Đồ án Nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
HỌ VÀ TÊN: TRẦN XUÂN TÀI
KHÓA: 51
HỆ ĐÀO TẠO: DÀI HẠN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
CHUYÊN NGÀNH: THÔNG TIN
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUY CẬP VÔ TUYẾN MỚI
TRONG 5G
NĂM 2020
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
HỌ VÀ TÊN: TRẦN XUÂN TÀI
KHÓA: KHÓA 51
HỆ ĐÀO TẠO: DÀI HẠN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH: ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 52520201
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUY CẬP VÔ TUYẾN MỚI
TRONG 5G
Cán bộ hướng dẫn: Đại tá, PGS.TS Đỗ Quốc Trinh
NĂM 2020
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
KHOA VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN THÔNG TIN
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Trần Xuân Tài
Ngành: Điện-Điện tử
Lớp: Thông tin 2
Khóa: 51
Chuyên ngành: Thông tin
1. Tên đồ án: “Nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G”.
2. Các số liệu ban đầu:
Quyết định giao đồ án tốt nghiệp đại học – Học viện Kỹ thuật Quân sự.
Dựa trên nhiệm vụ được giao và các tài liệu tham khảo.
3. Nội dung bản thuyết minh:
Lời mở đầu.
Chương 1: Giới thiệu về thông tin di động tế bào.
Chương 2: Tổng quan về mạng 5G.
Chương 3: Mạng truy cập vô tuyến mới NR.
Kết luận chung.
4. Số lượng, nội dung các bản vẽ: ............................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.....................................................................................................................
5. Cán bộ hướng dẫn:
+ Đại tá, PGS.TS Đỗ Quốc Trinh - Giáo viên Bộ môn Thông Tin - Khoa
Vô tuyến Điện tử - Học viện Kỹ thuật Quân sự.
Ngày giao: 22/06/2020
Ngày hoàn thành:02/11/2020
Hà Nội, ngày 02 tháng 11 năm 2020
Cán bộ hướng dẫn
Chủ nhiệm bộ môn
Trung tá, GVC.TS Nguyễn Thế Quang
Đại tá, PGS.TS Đỗ Quốc Trinh
Học viên thực hiện
Đã hoàn thành và nộp đồ án ngày … tháng … năm 2020
i
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng Việt
1G
First Generation
Thế hệ thứ nhất
2G
Second Generation
Third Generation
Thế hệ thứ hai
3G
Thế hệ thứ ba
Third Generation
Partnership Project
3GPP
4G
Dự án hợp tác thế hệ 3
Thế hệ thứ tư
Fourth Generation
5G
5GC
Fifth Generation
5G Core
Thế hệ thứ năm
Lõi 5G
Advanced Mobile Phone Dịch vụ điện thoại đi
AMPS
BS
Service
động tiên tiến
Base Station
Trạm gốc
BTS
Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc
BWP
CDMA
Bandwidth Part
Phần băng thông
Code Division Multiple Đa truy cập phân chia
Access
theo mã
CN
CP
Core Network
Cyclic Prefix
Mạng lõi
Tiền tố vòng
Downlink Control
Information
Thông tin điều khiển
đường xuống
DCI
DL
Downlink
Đường xuống
EPC
Evoved Packet Core
Evolved Universal
Terrestrial Radio Access đất vạn năng tăng cường
Frequency Division
Duplex
Lõi gói tăng cường
Truy cập vô tuyến mặt
E-UTRA
FDD
Song công phân chia
theo tần số
Frequency Division
Multiple Access
Đa truy cập phân chia
theo tần số
FDMA
ii
FM
Frequency Modulation
Điều chế tần số
General Packet Radio
Services
Global System for
Dịch vụ vô tuyến gói
chung
Hệ thống thông tin di
GPRS
GSM
Mobile Communications động toàn cầu
Hybrid Automatic
Repeat Request
High Speed Packet
Access
Yêu cầu phát lại tự động
lai
HARQ
HSPA
Truy cập gói tốc độ cao
IoT
Internet of Things
Internet vạn vật
International
Telecommunications
Union
Liên minh viễn thông
thế giới
ITU
LTE
MA
Long-Term Evolution
Tiến hóa dài hạn
Đa truy cập
Multiple Access
Multi-Access Edge
Computing
Điện toán cạnh đa truy
cập
MEC
Multiple-Input and
Multiple-Output
Negative
Acknowledgement
Network Functions
Virtualization
Nhiều đầu vào nhiều đầu
ra
MIMO
NACK
NFV
Xác nhận âm
Các chức năng mạng ảo
Next Generation Radio
Access Network
Mạng truy cập vô tuyến
thế hệ tiếp theo
NG-RAN
NR
New Radio
Vô tuyến mới
Orthogonal Frequency
Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia
theo tần số trực giao
OFDMA
OMA
Orthogonal Multiple
Access
Đa truy cập trực giao
High Peak-to-Average
Power Ratio
Physical Broadcast
Channel
Tỷ số công suất đỉnh
trên công suất trung bình
PAPR
PBCH
Kênh quảng bá vật lý
iii
Physical Downlink
Control Channel
Physical Downlink
Shared Channel
Kênh điều khiển đường
xuống vật lý
Kênh chia sẻ đường
xuống vật lý
PDCCH
PDSCH
PDU
PN
Protocol Data Unit
Đơn vị dữ liệu giao thức
Pseudo-Noise
Tạp âm giả
Physical Random
Access Channel
Kênh truy cập ngẫu
nhiên vật lý
PRACH
PRB
Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý
Primary Synchronisation
Tín hiệu đồng bộ sơ cấp
Signal
PSS
Physical Uplink Shared Kênh chia sẻ đường lên
PUSCH
QoS
Channel
vật lý
Quality of Service
Random Access
Response
Chất lượng dịch vụ
Đáp ứng truy cập ngẫu
nhiên
RAR
Radio Access
Technology
Công nghệ truy cập vô
tuyến
RAT
RE
Resource Element
Phần tử tài nguyên
Radio Network
Temporary Identifier
Radio Resource
Management
Nhận dạng tạm thời
mạng vô tuyến
Quản lý tài nguyên vô
tuyến
Khoảng cách sóng mang
con
RNTI
RRM
SCS
Sub-Carrier Spacing
Software-Defined
Networking
Service Data Unit
Synchronization
Sequence Block
Kết nối mạng bằng phần
mềm
Đơn vị dữ liệu dịch vụ
SDN
SDU
SSB
Khối chuỗi đồng bộ
Song công phân chia
theo thời gian
TDD
TDMA
UE
Time Division Duplex
Time Division Multiple Đa truy cập phân chia
Access
theo thời gian
User Equipment
Thiết bị người dùng
iv
UL
Uplink
Đường lên
Universal Mobile
Telephone System
Hệ thống điện thoại di
động vạn năng
UMTS
UMTS Terrestrial Radio Mạng truy cập vô tuyến
Access Network mặt đất vạn năng
Virtual Resource Block Khối tài nguyên ảo
UTRAN
VRB
v
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.4. Sơ đồ khối kiến trúc mạng 1G. ........................................................... 9
Hình 1.15. Nét nổi bật của 3GPP...................................................................... 23
Hình 2.1. Sơ đồ khối kiến trúc mạng 5G. ......................................................... 26
chùm tia đơn/đa người dùng............................................................................. 30
Hình 2.6. Sự xem xét băng tần 5G.................................................................... 37
vi
quy trình hai bước trong Phiên bản 16.............................................................. 56
Hình 3.8. Chuỗi xử lý lớp vật lý PBCH............................................................ 67
Hình 3.13. Cấu trúc của lớp PDCP. .................................................................. 77
viii
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU..................................................................................................1
1.1 Giới thiệu .................................................................................................. 3
1.3 Kết luận chương 1 ................................................................................... 25
2.1 Sơ đồ kiến trúc mạng của 5G................................................................... 26
2.2 Động lực của 5G ..................................................................................... 27
2.3 Các công nghệ của 5G............................................................................. 29
2.3.3 Điện toán cạnh đa truy cập ................................................................ 34
2.3.4 Sự phân chia RAN............................................................................. 35
2.4 Dải sóng mm và phổ tần 5G .................................................................... 37
2.5 Thiết kế dạng sóng cho 5G ...................................................................... 39
2.7 Đa truy cập không trực giao là gì?........................................................... 42
2.8 Kết luận chương 2 ................................................................................... 44
3.1 GIỚI THIỆU ........................................................................................... 45
ix
3.3 Các khía cạnh của RF.............................................................................. 70
3.4 Lớp MAC................................................................................................ 73
3.5 Lớp RLC ................................................................................................. 74
3.6 Lớp PDCP............................................................................................... 76
3.7 Điều khiển tài nguyên vô tuyến ............................................................... 78
3.8 Kết luận chương 3 ................................................................................... 80
1
LỜI NÓI ĐẦU
Như chúng ta đã biết, thông tin di động là một phần không thể thiếu trong
xã hội ngày nay. Thông tin di động ngày càng phát triển, đã và đang được triển
khai rộng khắp trên toàn thế giới. Nhưng do nhu cầu ngày càng đa dạng và nâng
cao trong khi tài nguyên vô tuyến dùng cho thông tin di động là giới hạn và đắt
đỏ đã đặt ra nhiều thách thức cho các nhà cung cấp dịch vụ và các nhà nghiên
cứu. Mặc dù các công nghệ đi trước đã phát triển, điển hình là công nghệ mạng
4G LTE/LTE-A rất phát triển, đem lại tốc độ truyền tương đối cao nhưng vẫn
chưa đáp ứng các yêu cầu ngày càng tăng của người dùng.
Do đó, mạng di động thế hệ thứ 5 (5G) ra đời không chỉ với tốc độ nhanh
hơn, độ tin cậy cao hơn và độ trễ thấp hơn mà đây còn là một bước tiến lớn, là
một cuộc cách mạng các thiết bị kết nối internet. Với tốc độ kết nối nhanh hơn
đáng kể mà không phụ thuộc vào thiết bị đang di chuyển hay không và có thể
khai thác vào nhiều lĩnh vực điều khiển từ xa, độ phủ sóng rộng hơn, giảm thiểu
tình trạng gián đoạn giữa các thiết bị với nhau, tiết kiệm điện năng hơn…Sự ra
đời 5G là bước nhảy vọt về công nghệ di động không dây và hứa hẹn sẽ đáp ứng
được nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
Để đảm bảo tính bền vững cũng như phát triển của các dịch vụ thông tin di
động trong thập kỷ tới, các giải pháp công nghệ được đưa ra để đáp ứng được
nhu cầu sử dụng cũng như các thách thức mới trong tương lại. Mạng di động
không dây 5G được đưa ra với các tiêu chí về hiệu suất phổ, tốc độ dữ liệu
người dùng, độ trễ, mật độ kết nối đòi hỏi số lượng kết nối, khả năng kết nối cao
mà kỹ thuật truy cập trong các mạng 2G/3G/4G chưa thể đáp ứng được, công
nghệ truy cập vô tuyến mới (NR) đã được đề xuất cho mạng 5G nhằm đáp ứng
tăng khả năng truy cập mạng 5G.
Do đó, em đã chọn đồ án tốt nghiệp với nội dung “ Nghiên cứu công nghệ
truy cập vô tuyến mới trong 5G”.
Nội dung đồ án được chia thành 3 chương, cụ thể như sau:
Chương 1. Giới thiệu về thông tin di động tế bào
2
Chương 2. Các khía cạnh của mạng 5G
Chương 3. Mạng truy cập vô tuyến mới NR
Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Đỗ Quốc Trinh đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp.
Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng do kiến thức bản thân còn hạn chế và thời
gian có hạn nên đồ án của em không tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, em rất mong
nhận được sự góp ý, chỉ bảo của các thầy cô giáo để đồ án của em được hoàn
thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
3
Chương 1
GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO
1.1 Giới thiệu
Chương này cung cấp một cái nhìn tổng quan về sự phát triển của các hệ
thống thông tin di động. Chúng ta bắt đầu với một trích dẫn từ một cuộc trò
chuyện được tổ chức qua mạng di động từ Martin Cooper vào ngày 3 tháng 4
năm 1973.
“Tôi gọi cho bạn từ một điện thoại di động, một điện thoại di động cầm tay thực sự”.
Thiết bị di động được sử dụng trong suốt cuộc trò chuyện này là Motorola
DynaTAC có trọng lượng khoảng 2.5 lbs với chi phí khoảng 9.000 USD. Sự
kiện lịch sử này đã kích hoạt một phong trào thay đổi cuộc sống của rất nhiều
người. Sự thay đổi cuộc sống này là rất lớn, lớn hơn nhiều so với việc hỗ trợ
người dùng di động, nó thúc đẩy việc tạo ra các thiết bị cực kỳ phức tạp (điện
thoại thông minh hiện nay) giúp chúng ta kết nối với thế giới. Các thiết bị này
không chỉ thực hiện các nhu cầu liên lạc dữ liệu và giọng nói rất cần thiết với
chúng ta mà còn có rất nhiều ứng dụng hỗ trợ như thông báo cho bạn bè thông
qua phương tiện truyền thông xã hội, cạnh tranh với trò chơi trực tuyến, tiêu thụ
và sản xuất nội dung video, thực hiện các phép đo y tế, sử dụng các dịch vụ dựa
trên định vị, v.v.
Khi các thiết bị không dây này được thừa hưởng từ định luật Moore, các
công nghệ di động tế bào có thể vẫn là tâm điểm để giới thiệu các tính năng mới
và những đặc điểm thú vị mang lại lợi ích cho người dùng cuối.
Chương này nhằm giải quyết các công nghệ điều khiển quan trọng đằng
sau các thiết kế hệ thống vô tuyến mới (NR) 5G, tập trung vào các giải pháp hỗ
trợ các dịch vụ mới 5G trong truyền dẫn đường lên (UL) với các yêu cầu như độ
trễ thấp và độ tin cậy cao, tiết kiệm năng lượng và các ứng dụng gói nhỏ. Các tài
nguyên không cần sự cho phép (GF) trong UL NR được gọi là “cho phép trước”,
có nghĩa là các thông số kỹ thuật được cấu hình trước sẽ được sử dụng để truyền
4
UE UL mà không cần lập lịch/cho phép. Ngoài ra trạm gốc (BS) trong mạng NR
5G được gọi là “NodeB thế hệ tiếp theo” hoặc “gNB”.
1.2 Thông tin di động tế bào: Nhập môn
Các tiêu chuẩn di động sử dụng nhiều kỹ thuật đa truy cập (MA) được nhấn
mạnh trong bảng 1.1. Những kỹ thuật này bao gồm đa truy cập phân chia theo
tần số (FDMA), đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy cập phân
chia theo mã (CDMA) và đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA).
Chúng ta cũng đề cập phương pháp song công liên quan được sử dụng cho thông
tin hai chiều và các tài nguyên vật lý thực tế có sẵn để gán cho mỗi người dùng.
Các phương pháp song công là song công phân chia theo thời gian (TDD) và
song công phân chia theo tần số (FDD).
Bảng 1.1: Đa truy cập trong các thế hệ của các mạng tế bào khác nhau.
Phương pháp
song công
FDD
Tài nguyên
vật lý
Ví dụ đáng
chú ý
Thế hệ tế bào Kỹ thuật MA
1G
2G
FDMA
TDMA
Tần số
AMPS, NMT
Các khe thời
gian
FDD
GSM, IS-54
Các khe thời
gian/Các mã
PN
3G
CDMA
FDD/TDD
WCDMA
Thời gian/tần
số
4G
5G
OFDMA
OFDMA
FDD/TDD
FDD/TDD
LTE, LTE-A
5G-NR
Thời gian/tần
số
Tất cả các kỹ thuật đa truy cập ở trên có thể được xem như một dạng của đa
truy cập “trực giao” (OMA), trong đó về mặt lý thuyết thì sự truy cập của người
dùng không gây nhiễu cho nhau khi họ chia sẻ phương tiện không dây. Tuy
nhiên chúng được giới hạn bởi số lượng tài nguyên có sẵn, điều này làm cho
chúng trực giao với nhau. Đối với CDMA thì ngược lại, việc truyền từ thiết bị
không dây đến đế trạm gốc vốn đã không trực giao.
Trong FDMA, tần số được chia thành các kênh được sử dụng bởi nhiều
người dùng khác nhau. Trong TDMA, thời gian được phân chia thành các khe
5
thời gian tức là cho phép nhiều người dùng khác nhau có thể truy cập hệ thống
tế bào. Trong CDMA, các người dùng được phân biệt với nhau bằng các mã PN
và truyền tất cả cùng một lúc trên toàn bộ kênh tần số. Trong OFDMA các
người dùng được phân bổ cho các kênh tần số khác nhau (các nhóm sóng mang
con) tại các khe thời gian khác nhau. Đối với hệ thống tế bào số thế hệ tiếp theo
5G, vẫn sử dụng OFDMA trong đó khoảng cách giữa các sóng mang con và độ
dài khe thời gian thì mềm dẻo và có thể hỗ trợ các yêu cầu thay đổi rộng rãi
khác nhau. 5G dự kiến sẽ sử dụng NOMA.
Hình 1.1. Một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật đa truy cập khác nhau.
Hình 1.1 cung cấp một cái nhìn tổng quan để giới thiệu các kỹ thuật truy
cập khác nhau sẽ được thảo luận trong phần này. Chúng được so sánh theo ba
chiều hoặc miền: công suất, thời gian và tần số.
Một chỉ số hiệu suất hệ thống tiếp tục được cải thiện trong các thế hệ là
hiệu quả phổ. Hình 1.2 cho thấy hiệu quả phổ DL của các chuẩn di động số 2G,
3G, 4G và 5G so với tốc độ dữ liệu đỉnh theo lý thuyết. Lưu ý rằng với mỗi tiêu
chuẩn mới, nhu cầu về tốc độ dữ liệu cao hơn và cao hơn trong một thời gian dài
dẫn đến nhu cầu tăng hiệu quả phổ trở nên rõ rệt hơn.
Với mỗi thế hệ tế bào, không chỉ có sự kỳ vọng về hiệu suất tăng mà còn
có thêm các tính năng mới. Hình 1.3 cho thấy khả năng của người dùng (và các
6
tính năng dự kiến) đã tăng theo cấp số nhân qua sự phát triển của các thế hệ di
động. Chúng ta bắt đầu chỉ bằng tiếng nói và sau đó chuyển sang khả năng dịch
vụ thoại và tin nhắn ngắn (SMS) trong 2G. Khả năng dữ liệu được cải thiện
trong 3G bao gồm các dịch vụ chuyển mạch gói.
Hình 1.2. Hiệu quả phổ (bps/Hz) của sự phát triển tế bào số.
Hình 1.3. Các khả năng người dùng trong các thế hệ tế bào.
4G cung cấp Internet di động với các trường hợp sử dụng được mở rộng
cho Internet vạn vật (IoT), phương tiện đến mọi thứ (V2X), thiết bị đến thiết bị
(D2D), v.v. Hệ thống di động thế hệ tiếp theo 5G dự kiến sẽ chỉ tăng các khả
năng trường hợp sử dụng, do đó mở ra nhiều cánh cửa cho việc cung cấp các sản
phẩm sáng tạo.
DL là hướng giao tiếp từ BS đến thiết bị cầm tay hoặc thiết bị người dùng
(UE). UL là hướng giao tiếp từ các UE đến BS. UL cũng bao gồm quyền truy
7
cập ngẫu nhiên trong đó các UE cố gắng truy cập tài nguyên của hệ thống thông
tin từ trạng thái bật nguồn hoặc bắt đầu một giao dịch mới.
Phương pháp được sử dụng để phân tách giao tiếp DL và UL được gọi là
song công. Ví dụ: thao tác này có thể được thực hiện trong miền thời gian
(TDD)/hoặc tần số (FDD). Trong TDD, các khe thời gian nhất định được phân
bổ cho DL và các khe thời gian khác cho UL. Trong FDD, việc truyền UL và
DL xảy ra đồng thời ở các dải tần số khác nhau. Các ưu điểm của TDD là chỉ
cần một phổ duy nhất và được chia sẻ (không cần phổ ghép) và có các chế độ
xem kênh đối xứng (các phép đo UL có thể được sử dụng cho kỹ thuật thông tin
DL và ngược lại). Ưu điểm của FDD là cần ít các yêu cầu đồng bộ thời gian
hơn; tuy nhiên do sự phân tách tần số giữa DL và UL, các phép đo UL có thể
không hữu ích cho kỹ thuật thông tin DL vì không thể đảm bảo tính tương hỗ.
Dù sử dụng phương pháp nào, độ trễ (thời gian để truy cập tài nguyên mạng)
ngày càng trở nên quan trọng như là một chỉ số hiệu suất hệ thống.
1.2.1 Sự phát triển của công nghệ di động
Trong phần này, chúng ta sẽ giới thiệu các công nghệ truy cập vô tuyến di
động (RATs) và hiểu được ưu điểm và lợi thế phát triển của chúng. Hình 1.1 cho
thấy sự phát triển tiêu chuẩn của mạng tế bào từ 1G đến 4G. Chúng ta nhận thấy
khi 2G và 3G phát triển đã có sự gia tăng độ phức tạp của hệ thống theo nhiều
tiêu chuẩn. Điều này đã thay đổi khi ngành công nghiệp hội tụ thành một tiêu
chuẩn 4G duy nhất với độ phức tạp gia tăng.
Các kỹ thuật đa truy cập trực giao:
FDMA (đa truy cập phân chia theo tần số)
Việc gán nhiều sóng mang trên cùng một kênh là khó khăn
Các kênh băng hẹp (có băng thông nhỏ hơn băng thông kết hợp của kênh
không dây) đang mong đợi
Các băng bảo vệ trong miền tần số là cần thiết để giảm sự phát xạ phổ đến
các băng tần lân cận
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn.
Tải về để xem bản đầy đủ
95 trang
19100
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- do_an_nghien_cuu_cong_nghe_truy_cap_vo_tuyen_moi_trong_5g.pdf
