Ước lượng, bù dịch tần doppler trong hệ thống thông tin di động dải sóng milimet

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ước lượng, bù dịch tần Doppler trong hệ thống
thông tin di dộng dải sóng Milimet

ĐINH VĂN LINH
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Giảng viên hướng dẫn:

PGS.TS. Vũ Văn Yêm

Viện:

Điện tử viễn thông

HÀ NỘI, 5/2020


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Ước lượng, bù dịch tần Doppler trong hệ thống
thông tin di dộng dải sóng Milimet
ĐINH VĂN LINH
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Giảng viên hướng dẫn:

PGS. TS. Vũ Văn Yêm

Viện:

Điện tử viễn thông

HÀ NỘI, 5/2020

Chữ ký của GVHD


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: ĐINH VĂN LINH
Đề tài luận văn: Ước lượng, bù dịch tần Doppler trong hệ thống thơng tin
di động dải sóng Milimet
Chun ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số HV: CA180265
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
20/5/2020 với các nội dung sau:
- Chỉnh sửa lại một số hình vẽ bị mờ
- Gõ lại một số cơng thức tốn học
- Bỏ chữ “chương 4. kết luận chung”
- Trong tóm tắt luận văn: sửa lại 15-1mm
- Trong luận văn thay chữ "Em" bằng chữ "Tác giả"
- Trong mục 2.2.4.3 thêm kịch bản thay đổi công suất phát từ 43 dBm về
34 dBm (trang 55)
- Trong mục 3.3, em thêm kết quả hình 3.9 so sánh quá trình trước khi

bù và sau khi bù và viết lại nhận xét chương 3 (trang 71).
Hà Nội, Ngày 20 tháng 5 năm 2020
Giảng viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

PGS. TS. Vũ Văn Yêm

Đinh Văn Linh
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS. TS. Nguyễn Văn Đức


LỜI CẢM ƠN
Luận văn được thực hiện ở phòng nghiên cứu RF Lab, trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội, do PGS. TS. Vũ Văn Yêm hướng dẫn. Xin chân thành bày tỏ lòng
biết ơn sâu sắc đến PGS. TS. Vũ Văn Yêm - người đã tận tình hướng dẫn, chia sẻ
kinh nghiệm và đưa ra những ý kiến đóng góp quý báu cùng sự động viên tinh thần
trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Do thời gian thực hiện có hạn, kiến thức chun mơn cịn nhiều hạn chế nên
luận văn Tác giả thực hiện sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả rất mong
nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cơ và các bạn đọc.
Xin chân thành cảm ơn!
TĨM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Mạng thông tin di động 5G đã được triển khai thử nghiệm tại một số nước sử
dụng sóng milimet (Milimetre wave) đại diện cho phổ tín hiệu RF trong khoảng
20 GHz đến 300 GHz với bước sóng từ 15-1mm. Đối với kênh truyền của hệ thống
thông tin di động dải sóng milimet, mơ hình suy hao là một yếu tố quan trọng nhất
trong việc lập kế hoạch, phát triển di động để tính tốn cơng suất, hướng anten…

từ đó cung cấp kết nối khơng dây ổn định, tốc độ cao cho tất cả các thiết bị di động.
Trong luận văn này sẽ trình bày mơ hình suy hao tần số 28 GHz dựa trên cơ sở lý
thuyết mơ hình suy hao của NYU WIRELESS và 3GPP. Cơng cụ mơ phỏng kênh
truyền đó là phần mềm Wireless Insite, dữ liệu đầu ra được thu thập từ mơ hình
mơ phỏng suy hao truyền sóng khu vực Keangnam, Hà Nội, sau đó sẽ được tiến
hành xử lý bằng các kỹ thuật xử lý dữ liệu là phân tích hồi quy – thuật toán gradient
descent và thuật toán K-Nearest Neighbor của Machine Learning. Cả hai kỹ thuật
này đều cho ra kết quả tương thích cao so với mơ hình suy hao truyền sóng milimet
của NYU WIRELESS và 3GPP.
Đối với 4G-LTE đang sử dụng kỹ thuật điều chế OFDM thì 5G sẽ sử dụng
các biến thể khác của OFDM như CP-OFDM, F-OFDM, FBMC, UFMC, GFDM.
Kỹ thuật OFDM lại rất nhạy với độ dịch tần Doppler. Khi UE di chuyển với vận
tốc cao, độ dịch tần Doppler lớn sẽ làm mất tính trực giao giữa các băng con do
nhiễu liên kênh (Inter-Carrier Interference (ICI)), điều này sẽ làm giảm độ tin cậy
và hiệu suất của hệ thống. Có một vài phương pháp được đề xuất để ước lượng và
bù dịch tần. Trong luận văn này, tác giả sử dụng dạng sóng CP-OFDM và áp dụng
kỹ thuật ước lượng và bù CFO theo miền tần số. Kỹ thuật này cho phép chèn các
pilot kèm theo các ký hiệu CP-OFDM và cho kết quả khá tốt khi ở cùng giá trị
Eb/No, sau khi bù có BER thấp hơn trước khi bù.

Hà Nội, ngày 08 tháng 01 năm 2020

Đinh Văn Linh



MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................ iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................. viii

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG DẢI SÓNG
MILIMET ............................................................................................................. 1
1.1 Giới thiệu về băng tần milimet trong hệ thống thông tin di động ............ 1
1.1.1 Xu hướng phát triển công nghệ và dịch vụ thông tin di động .......... 1
1.1.2 Tiêu chuẩn của mạng 5G .................................................................. 2
1.1.3 Sóng milimet trong cơng nghệ 5G .................................................... 3
1.1.4 Dạng sóng của 5G............................................................................. 7
1.2 Mơ hình suy hao truyền sóng cho băng tần sóng milimet...................... 11
1.2.1 Mơ hình suy hao truyền sóng trong khơng gian tự do .................... 11
1.2.2 Mơ hình SUI (Standford University Interim) ................................. 14
1.2.3 Mơ hình suy hao được đề xuất bởi NYU Wireless......................... 15
1.2.4 Mơ hình suy hao truyền sóng của 3GPP......................................... 16
1.3 Kết luận chương ..................................................................................... 24
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT XỬ LÝ DỮ LIỆU VÀ MƠ HÌNH SUY HAO
TRUYỀN SĨNG Ở DẢI TẦN 28 GHz............................................................. 25
2.1 Kỹ thuật xử lý dữ liệu cho bài toán suy hao truyền sóng ....................... 25
2.1.1 Phân tích hồi quy ............................................................................ 25
2.1.2 Thuật toán Gradient descent ........................................................... 27
2.1.3 Thuật toán K-Nearest Neighbor cho hồi quy ................................. 29
2.2 Mơ hình suy hao truyền sóng dải tần 28 GHz khu vực Keangnam, Hà Nội
..................................................................................................................... 33
2.2.1 Công cụ Wireless Insite .................................................................. 33
2.2.2 Cài đặt mơ hình mơ phỏng khu vực Keangnam, Hà Nội ............... 37
i


2.2.3 Q trình mơ phỏng .........................................................................38
2.2.4 Kết quả xử lý dữ liệu bằng kỹ thuật phân tích hồi quy tuyến tính –
thuật tốn Gradient Descent.....................................................................40
2.2.5 Kết quả xử lý dữ liệu bằng thuật toán K-Nearest Neighbor ............48

2.2.6 So sánh với công thức của 3GPP, kết quả của NYU Wireless .......51
2.3 Kết luận chương ......................................................................................53
CHƯƠNG 3. ƯỚC LƯỢNG VÀ BÙ DỊCH TẦN DOPPLER CHO DẢI TẦN
28 GHz..................................................................................................................54
3.1 Ảnh hưởng của CFO ...............................................................................54
3.1.1 Ảnh hưởng của phần nguyên độ dịch tần số sóng mang (IFO) .......57
3.1.2 Ảnh hưởng của phần phân đoạn độ dịch tần số sóng mang (FFO) .57
3.2 Kỹ thuật ước lượng kênh CFO ................................................................59
3.2.1 Kỹ thuật ước lượng kênh miền thời gian cho CFO .........................59
3.2.2 Kỹ thuật ước lượng miền tần số cho CFO.......................................62
3.3 Kết quả ước lượng và bù CFO dải tần 28 GHz .......................................64
3.4 Kết luận chương ......................................................................................66
KẾT LUẬN CHUNG ..........................................................................................67
Kết luận .........................................................................................................67
Hướng phát triển ...........................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................68

ii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
3GPP

3rd Generation Partnership Project

4G-LTE

4th Generation – Long Term Evolution

AOD

Angels of Departure

AOA

Angle Of Arrival

CFO

Carrier Frequency Offset

CP

Cyclic Prefix

CMOS

Complementary Metal–Oxide–Semiconductor

DVB

Digital Video Broadcasting

DFT

Discrete Fourier Transform

FFT

Fast Fourier Transform

FFO

Fractional Carrier Frequency Offset

FBMC

Filter Bank Multi-Carrier

FS

Frequency Spreading

FMT

Filtered Multi Tone

GFDM

Generalized Frequency Division Multiplexing

KNN

K Nearest Neighbor

HDTV

High-definition Television

ICI

Inter-carrier Interference

IC

Interference Cancellation

ISI

Inter-symbol Interference

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

IFO

Integer Carrier Frequency Offset

IFFT

Inverse Fast Fourier Transform

iii


ITU-R

International Telecommunication Union Radiocommunication

LOS

Light of Sight

LSE

Least Square Error

MSE

Mean Squared Error

MIMO

Multiple-Input and Multiple-Output

MMS

Multimedia Messaging Service

MF

Matched Filter

NLOS

Non Line of Sight

OFDM

Orthogonal Frequency-Division Multiplexing

OQAM

Offset QAM

PL

Path Loss

P/S

Parallel to Serial

PPN

Polyphase Networks

QoS

Quality of Service

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

RF

Radio Frequency

RB

Resource Block

RRC

Root-raised-cosine

SUI

Standford University Interim

STO

Symbol Timing Offset

S/P

Serial to Parallel

SC-FDMA

Single Carrier Frequency Division Multiple Access

TEDS

Telecommunication Equipment Distribution Service

TOD

Time of Departure
iv


TOA

Time of Arrival

UFMC

Universal Filtered Multi-Carrier

UE

User Equipment

VCO

Voltage Controlled Oscillators

v


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Đồ thị lưu lượng dữ liệu 3G và 4G của SK Telecom [1] ................... 2
Hình 1.2 Các băng tần tiềm năng cho thơng tin di động [3] ............................. 4

Hình 1.3 Biểu đồ tốc độ truyền dữ liệu 3G, 4G, 5G [3] .................................... 5
Hình 1.4 Đồ thị suy hao do mưa theo tần số ở các mức mưa khác nhau [4] .... 6
Hình 1.5 Hấp thụ khí quyển ở các tần số sóng milimet [3] ............................... 7
Hình 1.6 Sơ đồ khối CP-OFDM transceiver [5]................................................ 8
Hình 1.7 PPN-FBMC transceiver [5] ................................................................ 9
Hình 1.8 FS-FBMC transceiver [5] ................................................................... 9
Hình 1.9 UFMC transceiver [5] ...................................................................... 10
Hình 1.10 GFDM transceiver [5] .................................................................... 11
Hình 1.11 Đồ thị suy hao theo mơ hình log-distance Shadowing ................... 13
Hình 1.12 Minh họa các định nghĩa về chiều cao, khoảng cách ..................... 17
Hình 2.1 Kỹ thuật hồi quy tuyến tính .............................................................. 25
Hình 2.2 Tìm cực tiểu bằng đạo hàm .............................................................. 28
Hình 2.3 KNN cho bài tốn hồi quy [9] .......................................................... 29
Hình 2.4 Biểu diễn tập giá trị chiều cao, độ tuổi ............................................. 30
Hình 2.5 Khoảng cách giữa điểm mới và điểm huấn luyện ............................ 31
Hình 2.6 Chọn 3 điểm gần nhất với điểm mới ................................................ 31
Hình 2.7 Sự phụ thuộc lỗi huấn luyện với giá trị k [10] ................................. 33
Hình 2.8 Sự phụ thuộc lỗi thẩm định với giá trị k [10] ................................... 33
Hình 2.9 Vùng phủ tín hiệu, đa đường, đặc tính kênh vô tuyến cho môi trường
đô thị mô phỏng bằng Wireless Insite ............................................................. 34
Hình 2.10 Mơ phỏng lan truyền trong các tịa nhà .......................................... 34
Hình 2.11 Thêm dữ liệu địa hình định dạng DRG .......................................... 36
Hình 2.12 Khu vực Keangnam, Mễ Trì........................................................... 37
Hình 2.13 Các tham số về tính chất vật liệu .................................................... 38
Hình 2.14 Mơ hình khu vực Keangnam, Hà Nội ............................................ 39
Hình 2.15 Mơ hình suy hao LOS tần số 28 GHz ............................................ 41
Hình 2.16 Mơ hình suy hao NLOS tần số 28 GHz.......................................... 41
Hình 2.17 Mơ hình suy hao LOS khi thay đổi vị trí trạm phát độ cao 145m.. 43
Hình 2.18 Mơ hình suy hao NLOS khi thay đổi vị trí trạm phát độ cao 145m 43
vi

Hình 2.19 Mơ hình suy hao LOS khi thay đổi cả vị trí trạm phát, trạm thu.... 45
Hình 2.20 Mơ hình suy hao NLOS khi thay đổi cả vị trí trạm phát, trạm thu . 45
Hình 2.21 Mơ hình suy hao LOS tần số 28 GHz ............................................. 47
Hình 2.22 Mơ hình suy hao NLOS tần số 28 GHz .......................................... 47
Hình 2.23 Biểu đồ khảo sát giá trị k và σ [dB] của LOS ................................ 50
Hình 2.24 Biểu đồ khảo sát giá trị k và σ [dB] của NLOS ............................. 50
Hình 3.1 Ảnh hưởng CFO lên nhiễu liên kênh [11] ........................................ 55
Hình 3.2 Ảnh hưởng của CFO ε trong pha của tín hiệu miền thời gian [11] . 56
Hình 3.3 Ảnh hưởng của phần nguyên CFO lên tín hiệu nhận ....................... 57
Hình 3.4 Giản đồ chịm sao của ký hiệu nhận với CFO ε [11] ....................... 59
Hình 3.5 Đường cong đặc trưng của phương trình hàm lỗi (PT 3.9) [11] ...... 60
Hình 3.6 Khoảng ước lượng của CFO với hiệu quả MSE [11] ....................... 62
Hình 3.7 Giản đồ đồng bộ CFO sử dụng pilot tones [11] ............................... 63
Hình 3.8 Hiệu suất BER của các kỹ thuật ước lượng CFO khác nhau [12] .... 64
Hình 3.9 Kết quả bù dịch tần CFO dải tần 28 GHz áp dụng kỹ thuật ước lượng
theo miền tần số chèn pilot tones và dạng sóng CP-OFDM ............................ 65

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Tiêu chuẩn của mạng 5G [2] .............................................................. 3
Bảng 1.2 Số mũ suy hao n theo môi trường .................................................... 13
Bảng 1.3 Tham số của từng loại điều kiện địa hình ........................................ 14
Bảng 1.4 Các mơ hình suy hao cho sóng milimet của 3GPP [8] .................... 18
Bảng 2.1 Tập dữ liệu chiều cao, cân nặng và độ tuổi...................................... 30
Bảng 2.2 Tham số của Anten phát .................................................................. 39
Bảng 2.3 Kết quả xử lý dữ liệu vị trí trạm phát tại tòa nhà cao 336m ............ 40

Bảng 2.4 Kết quả xử lý dữ liệu vị trí trạm phát tại tòa nhà cao 145m ............ 42
Bảng 2.5 Kết quả xử lý dữ liệu vị trí trạm phát tại tịa nhà cao 50m và vị trí trạm
phát thay đổi .................................................................................................... 44
Bảng 2.6 Kết quả xử lý dữ liệu bằng thuật toán K-Nearest Neighbor ............ 49
Bảng 2.7 Mơ hình Path loss của thành phố New York ở tần số 28 GHz [8] .. 52
Bảng 3.1 Ví dụ về tần số Doppler và chuẩn hóa CFO .................................... 55
Bảng 3.2 Ảnh hưởng của CFO đối với tín hiệu nhận ...................................... 55
Bảng 3.3 Tham số đầu vào quá trình bù dịch tần CFO dải tần 28 GHz .......... 64
Bảng 3.4 Giá trị Eb/No theo BER sau khi bù dịch tần CFO dải tần 28 GHz.. 65

viii


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG DẢI

SÓNG MILIMET
1.1 Giới thiệu về băng tần milimet trong hệ thống thông tin di động
1.1.1 Xu hướng phát triển công nghệ và dịch vụ thông tin di động
Sự thiếu hụt băng tần mà truyền thông không dây gặp phải đã thúc đẩy việc sử
dụng băng tần millimeter (mmWave). Theo số liệu báo cáo của nhà mạng di động
SK Telecom (Hàn Quốc) tại Hội thảo chuyên đề về công nghệ thông tin di động
4G và 5G tổ chức tại thành phố Hà Nội vào cuối tháng 6/2017 cho thấy: Lượng
thuê bao 4G của nhà mạng này đã vượt qua lượng thuê bao 3G và hiện nay thuê
bao 4G đã gấp 4 lần số thuê bao 3G. SK Telecom cũng ghi nhận sự tăng đột biến
lưu lượng dữ liệu 4G, lên tới 227% vào thời điểm tháng 3/2017 so với cùng kỳ
năm 2015 (Hình 1.1). Tại một số quốc gia phát triển đã đưa vào sử dụng cơng nghệ
mạng 4G LTE có tốc độ cao hơn chuẩn mạng 3G rất nhiều. Mạng 4G vẫn hỗ trợ
các dịch vụ tương tự như 3G nhưng có tốc độ tải xuống (download) lên đến 100
Mb/giây. Thêm vào đó, mạng 4G có băng thơng rộng hỗ trợ chức năng quản lý
chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service), các ứng dụng truy cập mạng không

dây băng tần rộng (Wireless Broadband Access), tin nhắn đa phương tiện MMS
(Multimedia Messaging Service), truyền hình trực tuyến độ phân giải cao (HDTV),
DVB (Digital Video Broadcasting) và các dịch vụ cần đến băng thông rộng khác.
Mạng công nghệ 4,5G được triển khai nhằm cung cấp cho người dùng các video
độ phân giải ultra HD, công nghệ 3D holographic. Tương tự khi chuyển đổi từ 3G
lên 4G, cơng nghệ 4,5G có tốc độ nhanh hơn, độ trễ thấp hơn và các tính năng ưu
việt hơn so với công nghệ 4G hiện nay. Nó cũng sẽ mở ra một cơ hội khai thác
doanh thu mới cho các nhà mạng khi băng rộng di động trở nên ngày càng mạnh
mẽ và hiệu quả hơn.

1


Hình 1.1 Đồ thị lưu lượng dữ liệu 3G và 4G của SK Telecom [1]
Theo thống kê, từ đây đến năm 2020 thì số lượng các thiết bị thơng minh sẽ tăng
nhanh một cách chóng mặt, có đến hơn 50 tỷ thiết bị được kết nối với mạng di
động. Như vậy, mạng di động trong tương lai có thể sẽ trở thành mạng “Internet”
chính, khơng chỉ kết nối giữa người với người mà cịn giữa người với máy móc,
thiết bị. Vì vậy chúng cần phải đáp ứng được các yếu tố quan trọng về QoS (Quality
of Service), tính bảo mật và độ tin cậy. Để trở thành hiện thực, công nghệ 5G cần
có khả năng đáp ứng tốc độ truyền tải vào khoảng 10 Gb/giây, tương tự mạng cáp
quang mới có thể xử lý được hết nội dung đa phương tiện và truyền thông ảo với
độ phân giải siêu nét.
1.1.2 Tiêu chuẩn của mạng 5G
Hệ thống 5G phù hợp với thông số kỹ thuật IMT-2020 dự kiến sẽ giúp tăng
cường khả năng cho các thiết bị và mạng, kết hợp chặt chẽ với các ứng dụng được
dự định ra mắt trong thời gian tới. 8 tham số Bảng 1.1 là các khả năng chính của
IMT-2020 5G:

2

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn của mạng 5G [2]
Khả năng

Mô tả

Mục tiêu

Bối cảnh sử

5G

dụng

Tốc độ dữ liệu Tốc độ dữ liệu tối đa có thể 20 Gbit/s
đỉnh

eMBB

đạt được

Tốc độ dữ liệu Tốc độ dữ liệu có thể đạt 1 Gbit/s
người dùng

eMBB

được trên tồn khu vực
phủ sóng.

Độ trễ

Mạng vơ tuyến đóng góp 1 ms

URLLC

vào thời gian di chuyển
gói.
Tính di động
Mật độ kết nối

Tốc độ tối đa cho các yêu 500 km/h

eMBB/URLL

cầu bàn giao và QoS.

C

Tổng số thiết bị trên một 106/km2

MMTC

đơn vị diện tích.
Hiệu

quả

năng Dữ liệu được gửi/nhận Tương

lượng

eMBB

trên mỗi đơn vị tiêu thụ đương
năng lượng (theo thiết bị với 4G
hoặc mạng).

Hiệu suất phổ

Thông lượng trên mỗi đơn 3–4x 4G

eMBB

vị băng thông không dây
và trên mỗi tế bào mạng
(network cell).
Tổng lưu lượng Tổng lưu lượng trên tồn 1000
truy cập

khu vực phủ sóng.

eMBB

(Mbit/s)/
m2

1.1.3 Sóng milimet trong cơng nghệ 5G
Một trong những mong muốn mà người dùng kỳ vọng ở mạng thông tin di động
5G là khả năng hỗ trợ tốc độ dữ liệu Gbps trong môi trường di động với chất lượng

và trải nghiệm dịch vụ gấp trên 10 lần so với mạng 4G hiện tại. Các băng tần dành
cho thông tin di động 2G/3G/4G hiện nay (như băng tần 900 MHz, 1800 MHz,
2100 MHz, 2600 MHz,…) sẽ không đáp ứng được lượng băng thông liên tục cần
3


thiết cho việc triển khai các dịch vụ di động tốc độ Gbps, do vậy đòi hỏi những băng
tần mới. Băng tần sóng milimet (mmWave) là băng tần đang được các nhà nghiên
cứu nhắm đến hiện nay.
Sóng milimet là các sóng có bước sóng cỡ milimet, dải tần nằm trong khoảng
từ 20GHz đến 300GHz. MmWave có phổ nằm giữa sóng microwave và hồng
ngoại, phổ tần số này được sử dụng cho truyền thông không dây tốc độ cao theo
tiêu chuẩn Wi-Fi 802.11ad (hoạt động ở tần số 60 GHz) của IEEE. MmWave đang
được các tổ chức tiêu chuẩn quốc tế và các nhóm nghiên cứu trên thế giới xem xét
như là dải tần số chính thức sử dụng trong 5G để có băng thơng rộng hơn, tốc độ
cao hơn, độ trễ ít hơn. Vào thời điểm tháng 11 năm 2015, tại thành phố Geneva,
Thụy Sỹ, Hội nghị Thông tin vô tuyến thế giới (WRC-15) đã đưa ra danh sách gồm
9 băng tần tiềm năng ở dải tần từ 24.25 GHz đến 86 GHz (Hình 1.2) cho thơng tin
di động IMT-2020 và giao cho các nhóm nghiên cứu của Liên minh Viễn thơng
quốc tế (ITU-R) nghiên cứu.

Hình 1.2 Các băng tần tiềm năng cho thông tin di động [3]
Băng tần nào trong số 09 băng tần trên được dành cho thông tin di động 5G sẽ
được quyết định tại Hội nghị Thông tin vô tuyến thế giới năm 2019 (WRC-19).
Theo Ted Rappaport, người sáng lập của NYU Wireless, cho biết lưu lượng dữ
liệu di động được dự đoán sẽ tăng 53% mỗi năm trong tương lai và nhu cầu về tốc
độ máy tính cũng như kích thước bộ nhớ sẽ tăng gấp 6 lần. Chúng ta cần một phổ
tần số cao hơn để đáp ứng nhu cầu sử dụng dữ liệu và một trong những công dụng
lớn nhất, quan trọng nhất của sóng millimet là truyền dữ liệu dữ liệu cỡ lớn tốc độ

4


cao. Hình 1.3 dưới cho chúng ta thấy sự khác biệt về tốc độ truyền dữ liệu của
mạng 3G, 4G, 5G.

Hình 1.3 Biểu đồ tốc độ truyền dữ liệu 3G, 4G, 5G [3]
Mặc dù những dự án nghiên cứu, phát triển để triển khai các công nghệ không
dây hiệu quả nhất vẫn luôn được thực hiện, nhưng ngành công nghiệp không dây
luôn luôn phải đối mặt với vấn đề nhu cầu sử dụng tăng vọt của con người. Hiện
nay, công nghệ không dây mới nhất là 4G LTE nhưng tiếp tục theo xu thế tăng
nhanh về nhu cầu sử dụng, các nhà nghiên cứu dự đoán rằng vào năm 2020, 4G
LTE sẽ không đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng, do đó cần thiết phải triển khai các cơng
nghệ, kiến trúc mới. Mạng không dây trong tương lai, nơi tốc độ dữ liệu di động
được mở rộng đến phạm vi nhiều gigabit trên giây, được thực hiện bằng cách sử
dụng các anten có thể điều khiển được và sóng milimet có thể đồng thời hỗ trợ
trong truyền thơng di động và backhaul, với khả năng kết hợp của di động và các
dịch vụ Wi-Fi. Sự kết hợp của công nghệ CMOS hoạt động cho băng tần mmWave
và anten độ tăng ích cao, có thể điều khiển được tại trạm gốc và trạm di động có
thể tăng cường khả năng truyền thơng khơng dây của sóng milimet. Hơn nữa, tần
số sóng mang milimet cho phép phân bổ băng thông lớn hơn điều này là yếu tố trực
tiếp làm sóng milimet có tốc độ truyền dữ liệu cao hơn. Phổ sóng milimet sẽ cho
phép các nhà cung cấp dịch vụ mở rộng đáng kể băng thông kênh vượt xa các kênh
20 MHz hiện tại cho 4G. Bằng cách tăng băng thông kênh RF cho các kênh vô
tuyến di động, dung lượng dữ liệu được tăng lên rất nhiều trong khi độ trễ cho
lưu lượng kỹ thuật số giảm đáng kể, do đó hỗ trợ truy cập ứng dụng dựa trên
internet yêu cầu độ trễ thấp tốt hơn.

5

Tần số sóng milimet, do bước sóng nhỏ hơn nhiều, có thể khai thác phân cực và
các kỹ thuật xử lý không gian mới, chẳng hạn như massive MIMO và kỹ thuật tạo
chùm tia thích nghi (beamforming). Với bước nhảy đáng kể về băng thông và các
khả năng mới được cung cấp bởi sóng milimet, các liên kết trạm gốc đến thiết bị
cũng như liên kết ngược giữa các trạm gốc sẽ có khả năng xử lý lớn hơn nhiều so
với mạng 4G ngày nay ở các khu vực đông dân cư. Ngoài ra, khi các nhà khai thác
tiếp tục giảm các vùng phủ sóng di động để khai thác không gian và triển khai các
kiến trúc phối hợp mới như phối hợp MIMO, relays và giảm thiểu nhiễu giữa các
trạm gốc thì chi phí cho mỗi trạm gốc sẽ giảm nhiều và chúng trở nên phổ biến hơn
tại đô thị. Cuối cùng, ngược lại với các phổ tần số đã và đang được sử dụng bởi các
nhà khai thác di động ngày nay, sóng milimet gặp phải một vấn đề đó là khơng có
khả năng truyền đi xa do bị hấp thụ nhiều bởi khí quyển, suy hao do mưa, độ ẩm
…

Hình 1.4 Đồ thị suy hao do mưa theo tần số ở các mức mưa khác nhau [4]
Một vấn đề được rất nhiều người nói tới, đó là suy hao do mưa và hấp thụ khí
quyển sẽ làm cho việc sử dụng sóng milimet khơng khả thi. Tuy nhiên, khi các nhà
nghiên cứu xem xét thực tế, với kích thước cell là khoảng 200m, sóng milimet vẫn
có thể lan truyền với suy hao thấp. Hình 1.4 và Hình 1.5 cho thấy sự suy hao do
mưa và các đặc tính hấp thụ của khí quyển trong q trình truyền sóng milimet.
Có thể thấy rằng, đối với kích thước tế bào khoảng 200m, hấp thụ khí quyển sẽ
6


khơng tạo ra suy hao đáng kể đối với sóng milimet, đặc biệt là ở 28 GHz đến 38
GHz. Đối với suy hao do mưa, chỉ có 7 dB/km suy hao do mưa lớn (25mm/giờ) ở
tần số 28 GHz, điều này có nghĩa là với khoảng cách 200m, mức suy hao do mưa
chỉ là 1,4 dB. Nhiều nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng, với khoảng cách nhỏ
(dưới 1km), sự suy hao do mưa sẽ không ảnh hưởng tới lan truyền sóng milimet.

Hình 1.5 Hấp thụ khí quyển ở các tần số sóng milimet [3]
1.1.4 Dạng sóng của 5G
Có nhiều dạng sóng 5G đã và đang được nghiên cứu, trong mục này tơi xin trình
bày một số dạng sóng tiềm năng có thể sẽ được sử dụng.
 CP-OFDM
Trong CP-OFDM, một khối các ký hiệu phức được ánh xạ vào trong tập các
sóng mang trực giao (Hình 1.6) và sử dụng IFFT có kích thước N FFT , do đó kiến
trúc CP-OFDM có độ phức tạp thấp. Nguyên lý của OFDM là chia tồn bộ băng
thơng thành N FFT sóng mang, cân bằng kênh có thể được giảm bằng một hệ số nhịp
trên một sóng mang sau đó CP được chèn vào. Nó đảm bảo tính tuần hồn của ký
hiệu OFDM nếu trải trễ kênh đa đường thấp hơn độ dài CP. Tuy nhiên, nó sẽ mất
hiệu suất phổ vì CP được sử dụng để truyền dữ liệu dư. Để hạn chế PAPR, có thể
chèn thêm DFT (tương ứng IDFT) trước IFFT (tương ứng sau FFT), đây chính là
SC-FDMA được sử dụng trong uplink của 3GPP-LTE.

7


Hình 1.6 Sơ đồ khối CP-OFDM transceiver [5]
 FBMC
Dạng sóng FBMC bao gồm tập hợp các dữ liệu song song được truyền qua một
dãy bộ lọc điều chế. Bộ lọc nguyên mẫu được tham số hóa bởi hệ số chập K , có thể
được lựa chọn để có độ hở kênh liền kề thấp. Hai biến thể chính của FBMC: một
là dựa vào tín hiệu QAM phức cịn được gọi là lọc đa âm (FMT), dạng còn lại dựa
vào ký hiệu độ lệch giá trị thực (OQAM) hay còn gọi FBMC/OQAM. Để đảm bảo
tính trực giao sau trong miền thực cần tối đa hóa hiệu suất phổ. Biến thể đầu tiên
đang được triển khai trong TEDS, đạt được tính trực giao giữa các sóng mang con
bằng cách giảm độ chồng chéo theo miền thời gian giữa chúng.
FBMC/OQAM có thể đạt được SE lớn nhất bằng cách tác động vào tính trực

giao trong miền thực. Có nhiều cách khác nhau để thực hiện FBMC-OQAM theo
cách tính tốn hiệu quả, quan trọng nhất vẫn là mạng nhiều pha (PPN) và trải tần
(FS). Trong kiến trúc PPN (Hình 1.7), ký hiệu OQAM có FFT kích thước N FFT , sau
đó đưa vào PPN. Bộ thu sử dụng bộ lọc phù hợp trước FFT (kích thước N FFT ) và
bộ cân bằng đa tap trong một sóng mang cơ bản.

8


Hình 1.7 PPN-FBMC transceiver [5]
FS-FBMC (Hình 1.8), ký hiệu OQAM được lọc trong miền tần số. Tại bộ thu,
một cửa sổ trượt lựa chọn KN FFT điểm N FFT / 2 mẫu. Một FFT kích thước KN FFT theo
sau bộ lọc nguyên mẫu.

Hình 1.8 FS-FBMC transceiver [5]

9


 UFMC
Dạng sóng UFMC được tạo ra từ OFDM kết hợp với bộ lọc sau, một nhóm các
sóng mang con được lọc bằng cách sử dụng trong miền tần số. Q trình lọc băng
con được thực hiện bằng thuật tốn lập lịch trong miền tần số 3GPP LTE với một
khối tài nguyên (RB), đây là một nhóm gồm 12 sóng mang. Q trình lọc tạo ra độ
rị ngồi băng thơng thấp hơn so với OFDM. Bộ phát UFMC (Hình 1.9) gồm có B
bộ lọc băng con để điều chế B khối dữ liệu. Tín hiệu truyền khơng sử dụng CP,
nhưng vẫn mất hiệu suất phổ do thời gian ngắn của bộ lọc tạo hình. Giai đoạn Rx
gồm 2N FFT điểm FFT, được lấy thập phân bằng hệ số 2 để khơi phục dữ liệu. Q
trình tạo cửa sổ được chèn trước FFT và tồn tại nhiễu giữa các sóng mang.

Hình 1.9 UFMC transceiver [5]
 GFDM
Dạng sóng GFDM dựa vào lọc thời gian – tần số của khối dữ liệu để tạo ra dạng
sóng linh động và khơng trực giao. Một khối dữ liệu gồm K sóng mang và M khe
thời gian, truyền N = KM dữ liệu điều chế phức. Dữ liệu được lọc tuần hoàn bằng
10


bộ lọc RRC được dịch trong cả miền tần số và thời gian (Hình 1.10). Để tránh
nhiễu ISI, CP được thêm vào ở đoạn cuối của mỗi khối ký hiệu. Để cải thiện vị trí
phổ, q trình tạo cửa sổ có thể được thêm vào trong bộ phát.
Kiến trúc GFDM với bộ lọc thích ứng (MF) ở bộ thu: mỗi khối thu được lọc ở
cùng thời gian và tần số với bộ lọc dịch như trong quá trình truyền. Bởi vì điều chế
là khơng trực giao, cần thực hiện q trình khử nhiễu (IC) để cải thiện hiệu suất,
tuy nhiên lại làm tăng độ phức tạp ở bộ thu. OQAM cũng được xét đến trong
GFDM cho phép sử dụng bộ thu tuyến tính ít phức tạp hơn thay cho IC.

Hình 1.10 GFDM transceiver [5]
1.2 Mơ hình suy hao truyền sóng cho băng tần sóng milimet
1.2.1 Mơ hình suy hao truyền sóng trong khơng gian tự do
Mơ hình lan truyền sóng trong không gian tự do được sử dụng để dự đốn cường
độ tín hiệu thu được trong mơi trường tầm nhìn thẳng (LOS), nơi khơng có chướng
ngại vật giữa máy phát và máy thu. Công suất nhận được ở khoảng cách d là Pr (d )
được biểu diễn theo công thức Friss như sau:
Pr (d ) =

2
PG
t t Gr λ
(4π ) 2 d 2 L

PT 1.1

Trong đó:
-

Pt là cơng suất phát (W)

-

λ là bước sóng (m)
d là khoảng cách giữa máy phát và máy thu (m)

11


-

Gt là tăng ích anten phát

-

Gr là tăng ích anten thu

L là suy hao hệ thống của tất cả các loại suy hao bao gồm cả suy hao do đường
truyền, connector, bộ lọc. Nói chung, L > 1, tuy nhiên nếu L = 1 chúng ta coi hệ thống

là lý tưởng, khơng có suy hao trong thiết kế phần cứng. Công thức (PT 1.1) cho
thấy công suất nhận được giảm theo cấp số nhân với khoảng cách d . Suy hao trong
không gian tự do, PL f (d ) sẽ đại diện cho sự suy giảm của cơng suất đó và nó được

tính theo cơng thức (PT 1.2) khi ta coi hệ thống là lý tưởng L = 1. Công thức như
sau:
PL f (d ) = 10 log(

Pt
G G λ2
) = −10 log( t r2 2 )(dB)
(4π ) d
Pr

PT 1.2

Trong thực tế lan truyền sóng, điều kiện khơng gian tự do là khó có khả năng
xảy ra, một dạng tổng qt của mơ hình suy hao đã được xây dựng từ mơ hình suy
hao khơng gian tự do bằng cách sửa đổi, thêm vào một tham số n, đây là hệ số của
suy hao đường truyền phụ thuộc vào môi trường, n được gọi là số mũ suy hao. Mơ
hình này gọi là mơ hình suy hao log-distance, được thể hiện ở công thức PT 1.3:
PL
PL f (d 0 ) + 10n log(
=
LD ( d )

d
)(dB)
d0

PT 1.3

Trong đó, d 0 (m) là khoảng cách tham chiếu mà tại khoảng cách đó suy hao

đường vẫn đúng hoặc gần đúng với đặc tính của mơ hình suy hao khơng gian
tự do được cho trong công thức (PT 1.2). Như đã cho trong Bảng 1.2, hệ số n
là số mũ suy hao có thể thay đổi từ 2 đến 6, tùy thuộc vào môi trường truyền
dẫn. Chú ý rằng n = 2 sẽ tương ứng với không gian tự do và n tăng dần khi
môi trường xuất hiện nhiều vật cản hơn. Trong khi đó khoảng cách tham
chiếu d0 phải được xác định đúng cho các mơi trường truyền khác nhau. Ví
dụ, d0 thường được đặt là 1km cho hệ thống tế bào vùng phủ rộng (cỡ 10km)
hoặc có thể là 100m với hệ thống tế bào lớn bán kính 1km hay 1m với hệ
thống tế bào nhỏ bán kính cực nhỏ.

12