hơn so với các tín hiệu có bước sóng dài hơn như
tín hiệu trên tần số siêu cao tần đang được sử dụng ngày nay. Mặc dù các nghiên cứu
trước đó đã cho thấy trên các khoảng cách ngắn cỡ vài trăm mét, những tác nhân tự
nhiên này không tác động mạnh đến hầu hết các tần số millimeter-wave, nhưng cũng
có vài trường hợp ngoại lệ.
Trong băng tần sóng millimeter, các sóng được truyền bị suy hao lớn bởi môi
trường không khí, do đó kích thước cell sẽ bị hạn chế. Kích thước cell nhỏ nâng cao
hiệu quả sử dụng lại phổ tần. Phổ tần số sử dụng trong hệ thống thông tin di động là
có hạn nên người ta phải tìm cách sử dụng lại tần số để có thể tăng dung lượng điện
thoại phục vụ, các nhóm tần số giống nhau có thể được sử dụng ở các cell khác nhau
miễn sao khoảng cách giữa các cell đủ lớn để tránh nhiễu do các tần số trùng nhau
gây ra. Tuy nhiên việc sử dụng tần số này bắt buộc phải tăng số lượng lớn các trạm
gốc được yêu cầu, do đó mạng tế bào chuyên dụng có thể là khá đắt và tiêu thụ công
15 | T r a n g

suất cao. Để giảm chi phí của hệ thống và giảm công suất tiêu thụ, các trạm gốc phải
được thiết kế càng đơn giản càng tốt.
Small cell là các base station nhỏ - di động đòi hỏi điện năng tối thiểu để hoạt động
và đặt cách nhau mỗi 250m một lần trong thành phố. Để giảm thiểu tín hiệu bị
dropped, các nhà khai thác có thể cài đặt hàng ngàn trạm này trong một thành phố để
tạo một mạng lưới dày đặc, hoạt động như một nhóm chuyển tiếp (relay team), nhận
các tín hiệu từ các base station khác và gửi dữ liệu tới người dùng ở bất kỳ vị trí nào.
Trong khi các mạng đi động truyền thống cũng dựa vào số base station ngày càng
tăng, việc đạt được hiệu suất 5G đòi hỏi một hạ tầng thậm chí còn lớn hơn. May mắn
là, anten trên các small cell nhỏ hơn nhiều so với anten truyền thống bởi vì chúng
truyền millimeter waves. Sự khác biệt kích thước này giúp việc gắn các cell vào các
cột đèn cũng như đỉnh các tòa nhà cao tầng dễ dàng hơn.
Cấu trúc mạng hoàn toàn khác nhau nên cung cấp việc sử dụng tần số hiệu quả hơn.
Có thêm trạm nghĩa là tần số mà một trạm sử dụng để kết nối với các thiết bị trong
một khu vực có thể tái sử dụng bởi một trạm khác trong một khu vực khác để phục
vụ khách hàng khác. Có một vấn đề đó là, số lượng small cells cần thiết để xây dựng
một mạng 5G có thể gân khó khăn để thiết lập ở nông thôn.
Ngoài việc broadcast trên millimeter wave, 5G base station cũng có nhiều anten hơn
so với các base station hiện nay – để tận dụng lợi thế của một công nghệ mới khác
gọi là massive MIMO.
3.2. Tại sao phải dùng small cell?
Small cell có mục đích cung cấp cho người dùng cuối một trải nghiệm di động được
cải thiện trong các khu đô thi có độ nghẽn cao.
-

Tăng công sức trong khu vực có mật độ sử dụng cao.
Cải thiện vùng phủ sóng và tốc độ dữ liệu.
Tăng tuổi thọ của pin điện thoại bằng cách giảm điện năng tiêu thụ.

3.3. Các loại small cell và mô hình triển khai
Có 3 loại small cell: femtocells, picocells và microcells.
Những thuật ngữ này không hoàn toàn chuẩn và điều quan trọng là cần lưu ý rằng
việc sử dụng có thể chồng chéo.
Femtocells có phạm vi nhỏ nhất trong các loại small cells và thường được triển khai
trong tòa nhà hoặc doanh nghiệp nhỏ. Các thiết bị giống như router này được lắp đặt
bởi khách hàng và chỉ có thể đảm bảo cho một vài người dùng cùng lúc.Femtocells
thường có phạm vi tối đa dưới 10m.
16 | T r a n g


Picocells thường được lắp đặt ở khu vực trong nhà lớn như trung tâm thương mại,
văn phòng, nhà ga. Nó có thể hỗ trợ tối đa 100 người dùng cùng một lúc và có phạm
vi dưới 200m.
Microcells là small cell lớn nhất và mạnh nhất. Chúng thường được lắp ngoài trời
trên đèn giao thông hoặc biển báo và có thể sử dụng tạm thời cho các sự kiện lớn.
Microcells có tầm hoạt động dưới 2km, trong khi tháp microcell có thể bao phủ đến
20 dặm (32km)
3.4. Backhaul problem (Tới ưu chi phí và kỷ thuật)
Các nhà cung cấp linh kiện gặp vấn đề khi triển khai small cell network là backhaul.
Tím một địa điểm để triển khai small cell là một quá trình khó nhọc. Nhà cung cấp
phải xác định chủ sở hữu của kiến trúc xây dựng và thương lượng kế hoạch lắp đặt.
Có một số cách để cung cấp tín hiệu cho small cells bao gồm việc sử dụng cáp đồng,
sợi quang hoặc wireless microwaves, mỗi phương pháp đều có lợi thế và bất lợi
riêng. Sợ quang cung cấp lương thông lượng cao nhất nhưng có thể tốn kém nếu
không có cơ sở hạ tầng đã được thiết lập sẵn. Cáp đồng sẽ bị giới hạn tốc độ dữ liệu,
và cũng yêu cầu sử dụng các hạ tầng đã thiết lập trước. Wireless lại đòi hỏi phải phải
điều chỉnh hướng trong điều kiện line-of-sight.
Thiết lập small cell cũng tốn nhiều thời gian, Verizon Wireless đang triển khai các
small cells ở một số thành phố của Mỹ bao gồm New York, Chicago, Atlanta và San

Francisco. Ông Fran Shammo – giám đốc tài chính của Verizon Communications –
cho biết tại hội nghị thượng đỉnh MoffettNathanson Media and Communications
Summit phải mất 2 năm để triển khai một small cell từ đầu đến cuối.
3.5. Ưu điểm
-

Một giải pháp để cải thiện phạm vi phủ sóng đảm bảo ở các khu vực nhỏ
với yêu cầu năng lương thấp.
Phạm vi và năng lực đáng tin cậy và hiệu quả.
Bảng mạch rất nhỏ
Chi phí thấp hơn và linh hoạt hơn so với hệ thống anten truyền thống.

3.6. Bất lợi
-

Thiếu sự phối hợp giữa các hệ thống khác nhau
Khu vực triển khai không đảm bảo cho các small cell do việc thương lượng
và quy hoạch.
Backhaul vẫn lun là một vấn đề tốn kếm và phức tạp.
Yêu cầu nguồn điện có thể không được đảm bảo tại điểm cần lắp đặt.

17 | T r a n g


3.7 Mô phỏng MMW bằng phần mềm NYUSIM
3.7.1 Giao diện

Hình: giao diện phần mềm NYUSIM

18 | T r a n g

Hình: Các thông số đầu vào

3.7.2 Ý nghĩa các thông số:
Có 28 thông số đầu vào (input parameter) cho mô phỏng kênh (channel simulator),
được nhóm lại thành 2 loại chính:
- Channel Parameters
- Antenna Properties

19 | T r a n g


3.7.2.1 Channel Parameter

-

Frequency (GHz): một thông số có thể chỉnh sửa, biểu thị tần số sóng mang

-

(GHz). Giá trị mặc định là 28 GHz, và có thể thay đổi từ 0.5 đến 100 GHz
RF Bandwidth (MHz): một tham số có thể chỉnh sửa, biểu thị RF

-

bandwidth của tín hiệu truyền qua (transmitted signal) (MHz).
Scenario: một tham số lựa chọn biểu thị kịch bản. Có 3 lựa chọn là Umi

-

(Urban micro), Uma (Urban Macro) và Rma (Rural macro).
Enviroment: thông số có thể lựa chọn biển thị cho môi trường truyền sóng,

-

LOS (line-of-sight) hoặc NLOS (Non-line-of-sight)
Lower Bound of T-R Separation Distance(m): một tham số có thể điều

-

chỉnh biểu thị khoảng cách nhỏ nhất giữa máy phát (TX) và máy thu (RX).
Upper Bound of T-R Separation Distance(m): một tham số có thể điều

-

chỉnh biểu thị khoảng cách lớn nhất giữa TX và RX
TX power (dBm): một tham số có thể điều chỉnh biểu thị năng lượng phát
Number of RX Locations: một tham số biểu thị số vị trí RX. Mặc định là 1,

-

và có thể chọn bất kỳ giá trị nguyên nào từ 1 đến 10000
Barometric Pressure: biểu thị áp suất khí quyển đơn vị mbar được sử dụng
để đánh giá suy hao đường truyền trong không khí khô. Giá trị mặc định là

-

là 1013.23mbar (so với mực nước biển).
Humidity: biểu thị độ ẩm tương đối theo tỷ lệ phần trăm được sử dụng để

đánh giá suy hao do hơi nước.
20 | T r a n g


-

Rain rate: biểu thị tốc độ mưa theo mm/hr. Được sử dụng để đánh giá suy

-

hao do mưa gây ra.
Polarization: biểu thị mối quan hệ phân cực giữa anten TX và RX hoặc
anten array. Giá trị mặc định là Co-Pol (co-polarization – đồng phân cực)

-

có thể đổi thành X-Pol (crosspolarization – phân cực chéo)
Foliage loss: tham số cho biết có xem xét đến mất mát do lá cây hay không

-

trong mô phỏng
Distance within foliage: một tham số đại diện cho khoảng cách tính nằng

-

mét của tín hiệu truyền trong tán lá.
Foliage Attenuation (suy hao tán lá): biểu thị cho sự suy hao đường truyền
do tán lá (dB/m)

3.7.2.2 Antenna Properties
Có 12 thông số đầu vào liên quan đến TX và RX anten:
- TX Array Type: biểu thị cho kiểu của TX antenna array. Mặc định là ULA
(uniform linear array) và có thể chuyển thành USR (uniform rectangular
-

array).
RX Array Type: tương tự như trên
Number of TX Antenna Element Nt: biểu thị cho tổng số các TX anten

-

element trong một array.
Number of RX Antenna Element Nr: biểu thị cho tổng số các RX anten

-

element trong một array.
TX antenna Spacing (In wavelength): biểu thị khoảng cách giữa các anten

-

TX liền kề trong một array.
RX antenna Spacing (In wave length): tương tự
Number of TX Antenna Elements Per Row Wt: biểu thị số lượng anten TX

-

trong một chiều khi TX Array Type là ULA hoặc URA
Number of TX Antenna Elements Per Row Wr: tương tự

TX Antenna Azimuth HPBW (độ): biểu thị góc phương vị half-power-

-

beamwidth của anten TX.
TX Antenna Elevation HPBW (độ): biểu thị cho độ cao HPBW của anten

-

TX.
RX Antenna Azimuth HPBW (độ): tương tự của TX
RX Antenna Elevation HPBW (độ): tương tự của TX

21 | T r a n g


3.7.2.3 Kết quả

22 | T r a n g


23 | T r a n g


4. Massive MIMO
4.1. Tổng quan
Các base station 4G hiện nay có 12 port cho mỗi anten xử lý tất cả các lưu lượng
di động: 8 port phát và 4 port thu. Nhưng 5G base station có thể hỗ trợ khoảng 100
port, có nghĩa là nhiều anten có thể vừa trên một single array. Khả năng đó nghĩa là
một base station có thể gửi và nhận tín hiệu từ nhiều người dùng cùng lúc, tăng dung

lượng của mạng đi động lên 22 lần hoặc cao hơn.
Công nghệ này được gọi là massive MIMO. Tất cả bắt đầu với MIMO, có nghĩa
là multi-input multi-output. MIMO mô tả wireless system sử dụng hai hay nhiều
máy phát và máy thu để gửi và nhận dữ liệu nhiều hơn cùng một lúc. Massive
MIMO đưa khái niệm này lên một tầm cao mới bằng cách đưa ra hàng chục anten
trên một array.
MIMO hiện tại được tìm thấy trên một số 4G base station. Nhưng cho đến nay,
masssive MIMO chỉ được thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và một vài thử
24 | T r a n g


nghiệm thực địa. Trong các thử nghiệm ban đầu, nó đã lập kỷ lục về hiểu quả phổ
tần (spectrum efficiency), là thước đó số lượng bit dữ liệu có thể được truyền cho
một số lượng người dùng nhất định mỗi giây.
Massive MIMO rất hứa hẹn cho tương lai 5G. Tuy nhiên, lắp đặt thêm rất nhiều
anten để xử lý lưu lượng di động cũng gây nhiễu (interference) nhiều hơn nếu những
tín hiện chéo (signal cross).

Hình 4. 1 một số cấu hình anten và các mô hình triển khai cho một massive MIMO
base station.

4.2. Massive MIMO là gì?
Massive MIMO là một dạng của MU-MIMO với số lượng anten của base station
và số lượng người dùng lớn. Trong Massive MIMO, hàng trăm hoặc hàng ngàn
anten của base station phục vụ hàng chục và hàng trăm người dùng trong cùng một
dải tần số. Một số điểm chính của massive MIMO là:
-

TDD (Time Division Duplexing): với FDD (frequency division duplexing)
ước lượng kênh (channel estimation) phụ thuộc vào số lượng anten base

25 | T r a n g