MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... iii
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................... vi
TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ 5G THẾ HỆ MỚI ....................... 1
1.1 Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin ............................................ 1
1.2 Công nghệ 5G thế hệ mới ........................................................................ 2
1.2.1 Các nhóm ứng dụng của cơng nghệ 5G............................................ 2
1.2.2 Các u cầu chính của công nghệ 5G .............................................. 3
1.2.3 Hạn chế và thách thức ...................................................................... 4
1.3 Sự ra đời của chuẩn 3GPP 5G New Radio .............................................. 5
1.3.1 Mơ hình kênh truyền ......................................................................... 6
1.3.2 Dạng sóng 5G ................................................................................. 13
1.3.3 Cấu trúc lưới tài nguyên ................................................................. 21
1.4 Massive MIMO – công nghệ tiềm năng cho mạng 5G, 6G................... 26
1.4.1 Giới thiệu công nghệ Massive MIMO ............................................ 26
1.4.2 Các ưu điểm chính của cơng nghệ Massive MIMO........................ 27
1.4.3 Công nghệ Cell-Free Massive MIMO ............................................ 30
1.4.4 Hạn chế và thách thức với công nghệ Massive MIMO .................. 31
1.5 Tổng quan đề tài nghiên cứu và đóng góp của luận văn ....................... 33
1.6 Kết luận chương ..................................................................................... 34
NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG MASSIVE
MIMO................................................................................................................... 35
2.1 Hệ thống Massive MIMO ...................................................................... 35
2.1.1 Truyền tín hiệu đường lên ............................................................... 35
2.1.2 Truyền dữ liệu đường xuống ........................................................... 37
2.1.3 Bộ tiền mã hóa tuyến tính ............................................................... 38
2.1.4 Tỉ số cơng suất tín hiệu trên nhiễu hệ thống................................... 39
2.2 Xác suất rớt mạng của hệ thống Massive MIMO đường xuống ........... 40
2.2.1 Mơ hình phân bố xác suất của nhiễu người dùng Yk ..................... 41

2.2.2 Phân tích xác suất rớt mạng hệ thống Masive MIMO.................... 44
2.2.3 Mô phỏng xác suất rớt mạng của hệ thống Massive MIMO .......... 46
2.3 Hệ thống Cell-Free Massive MIMO thế hệ mới .................................... 51
2.3.1 Truyền tín hiệu pilot đường lên ...................................................... 52
2.3.2 Ước lượng kênh truyền ................................................................... 53
i


2.3.3 Truyền dữ liệu đường xuống .......................................................... 54
2.3.4 So sánh mơ hình mạng di động m-MIMO với mạng di động tế bào
...................................................................................................................... 56
2.4 Cấp phát chuỗi tín hiệu pilot trong mơ hình CF m-MIMO ................... 59
2.4.1 Bài tốn tổng qt .......................................................................... 61
2.4.2 Thuật toán Genetic ......................................................................... 61
2.4.3 Thuật toán phân cụm K-medoids.................................................... 65
2.4.4 Cấp phát pilot ứng dụng thuật toán K-Medoids kết hợp Genetic .. 66
2.4.5 Mơ phỏng thuật tốn cấp phát chuỗi tín hiệu pilot ........................ 67
2.5 Kết luận chương .................................................................................... 71
KĨ THUẬT ĐỒNG BỘ VÀ CÂN BẰNG TÍN HIỆU CHO HỆ
THỐNG 5G TẠI TRẠM GỐC ............................................................................ 73
3.1 Mô hình kênh PUSCH và cấu trúc pilot ................................................ 73
3.1.1 Sơ đồ khối kênh PUSCH................................................................. 74
3.1.2 Cấu trúc pilot đường truyền lên ..................................................... 79
3.2 Giải pháp đồng bộ và cân bằng tín hiệu cho kênh PUSCH 5G ............. 83
3.2.1 Sơ đồ khối xử lí tín hiệu kênh PUSCH tại gNodeB 5G .................. 83
3.2.2 Thuật toán ước lượng kênh Least Square ...................................... 85
3.2.3 Thuật toán ước lượng Minimum Mean Square Error .................... 87
3.2.4 Nội suy kênh truyền PUSCH dựa vào DMRS bổ sung ................... 89
3.2.5 Ước lượng và bù STO ..................................................................... 91
3.2.6 Kĩ thuật cân bằng kênh MMSE....................................................... 94

3.3 Mô phỏng ước lượng, cân bằng kênh PUSCH ...................................... 95
3.3.1 Xây dựng kịch bản kiểm tra hiệu năng hệ thống ............................ 95
3.3.2 Kết quả mô phỏng matlab............................................................... 97
3.4 Kết luận chương .................................................................................. 102
KẾT LUẬN CHUNG .................................................................................... 104
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 105
CHỨNG MINH ĐIỀU KIỆN CỦA BỔ ĐỀ 1 ........................ 112

ii


DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
3GPP
5G NR
AP
AR
BS
CDF
CDM
CF m-MIMO
CFO
CP
CP-OFDM
CPU
CRC
CSI
DCI
DFT
DFT-s-OFDM
DL

DMRS
eMBB
EVM
FDD
FDM
FFT
FR1
FR2
FRC
GA
HARQ
ICI
IFFT
IoT
I-Q
ISI
ITU
LBRM
LDPC
LMMSE
LoS
LS
LTE
MAE
MCS
MGF

The 3rd Generation Partnership Project
5G New Radio
Access Point

Augmented Reality
Base Station
Cumulative Distribution Function
Code Division Multiplexing
Cell-Free Massive MIMO
Carrier Frequency Offset
Cyclic Prefix
Cyclic Prefix – Orthogonal Frequency Division Multiplexing
A Central Processing Unit
Cyclic Redundancy Check
Channel State Information
Downlink Control Information
Discrete Fourier Transform
Discrete Fourier Transform spread Orthogonal Frequency
Division Multiplexing
Downlink
Demodulation Reference Signal
enhanced Mobile Broadband
Error Vector Magnitude
Frequency Division Duplex
Frequency Division Multiplexing
Fast Fourier Transform
Frequency Range 1
Frequency Range 2
Fixed Reference Channel
Genetic Algorithm
Hybrid Automatic Repeat Request
Inter-Channel Interference
Inverse Fast Fourier Transform
Internet of Thing

In-phase – Quadrature
Inter-symbol Interference
International Telecommunication Union
Limited Buffer Rate Matching
Low-Density Parity-Check Code
Linear Minimum Mean Square Error
Line of Sight
Least Square
Long Term Evolution
Mean Absolute Error
Modulation Code Scheme
Moment Generating Function
iii


MIMO
m-MIMO
MMSE
mMTC
MRC
MRT
NB-IoT
NLoS
OCC
OFDM
PAPR
PBCH
PMI
PRACH
PSS/SSS

PTRS
PUSCH
QPSK
SE
SISO
SNR
SRS
STO
TDD
TDL
TDM
TTI
UCI
UE
UL
URLLC
V2X
VR
WiMAX
ZF

Multiple-Input Multiple-Output
Massive Multiple-Input Multiple Output
Minimum Mean Square Error
Massive Machine Type Communications
Maximal Ratio Combining
Maximal Ration Transmission
Narrow Internet of Thing
Non-line-of-sight
Orthogonal Cover Code

Orthogonal Frequency Division Multiplexing
Peak-to-average Power Ratio
Physical Broadcast Channel
Precoding Matrix Indication
Physical Random Access Channel
Primary Synchronization Signal/ Secondary Synchronization
Signal
Phase Tracking Reference Signals
Physical Uplink Shared Channel
Quadrature Phase-shift Keying
Spectral Efficiency
Single-Input Single- Output
Signal to Noise Ratio
Sounding Reference Signal
Symbol Timing Offset
Time Division Duplex
Tapped Delay Line
Time Division Multiplexing
Time Transmit Interval
Uplink Control Information
User Equipment
Uplink
Ultra-reliable low-latency communication
Vehicle-to-everything
Virtual Reality
Worldwide Interoperability for Microwave Access
Zero Forcing

iv



DANH MỤC BẢNG
Hai giai đoạn thống nhất chuẩn 5G ................................................................... 6
Mơ hình pathloss với mạng UMa và InH-Office [9]. ........................................ 8
Mơ hình trải trễ cho 5G NR dải tần dưới 6 GHz [9]. .................................... 10
Cấu hình kênh TDLA30 (trải trễ 30 ns) [9]..................................................... 10
Cấu hình kênh TDLB100 (trải trễ 100 ns) [9]. ................................................ 10
Cấu hình kênh TDLC300 (trải trễ 300 ns) [9]. ................................................ 11
Mơ hình kênh kết hợp hiệu ứng đa đường và tần số Doppler [9]. .................. 11
Ma trận tương quan MIMO tại gNB [9]. ......................................................... 12
Ma trận tương quan MIMO tại UE [9]. ........................................................... 12
Giá trị mức tương quan cao, trung bình, thấp [9]. ......................................... 13
Ảnh hưởng của hiện tượng STO [15]. ........................................................... 16
Tham số OFDM được hỗ trợ trong mạng 5G NR theo numerology. ............ 21
Quan hệ giữa OFDM symbol, slot, frame cho CP thông thường. ................. 23
Quan hệ giữa OFDM symbol, slot, frame cho trường hợp CP mở rộng. ...... 23
So sánh giữa mơ hình m-MIMO tập trung và CF m-MIMO......................... 31
Tham số mô phỏng hệ thống Cell-Free Massive MIMO 5G. ......................... 68
Tham số khởi tạo cho thuật tốn mã hóa Genetic. .......................................... 68
Các tham số đầu vào, đầu ra của thuật toán LS ............................................... 85
Các tham số đầu vào, đầu ra của thuật toán LMMSE ..................................... 87
Các tham số đầu vào, đầu ra của thuật toán nội suy kênh truyền .................... 89
Các tham số đầu vào, đầu ra của thuật toán ước lượng STO. ......................... 91
Bảng giá trị khoảng cách sóng mang con giữa các DMRS. ............................ 92
Các tham số của thuật toán bù STO cho kênh ước lượng LS.......................... 92
Các tham số đầu vào, đầu ra của thuật tốn tiền xử lí bù STO cho MMSE. ... 93
Các tham số đầu vào, đầu ra của thuật toán cân bằng kênh MMSE. .............. 94
Các tham số cấu hình cấp phát tài nguyên cho kênh PUSCH [13]. ................ 96
Yêu cầu với kênh PUSCH, loại A, băng thơng 100 MHz, sóng mang con 30
kHz [13]. ......................................................................................................................... 96

Cấu hình FRC của kênh PUSCH, loại A, băng thơng 100 MHz, sóng mang con
30 kHz [13]. .................................................................................................................... 97

v


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Xu hướng phát triển của thiết bị di động nối mạng (a) và nhu cầu lưu lượng dữ
liệu di động [1]. ................................................................................................................. 1
Hình 1.2 Định nghĩa khoảng cách giữa trạm gốc và người dùng [9]. ............................... 7
Hình 1.3 Cấu trúc của tiền tố lặp CP-OFDM. ................................................................. 15
Hình 1.4 Bốn vị trí “starting point” liên quan tới hiện tưởng STO [15]. ........................ 17
Hình 1.5 Chịm sao tín hiệu ảnh hưởng bởi STO trường hợp 2 [15]. ............................. 18
Hình 1.6 Chịm sao tín hiệu ảnh hưởng bởi STO trường hợp 3, 4 [15]. ......................... 18
Hình 1.7 Lưới tài nguyên thời gian, tần số chuẩn 5G NR............................................... 25
Hình 2.1 Khối tách dữ liệu tại trạm gốc BS. ................................................................... 37
Hình 2.2 Khối tiền mã hóa tại trạm gốc BS. ................................................................... 37
Hình 2.3 Hàm cdf của Yk phụ thuộc K khi ρ=i ρ=j 10 dB với mọi i, j và M=100. ....... 47
Hình 2.4 Hàm cdf của Yk theo K,

ρi ≠ ρ j

với mọi i, j và M=100. ............................... 47

Hình 2.5 Sai số MAE khi M, K thay đổi,

ρ=i ρ=j 10 dB

với mọi i, j. ...................... 49


Hình 2.6 Sai số MAE khi M, K thay đổi,

ρ=i ρ=j 10 dB

với mọi i, j. ...................... 49

Hình 2.7 Xác suất rớt mạng của người dùng thứ k phụ thuộc M,
Hình 2.8 Xác suất rớt mạng của người dùng k phụ thuộc M,

ρ=i ρ=j 10 dB . .... 50

ρi ≠ ρ j với mọi i, j. ....... 50

Hình 2.9 Hệ thống Cell-Free Massive MIMO. ............................................................... 51
Hình 2.10 Khung tài ngun xử lí tín hiệu. ..................................................................... 52
Hình 2.11 Thơng lượng của mạng small cell và cell-free Massive MIMO theo K......... 59
Hình 2.12 Thơng lượng của mạng small cell và cell-free Massive MIMO theo M. ....... 59
Hình 2.13 Sơ đồ khối thuật tốn Genetic. ....................................................................... 62
Hình 2.14 So sánh sự hội tụ của các thuật toán Greedy, GA và K-Medoids Clustering GA
với
, τ cf 4. ...................................................................... 69
=
M 20,
=
K 6,=
Dm 200m=
Hình 2.15 Phân bố tốc độ truyền dữ liệu downlink với=
M 40,
=
K 20,


=
Dm 200
=
m, τ cf 10 khi sử dụng thuật tốn GA sau 20 vịng lặp. ............................ 69
Hình 2.16 Phân bố tốc độ truyền dữ liệu downlink với=
M 40,
=
K 20,

=
Dm 200
=
m, τ cf 10 khi sử dụng thuật tốn K-Medoid, GA sau 20 vịng lặp. .......... 70
Hình 2.17 CDF của tốc độ truyền dữ liệu trung bình so sánh giữa thuật tốn Greedy, GA

=
M 40,
=
K 20,=
Dm 200m=
,τ
10. ............... 71
và K-Medoids Clustering GA với
cf

Hình 3.1 Sơ đồ khối mã hóa tín hiệu kênh PUSCH lớp vật lý. ....................................... 74
Hình 3.2 Cấu trúc chuỗi PUSCH DMRS loại 1. ............................................................. 81

vi



Hình 3.3 Vị trí của DMRS symbol loại A (a), loại B (b)................................................ 81
Hình 3.4 Vị trí bổ súng của 4 DMRS symbol (a), 3 DMRS symbol (b). ....................... 82
Hình 3.5 Sơ đồ khối xử lí tín hiệu kênh PUSCH tại gNodeB. ....................................... 83
Hình 3.6 Khối đồng bộ và cân bằng tín hiệu tại gNodeB. .............................................. 84
Hình 3.7 Ước lượng Least Square kết hợp OCC. ........................................................... 86
Hình 3.8 Các bước ước lượng nhiễu bằng thuật tốn MMSE. ....................................... 88
Hình 3.9 Nội suy kênh truyền PUSCH sử dụng DMRS bổ sung. .................................. 91
Hình 3.10 Khoảng cách thành phần tài nguyên ước lượng STO miền tần số................. 92
Hình 3.11 Ảnh hưởng của kênh truyền fading PUSCH TDLA30-10 lên hệ thống 1 anten
phát, 4 anten thu. ............................................................................................................. 97
Hình 3.12 Ước lượng kênh truyền sử dụng thuật tốn LS, MMSE, LMMSE. ............... 98
Hình 3.13 Sai số ước lượng kênh truyền của thuật toán LS, MMSE và LMMSE. ........ 99
Hình 3.14 Ảnh hưởng của STO lên chịm sao tín hiệu được điều chế QPSK. ............... 99
Hình 3.15 Ảnh hưởng của STO lên chịm sao tín hiệu được điều chế 16QAM. .......... 100
Hình 3.16 Sai số ước lượng STO có nhiễu với kênh A3-14 và A4-14. ........................ 100
Hình 3.17 Hiệu năng của kênh PUSCH, type A, băng thơng 100 MHz, sử dụng sóng mang
con 30 kHz. ................................................................................................................... 101
Hình 3.18 Thơng lượng của kênh PUSCH, cấp phát loại A, băng thơng 100 MHz, sóng
mang con 30 kHz với các kênh đa đường. .................................................................... 102

vii



TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ 5G THẾ HỆ MỚI
Chương 1 của luận văn giới thiệu tổng quan xu hướng phát triển của mạng thơng
tin di động tồn cầu, tóm lược các yêu cầu đặt ra đối với công nghệ truyền thông
không dây thế hệ mới, sự thống nhất tiêu chuẩn 3GPP 5G New Radio. Bên cạnh

đó, chương tổng quan này cũng cung cấp thông tin khái quát về công nghệ truyền
dữ liệu sử dụng nhiều anten Massive Multiple Input Multiple Output (m-MIMO)
đang được nghiên cứu ứng dụng vào công nghệ 5G.
1.1 Xu hướng phát triển của hệ thống thông tin

18.5

20

22.5

24.6

27

607

29.5

Exabytes/tháng

Số lượng thiết bị (đvt: tỉ)

Theo số liệu công bố của CISCO, một cơng ty cơng nghệ đa quốc gia có trụ sở
chính tại Hoa Kỳ, tính tới năm 2020, trên tồn cầu, số lượng người sở hữu điện
thoại di động (5,4 tỉ người) xấp xỉ lượng người sử dụng điện và vượt trội hơn so
với dân số được tiếp cận nước sạch (3,5 tỉ người) cũng như sở hữu xe hơi (2,8 tỉ
người). Hơn nữa, 75% lưu lượng dữ liệu di động tiêu thụ phục vụ cho các nền tảng
ứng dụng video. Người dùng mong đợi trải nghiệm với kết nối di động không dây
được cải thiện và nâng cao hơn nữa cả về tốc độ đường truyền, độ trễ và sự tin cậy,

trong khi các nhà cung cấp dịch vụ di động mong muốn phát triển thị phần ở các
dịch vụ mới, giàu tiềm năng cũng như đồng bộ hạ tầng đáp ứng các tiêu chuẩn tiên
tiến được quy định bởi ITU, và 3GPP [1].

390
249

62
2018

2019

2020

(a)

2021

2022

2023

2020

99

2021

158


2022

2023

2024

2025

(b)

Hình 1.1 Xu hướng phát triển của thiết bị di động nối mạng (a) và nhu cầu lưu lượng
dữ liệu di động [1].

Hình 1.1 cung cấp số liệu thống kê và dự báo xu hướng phát triển về số lượng
thiết bị di động nối mạng (giai đoạn 2018-2023) cũng như lưu lượng dữ liệu tiêu
thụ hàng tháng trong tương lai gần (2020-2025). Cụ thể, số lượng thiết bị di động
kết nối tăng trưởng đều khoảng 10% qua mỗi năm, ước đạt 29,5 tỉ thiết bị vào năm
2023 so với 18,5 tỉ thiết bị năm 2018. Lưu lượng dữ liệu tiêu thụ hàng tháng dự
kiến tăng xấp xỉ 10 lần trong giai đoạn từ nay tới năm 2025. Chúng ta có thể nhận
1


thấy rõ lưu lượng dữ liệu đi kèm với số lượng thiết bị nối mạng luôn tăng lên theo
từng năm với tốc độ chóng mặt. Thực tế này đặt ra bài tốn cấp thiết đối với ngành
thơng tin viễn thơng là cần nâng cao thông lượng hệ thống cũng như chất lượng
dịch vụ kết nối, truyền tin. Thông lượng của một hệ thống viễn thơng về cơ bản
được mơ hình tốn theo cơng thức:
Throughput Bandwidth( Hz ) × SpectralEfficiency (bits / s / Hz ). (1.1)
=


Dựa theo biểu thức (1.1), thông lượng hệ thống (“Throughput”) tăng lên khi
chúng ta tăng băng thơng tín hiệu (“Bandwidth”), hoặc hiệu quả phổ (“Spectral
Efficiency”), hoặc tăng cả hai tham số này. Công nghệ mạng 5G ra đời dựa trên sự
kết hợp của nhiều kĩ thuật tiên tiến như: sóng milimet, kĩ thuật MIMO nâng cao,
kĩ thuật beamforming, dạng sóng mới, …. Trong luận văn này tơi sẽ đi sâu trình
bày về kĩ thuật giúp cải thiện hiệu quả phổ bằng cách gia tăng số lượng anten tại
cả nơi truyền và nơi nhận tín hiệu, một kĩ thuật mới được đánh giá là rất tiềm năng,
đang được phát triển và định chuẩn cho mạng 5G với tên gọi “Massive MultipleInput Multiple-Output” (viết tắt là m-MIMO), tạm dịch là số lượng (anten) đầu
vào, (anten) đầu ra rất lớn. Trước đó, những thơng tin tổng quan về hệ thống mạng
di động 5G, yêu cầu, ứng dụng sẽ được trình bày ở phần bên dưới đây.
1.2 Cơng nghệ 5G thế hệ mới
Thuật ngữ “5G” được sử dụng để chỉ thế hệ thứ năm của công nghệ di động
không dây, bắt nguồn từ hệ thống điện thoại di động tương tự vào cuối những năm
1980 và đã phát triển tới mức hỗ trợ tất cả mọi, mọi vật đều có thể kết nối với
Internet. Mọi thế hệ cơng nghệ di động đều nhằm mục đích cung cấp kết nối mọi
lúc mọi nơi. Tuy nhiên, các mục tiêu công nghệ cơ bản và khả năng của mạng tiếp
tục được chuyển sang thế hệ mới cứ sau 7 đến 10 năm, với mỗi thế hệ được thiết
kế để phục vụ nhu cầu xã hội trong khoảng thời gian từ hai tới ba thập kỉ trên khắp
các thị trường toàn cầu. Tác động của những thế này lên cách chúng ta giao tiếp
có thể được xem xét trên nhiều khía cạnh khác nhau. Chúng bao gồm: các dịch vụ
cung cấp, nền tảng hệ thống, tốc độ dữ liệu, dải phổ và hiệu suất.

1.2.1 Các nhóm ứng dụng của cơng nghệ 5G
Theo quy định của liên minh viễn thông quốc thế (ITU) tại IMT-2020 [2], 5G
nhắm mục tiêu vào ba nhóm trường hợp sử dụng chính với các yêu cầu kết nối
riêng biệt: mạng di động băng thông rộng tăng cường (eMBB), các kiểu giao tiếp
của máy móc số lượng lớn (mMTC) và truyền thơng có độ trễ thấp siêu đáng tin
cậy (URLLC).
• Mạng di động băng thông rộng tăng cường: đáp ứng các ứng dụng sử
dụng nhiều dữ liệu, cần nhiều băng thơng như phát trực tuyến video hoặc đa dạng

trị chơi, mang lại trải nghiệm trên thiết bị di động tương tự như cáp quang cố định.
2


Các cơng nghệ sẽ biến điều đó thành hiện thực bao gồm Gigabit LTE, m-MIMO,
sóng milimet, kĩ thuật chia sẻ phổ tần và mã hóa kênh tiên tiến.
• Truyền thơng siêu tin cậy và có độ trễ thấp: Các dịch vụ nhạy với độ trễ
yêu cầu độ tin cậy, tính khả dụng và bảo mật cực cao, chẳng hạn như ứng dụng lái
xe tự động, ứng dụng thực tế tăng cường (AR), thực tế ảo (VR). Các công nghệ
đang được phát triển dành riêng cho các trường hợp sử dụng cụ thể, như V2X, điều
khiển thời gian thực cho liên lạc bằng thiết bị bay không người lái, cũng như những
công nghệ để hỗ trợ yêu cầu tức thời và không bị lỗi như ghép kênh để ưu tiên các
nhiệm vụ truyền dẫn quan trọng nhưng không sử dụng thường xuyên hoặc các liên
kết dự phòng để các thiết bị quan trọng có thể kết nối qua nhiều mạng.
• Mạng lưới kết nối nhiều thiết bị (tên gọi khác là mạng Internet vạn vật
IoT cỡ lớn): có đặc điểm chi phí thấp, thiết bị tiêu thụ năng lượng thấp với khối
lượng dữ liệu nhỏ trên quy mô lớn, chẳng hạn như ứng dụng thành phố thông minh.
Mạng IoT băng hẹp (NB-IoT) sẽ được tăng cường với các khả năng như hỗ trợ
giọng nói, độ trễ thấp hơn, dịch vụ định vị, tính di động của thiết bị và khả năng
thu phát sóng để cập nhật chương trình cơ sở qua mạng không dây hiệu quả.
Trong khi mạng di động băng thông rộng giải quyết các trường hợp sử dụng lấy
con người làm trung tâm thì mMTC và URLLC nhắm mục tiêu hỗ trợ các trường
hợp sử dụng tập trung vào máy (machine). Trên thực tế, sự phân chia giữa ba loại
để dễ hiểu về các yêu cầu, tuy nhiên, những điều này không phù hợp với một số
trường hợp sử dụng, bao gồm cả những trường hợp mà một số thơng tin liên lạc
kiểu MTC có thể có các u cầu về băng thông rộng di động, cũng như các trường
hợp khác. Về bản chất, đối với nhiều trường hợp sử dụng, chúng có thể có các yêu
cầu kết hợp từ một, hai hoặc ba loại ứng dụng đã được phân chia ở trên.

1.2.2 Các u cầu chính của cơng nghệ 5G

Việc nắm bắt và dự đoán xu hướng phát triển của công nghệ di động, nhu cầu
của người dùng cá nhân cũng như nhiều ngành công nghiệp ứng dụng mạng thơng
tin là bước quan trọng giúp các tập đồn viễn thông xây dựng và thống nhất các
yêu cầu khi một nền tảng công nghệ truyền thông mới ra đời. Nhìn chung, các khả
năng của truy cập khơng dây 5G vượt xa khả năng của các thế hệ truyền thông di
động trước đây bao gồm tốc độ dữ liệu rất cao và hiệu quả quang phổ, độ trễ rất
thấp, độ tin cậy cực cao, chi phí thiết bị và mức tiêu thụ năng lượng rất thấp. Tám
yêu cầu chính được trình bày dưới đây được tóm tắt dựa trên các yêu cầu của ITU,
cũng như các chuẩn thương mại định nghĩa bởi 3GPP:
• Tốc độ truyền dữ liệu mạng thực tế đạt 1~10 Gbps: con số này tăng gần 10
lần so với tốc độ dữ liệu đỉnh lý thuyết của mạng LTE truyền thống là 150
Mbps.
• Trễ tín hiệu 1 ms: giảm 10 lần so với yêu cầu 10 ms của mạng 4G.
3


• Băng thông cao hơn: để phục vụ số lượng lớn các thiết bị được kết nối với
băng thông cao hơn trong thời gian dài hơn tại một khu vực cụ thể.
• Số lượng thiết bị kết nối khổng lồ: để hiện thực hóa tầm nhìn của IoT, mạng
5G mới cần cung cấp kết nối cho hàng nghìn thiết bị.
• Tính khả dụng của mạng đạt 99,999%: 5G được hình dung rằng mạng thực
tế phải luôn sẵn sàng, đặc biệt là đối với ứng dụng mMTC và URLLC.
• Phạm vi phủ sóng gần như 100% đáp ứng kết nối “mọi lúc, mọi nơi”:
Mạng không dây 5G cần đảm bảo phạm vi phủ sóng hồn tồn bất kể vị trí
của người dùng.
• Giảm gần 90% việc sử dụng năng lượng: Phát triển công nghệ xanh đã được
các cơ quan tiêu chuẩn xem xét, điều này sẽ còn quan trọng hơn với tốc độ
dữ liệu cao và kết nối không dây 5G lớn.
• Thời lượng pin cao: điều này đặc biệt có ý nghĩa với mạng IoT, giúp nâng
cao vòng đời của sản phẩm và có khả năng hỗ trợ nhiều ứng dụng tiêu thụ

năng lượng.

1.2.3 Hạn chế và thách thức
Như chúng ta đã biết, công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư LTE và
LTE-A đã được triển khai trên tồn thế giới. Có nhiều thách thức cần giải quyết
khi chúng ta hướng tới tiêu chuẩn 5G đòi hỏi tốc độ dữ liệu cao hơn nhiều, độ trễ
cực thấp, độ tin cậy và bảo mật.
Dải tần: Hệ thống LTE hiện tại hoạt động với hơn 50 dải tần dưới 3,6 GHz. 5G
giai đoạn đầu được triển khai với dải tần dưới 6 GHz. (600 MHz và từ 3,5 GHz
đến 6 GHz). Các dải tần cho 5G nhiều mà chưa có sự phối hợp, thống nhất trên
các khu vực khác nhau có thể gây ra rắc rối cho các nhà sản xuất thiết bị di động.
Khối lượng dữ liệu khổng lồ: Khối lượng dữ liệu của từng mạng kết nối tăng
lên hàng năm và xu hướng ngày càng phát triển. Mỗi mạng phải hỗ trợ khối lượng
dữ liệu khổng lồ vì nhiều ứng dụng có khả năng gọi video độ phân giải cao, phát
trực tiếp.
Công nghệ MIMO: Các mảng anten MIMO phức tạp sẽ được sử dụng để cung
cấp dữ liệu tốc độ cao cho người dùng cá nhân. Ý tưởng của MIMO là tăng số
lượng anten phát tại trạm gốc và thiết bị di động (UE) để tối đa hóa việc truyền dữ
liệu bằng cách gửi và nhận đồng thời. Cơng nghệ MIMO u cầu các thuật tốn
phức tạp và khả năng của thiết bị ở cả trạm gốc và thiết bị của người dùng.
Beamforming: Để tránh lãng phí năng lượng truyền tải, công nghệ truyền dẫn
không dây thế hệ mới sẽ sử dụng phương pháp beamforming để truyền dữ liệu đến
thiết bị của người dùng một cách hiệu quả. So với các trạm gốc thông thường, công
nghệ định hướng chùm tia sẽ định vị chính xác vị trí của người dùng và truyền tín
4


hiệu đến hướng đó bằng hệ thống mảng anten tinh vi. Cơng suất hoạt động của
trạm gốc có thể được giảm đáng kể bằng khái niệm tạo chùm. Tuy nhiên, định
dạng chùm là một nhiệm vụ phức tạp để định vị các thiết bị trong một ơ tế bào và

nó cần quá trình xử lý phức tạp tại các trạm gốc.
Giao tiếp thiết bị với thiết bị: Giao tiếp D2D (Device to Device) là khái niệm
mới để tăng cường kết nối di động bằng cách sử dụng một thiết bị di động làm
trung tâm dữ liệu cho các thiết bị khác khơng thể truy cập tín hiệu trạm gốc. Giao
tiếp thiết bị với thiết bị được coi là một trong những phương thức giao tiếp hiệu
quả trong trường hợp khẩn cấp (như thiên tai) khi kết nối bị hạn chế hoặc khơng
có. Tuy nhiên, cần có các giao thức truyền dữ liệu phức tạp để thực hiện giao tiếp
D2D.
Mạng siêu tin cậy: Các dịch vụ và ứng dụng khẩn cấp yêu cầu kết nối mạng có
độ tin cậy cao để kích hoạt cảnh báo ngay lập tức trong các tình huống quan trọng.
Các thiết bị theo dõi sức khỏe, thiết bị chăm sóc bệnh nhân từ xa, dịch vụ cứu hỏa
và cứu hộ, dịch vụ cảnh sát và xe cứu thương, v.v… yêu cầu mạng không dây giao
tiếp hoặc tự kích hoạt từ thiết bị hoặc do người dùng khởi tạo.
Bảo mật và Quyền riêng tư: Bảo mật là một trong những yếu tố quan trọng
nhất của mọi hệ thống truyền dẫn khơng dây. Mạng 5G phải đảm bảo tính bảo mật
và quyền riêng tư cho người dùng cuối. Do số lượng thiết bị được kết nối mạng và
sự đa dạng trong công nghệ, việc đảm bảo an ninh là một nhiệm vụ đầy thách thức.
Kỹ thuật mã hóa đầu cuối được phát triển để giao tiếp an toàn giữa các thiết bị và
trạm gốc.
1.3 Sự ra đời của chuẩn 3GPP 5G New Radio
Mạng truy cập vô tuyến và mạng lõi của bất kỳ công nghệ di động nào đều được
tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức 3GPP (The Third Generation Partnership Project). Mặc
dù 3GPP đã bắt đầu nghiên cứu đặc điểm kỹ thuật của 5G vào tháng 3 năm 2017,
nhưng họ đã chuẩn hóa các tính năng LTE-M và NB-IoT để giải quyết một số yêu
cầu về truyền thông kiểu máy (chẳng hạn như tuổi thọ pin dài, chi phí thiết bị thấp
và mở rộng vùng phủ sóng) trong Releases 13 và Releases 14 lần lượt vào năm
2016 và 2017.
Công việc chuẩn hóa 5G được chia thành hai giai đoạn chính như Bảng 1.1. Giai
đoạn đầu tiên bao gồm việc tiêu chuẩn hóa các khối 5G cơ bản đã được hoàn thành
vào tháng 3 năm 2019 (Release 15), các cải tiến này đã được thêm vào Release 16

tạo thành giai đoạn hai.

5


Hai giai đoạn thống nhất chuẩn 5G
Đặc điểm

Giai đoạn 1 (LTE-5G)

5G NR

Dải tần hoạt động

FR1 Sub 6G

Băng thông cấp phát

Tối đa 20 MHz

Beamforming tương tự

Khơng hỗ trợ

Có hỗ trợ

Beamforming số

Lên tới 8 layer


Lên tới 12 layer

Kĩ thuật mã hóa kênh

Dữ liệu: Mã Turbo code

Dữ liệu: Mã LDPC

Tín hiệu điều khiển: Mã chập

Tín hiệu điều khiển: Mã Polar

Độ rộng sóng mang con

15 kHz

15 kHz, 30 kHz, 60 kHz, 120
kHz, 240 kHz

Hiệu quả phổ

Đạt 90% băng thông kênh

Đạt tới 98% băng thông kênh

FR1 Sub 6G, FR2 mmWave
Tối đa 100 MHz (FR1)
Tối đa 1 GHz (FR2)

Dưới đây luận văn sẽ trình bày một số kĩ thuật chính của cơng nghệ 5G đã được

định chuẩn với tên gọi 3GPP 5G New Radio và các vấn đề gặp phải tại lớp vật lý
dựa trên họ chuẩn TS 38.211-215 [3], [4], [5], [6], [7] cập nhật theo phiên bản
15.5.0 tính đến ngày 27 tháng 9 năm 2019. Trước đó, tơi muốn đề cập tới mơ hình
kênh truyền đã được 3GPP thống nhất cho mạng 5G, đây sẽ là mơ hình kênh áp
dựng xun suốt luận văn trong các phần mơ phỏng thí nghiệm.
1.3.1 Mơ hình kênh truyền
a) Mơ hình suy hao khơng gian tự do Pathloss
Trong khơng gian truyền sóng tự do lý tưởng, sự suy hao năng lượng của tín
hiệu vơ tuyến giữa nơi phát và nơi thu sử dụng anten đẳng hướng được tài liệu [8],
[9] xây dựng thành biểu thức:
 λ  PTX GTX GRX
PRX = PTX GTX GRX 
 =
Ls ( d )
 4π d 
2

(W),

(1.2)

trong đó, PTX , PRX lần lượt là năng lượng tín hiệu phát và nhận, đơn vị (W). GTX , GRX
tương ứng là độ lợi anten phát, thu có đơn vị (lần). d , λ tương ứng là khoảng cách
giữa nơi thu và phát, và bước sóng mang của tín hiệu vơ tuyến, đơn vị (m). Ls ( d )
là hàm số suy hao không gian tự do phụ thuộc vào khoảng cách và cả bước sóng.
Hàm số Ls ( d ) được mơ hình hóa theo tính chất của mơi trường truyền sóng
gồm hai loại chính là LoS và NLoS:
6



“Line of Sight” (LoS) là mơi trường truyền sóng có tầm nhìn thẳng giữa thiết bị
thu và phát, phù hợp với các khơng gian thống, rộng rãi như vùng ngoại ô, nông
thôn.
“Non Line of Sight” (NLoS) là môi trường truyền mà tầm nhìn thẳng giữa thiết
bị thu và phát bị hạn chế, đồng thời tồn tại nhiều đường truyền tín hiệu thứ cấp
khác chiếm ưu thế. Mơ hình này dễ bắt gặp ở các khu vực đông dân cư, nhà cao
tầng, các khu đơ thị, trường học.
Mơ hình suy hao pathloss đã được xây dựng, đề xuất bởi nhiều đơn vị, tổ chức
[10], [11], [12]. Tuy nhiên trong khuôn khổ luận văn này, tơi thống nhất trình bày
mơ hình suy hao được xây dựng bởi 3GPP ứng dụng cho hai điều kiện thí nghiệm
trong mơ hình mạng macrocell đơ thị (UMa), và điểm phát sóng nơi cơng sở (InHOffice) đối với dải tần số rộng 0,5 ÷ 100 GHz như trong bảng Hình 1.2. Trước khi
đến với các mơ hình pathloss này, chúng ta cần nắm được các định nghĩa khoảng
cách giữa trạm gốc gNodeB và người dùng như Hình 1.2.

Hình 1.2 Định nghĩa khoảng cách giữa trạm gốc và người dùng [9].

7


LOS/NLOS
LOS

Mơi trường

Mơ hình pathloss với mạng UMa và InH-Office [9].

Pathloss [dB],

f c ( GHz ) , d ( m ) .


fading

'
 PL1 10m ≤ d 2 D ≤ d BP
(1
PLUMa-LOS = 
'
 PL2 d BP ≤ d 2 D ≤ 5km,
32.4 + 20 log10 ( d3 D ) + 20 log10 ( f c )
PL1 =
σ SF = 4
32.4 + 40 log10 ( d3 D ) + 20 log10 ( f c )
PL2 =

( ) + (h
2

gNB

− hUE

)

(

NLOS

PL =
32.4 + 20 log10 ( f c ) + 30 log10 ( d3 D )
LOS


1.5m ≤ hUE ≤ 22.5m

+ 20 log10 ( f c ) − 0.6 ( hUE − 1.5 )
Hoặc

hgNB = 25m

( 2*)

σ SF = 7.8

PLInH-LOS =
32.4 + 17.3log10 ( d3 D ) + 20 log1 σ SF = 3
PLInH-NLOS = max PLInH-LOS , PL'InH-NLOS

1m ≤ d3 D ≤ 100m

)
σ SF = 8.03 1m ≤ d3 D ≤ 86m

+ 24.9 log10 ( f c )

NLOS

InH-Office

)
σ SF = 6


= 13.54 + 39.08log10 ( d3 D )
PL'UMa-NLOS

=
PL'InH-NLOS 38.3log10 ( d3 D ) + 17.30

hgNB = 25m



PLUMa-NLOS = max PLUMa-LOS , PL'UMa-NLOS

(

1.5m ≤ hUE ≤ 22.5m

2

10m ≤ d 2 D ≤ 5km

Hoặc

(1*)

Phạm vi áp dụng

[dB]

'
-10 log10  d BP



UMa

Shadow

PL'InH-NLOS
= 32.4 + 20 log10 ( f c )
+ 31.9 log10 ( d3 D )

σ SF = 8.29 1m ≤ d3 D ≤ 86m

'
'
'
d BP
= 4hgNB
hUE
f c / c, trong đó

fc

'
c = 3.0 x 108 m / s, h=
hgNB − hE
gNB

là chiều cao hiệu dụng của trạm gốc 5G,

'

h=
UE hUE − hE

là tần số trung tâm đơn vị Hz,

là chiều cao hiệu dụng của anten người dùng, trong đó hgNB , hUE là

chiều cao thực tế và hE là chiều cao hiệu dụng của môi trường, với

hE = 1m

có xác

8


(

suất 1/ 1 + C ( d 2 D , hUE )

)

hoặc hE được chọn từ các biến rời rạc phân bố đều

(12,15,..., (hUE − 1.5)) .

hUE < 13m
 0

C ( d 2 D , hUE ) =  hUE − 13 1.5


 g ( d 2 D ) , 13m ≤ hUE ≤ 23m
 10 
0
d 2 D ≤ 18m


g ( d 2 D ) =  5  d 2 D 3
 −d 2 D 
18m < d 2 D
 
 exp 

 150 
 4  100 
(2*)

Suy hao cho UMa-NLOS là dạng đơn giản dựa trên tài liệu TR 36.873 và bằng suy hao
cho kịch bản UMa-LOS ngồi trời.

a) Mơ hình kênh Tapped Delay Line 5G NR
Tổ chức 3GPP đề xuất mơ hình kênh Tapped Delay Line (TDL) là một trong
các mơ hình chính để phục vụ mục đích thực hiện các bài kiểm tra chất lượng thiết
bị của trạm gốc gNodeB cũng như thiết bị di động 5G [13]. Kênh truyền vật lý 5G
NR là tổng hợp ảnh hưởng của bốn yếu tố: ảnh hưởng về mặt thời gian đặc trưng
bởi mơ hình trải trễ truyền “delay spread”, ảnh hưởng về mặt tần số đặc trưng bởi
mơ hình trải phổ Doppler “Doppler spread”, ảnh hưởng về mặt khơng gian đặc
trưng bởi mơ hình tương quan MIMO giữa nơi thu và nơi nhận, ảnh hưởng về mặt
phân cực đặc trưng bởi mối liên hệ góc tương quan của [13]. Mơ hình kênh TDL
bao gồm tập hợp năm loại chính: trong đó TDL-A, TDL-B và TDL-C trình bày ba

mơ hình kênh NLOS khác nhau, cịn lại TDL-D và TDL-E dùng để cấu trúc mơ
hình kênh LOS.
Khi xem xét ảnh hưởng của hiện tượng đa đường, mơ hình TDL xây dựng các
kênh thành N thành phần truyền (N tap) với đáp ứng xung kênh truyền tuân theo
[9]:

=
h ( t ,τ )

N

∑ a (t ) e
n =1

n

− jθ n

δ (τ − τ n ) ,

(1.3)

trong đó, an ( t ) là biên độ chung tại thời điểm trễ τ n của thành phần truyền thứ k,

an tuân theo phân bố Rayleigh, τ n tuân theo tiến trình Poisson. θ n là thành phần
dịch pha có phân bố đều.

9



Mơ hình trải trễ cho 5G NR dải tần dưới 6 GHz [9].
Mơ hình

Số tap

Trải trễ (r.m.s)

Trải trễ tối đa

Độ phân giải trễ

TDLA30

12

30 ns

290 ns

5 ns

TDLB100

12

100 ns

480 ns

5 ns


TDLC300

12

300 ns

2595 ns

5 ns

Cấu hình kênh TDLA30 (trải trễ 30 ns) [9].
Tap

Trễ (ns)

Cơng suất (dB)

1

0

-15.5

2

10

0


3

15

-5.1

4

20

-5.1

5

25

-9.6

6

50

-8.2

7

65

-13.1


8

75

-11.5

9

105

-11.0

10

135

-16.2

11

150

-16.6

12

290

-26.2


Phân phối pha đinh

Rayleigh

Cấu hình kênh TDLB100 (trải trễ 100 ns) [9].
Tap

Trễ (ns)

Công suất (dB)

1

0

0

2

10

-2.2

3

20

-0.6

4


30

-0.6

5

35

-0.3

6

45

-1.2

7

55

-5.9

8

120

-2.2

9


170

-0.8

10

245

-6.3

11

330

-7.5

12

480

-7.1

Phân phối pha đinh

Rayleigh

10



Cấu hình kênh TDLC300 (trải trễ 300 ns) [9].
Tap

Trễ (ns)

Cơng suất (dB)

1

0

-6.9

2

65

0

3

70

-7.7

4

190

-2.5


5

195

-2.4

6

200

-9.9

7

240

-8.0

8

325

-6.6

9

520

-7.1


10

1045

-13.0

11

1510

-14.2

12

2595

-16.0

Phân phối pha đinh

Rayleigh

Phổ Doppler của từng tap tín hiệu được mơ hình bởi dạng phổ Jakes [14] phụ
thuộc vào tần số Doppler cực đại f D . Tham số f D được quy định thành các mơ
hình thí nghiệm thuộc tài liệu [14] kết hợp với hiệu ứng đa đường tạo ra tham số
tại Bảng 1.7.
Mơ hình kênh kết hợp hiệu ứng đa đường và tần số Doppler [9].
Tên mơ hình kênh
kết hợp


Mơ hình TDL

TDLA30-5

TDLA30

5 Hz

TDLA30-10

TDLA30

10 Hz

TDLB100-400

TDLB100

400 Hz

TDLC300-100

TDLC300

100 Hz

Tần số Doppler cực đại

fD


11


Ma trận tương quan MIMO sử dụng mảng antenna tuyến tính đồng nhất
Ma trận tương quan MIMO tại gNB [9].
Ma trận tương quan
Một
anten

RgNB = 1

Hai
anten

 1 α
RgNB =  *

α 1 

Bốn
anten

RgNB

 1

*
 (α 1/9 )
=  4/9 *

 (α )


*
 α

α 1/9

α 4/9

1

α 1/9

(α ) 1
(α ) (α )
1/9 *

4/9 *

1/9 *

α 

4/9
α 

1/9 
α



1 



1 α 1/49 α 4/49 α 9/49 α 16/49 α 25/49 α 36/49 α


*


1 α 1/49 α 4/49 α 9/49 α 16/49 α 25/49 α 36/49
α 1/49




4/49 *
1/49 *
1/49
4/49
9/49
16/49
25/49
1 α
α
α
α
α
α

α




*
*
*


1 α 1/49 α 4/49 α 9/49 α 16/49
α 9/49
α 4/49
α 1/49


=

16/49 *
9/49 *
4/49 *
1/49 *
1/49
4/49
9/49
1 α
α
α
α
α

α
α




25/49 *
16/49 *
9/49 *
4/49 *
1/49 *
1/49
4/49
1 α
α
α
α
α
α
 α



 α 36/49 * α 25/49 * α 16/49 * α 9/49 * α 4/49 * α 1/49 * 1 α 1/49 


 *

36/49 *
25/49 *

16/49 *
9/49 *
4/49 *
1/49 *
 α
1 
α
α
α
α
α
α



(

Tám
anten

RgNB

)
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (


)

Ma trận tương quan MIMO được chuẩn hóa cho dãy anten cả tại trạm gốc 5G
gNodeB và anten tại thiết bị di động UE. Mơ hình anten được sử dụng là mảng
anten sắp xếp tuyến tính đồng nhất (ULA) [9]. Các ma trận tương quan tại gNodeB
và UE được mô tả đầy đủ trong các Bảng 1.8, và Bảng 1.9.
Ma trận tương quan MIMO tại UE [9].
Một anten

Ma trận
tương
quan

RUE = 1

Hai anten

RUE

 1
= *
β

Bốn anten

β

1

RUE


 1

*
 ( β 1/9 )
=  4/9 *
(β )


*
 β

β 1/9

β 4/9

1

β 1/9

(β ) 1
(β ) (β )
1/9 *

4/9 *

1/9 *

β 


β 4/9 

β 1/9 


1 

Các tham số α , β quy định chỉ số tương quan và được phân loại theo mức độ
tương quan bao gồm: tương quan cao, tương quan trung bình và tương quan thấp
như Bảng 1.10.
12


Giá trị mức tương quan cao, trung bình, thấp [9].
Tương quan thấp

Tương quan trung bình

Tương quan cao

α

β

α

β

α


β

0

0

0.9

0.3

0.9

0.9

1.3.2 Dạng sóng 5G
Theo tài liệu [3], tổ chức 3GPP đã thống nhất định chuẩn dạng sóng 5G sử dụng
kĩ thuật CP-OFDM, có thể dịch là kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực
giao sử dụng chèn tiền tố lặp (Cyclic prefix). Tín hiệu băng gốc (baseband) liên
tục theo thời gian sl( p ,µ ) ( t ) trên antenna port p phụ thuộc tham số numerology quy
định

độ

rộng

sóng

mang

{


con

µ

của

mẫu

kí

tự

OFDM

thứ

}

subframe, µ
slot
l ∈ 0,1, , N slot
.N sym
− 1 trong một khung tín hiệu con (subframe) được áp

dụng cho tất cả các kênh truyền vật lý cũng như tín hiệu lớp vật lý loại trừ kênh
PRACH:
( p ,µ )

sl


(t ) =

size, µ
. NscRB −1
N grid

∑

k =0

j 2π ( k + k0 − N grid, x
p ,µ
ak( ,l ) .e
µ

size, µ

) (

µ
µ
. NscRB /2 ∆f t − N CP,
lTc −tstart,l

),

(1.4)

( p ,µ )


trong đó, ak ,l là một giá trị tín hiệu thuộc về sóng mang con thứ k, OFDM symbol
thứ l và được đưa tới antenna port p.

(

)

(

)

µ

start, µ0
size, µ0
start, µ
size, µ
RB
RB µ0 − µ k
+ N grid,
k0µ = N grid,
, 0 có vai trị
x + N grid, x / 2 N sc − N grid, x
x / 2 N sc .2

căn chỉnh lưới tài nguyên miền tần số được giữ trật tự theo vị trí “point A” khi xảy
ra trường hợp kết hợp nhiều numerology µ trong cùng một lưới tài nguyên. Cơ
chế kết hợp numerology là điểm cải tiến của chuẩn 5G so với 4G LTE, trong khi
LTE mặc định sử dụng sóng mang con rộng 15 kHz thì 5G đa dạng dải sóng mang

con hơn nhưng đồng thời cũng phải đảm bảm hệ thống 5G có thể tiếp nhận sóng
µ
µ
µ
µ
mang con của 4G cũ. tstart,
là thời gian xét trong một
l ≤ t < tstart,l + ( N u + N CP,l ) Tc

µ
subframe, với N uµ , N CP,
l lần lượt là chiều dài (tính bằng lần so với

=
Tc

1
1
0.509 ns ) của OFDM symbol thứ l, và thành
=
=
∆f max .N f
480.103.4096

phần tiền tố lặp CP của nó.
N uµ = 2048κ .2− µ ,

(1.5)

13



µ
N CP,
l

 512κ .2− µ
extended CP

−µ
(1.6)
normal CP, l =
0 or l =
7.2 µ
=
 144κ .2 + 16κ

−µ
normal CP, l ≠ 0 and l ≠ 7.2 µ
144κ .2

∆f , µ , µ0 lần lượt là độ rộng sóng mang con, tham số numerology, tham số
numerology lớn nhất được sử dụng trong lưới tài nguyên. Vị trí bắt đầu của OFDM
symbol thứ l xét theo đơn vị thời gian trong một subframe được quy định bởi:
µ
tstart,
l

l =0
0


= µ
µ
µ
tstart,l −1 + N u + N CP,l −1 .Tc , l ≠ 0.

(

)

(1.7)

Khi tín hiệu băng gốc liên tục theo thời gian ở biểu thức (1.4) được lấy mẫu tại

t=
lTsym + nTs , Ts =
Tsym / N và

(k +k µ − N

fk =

0

size, µ
RB
grid, x . N sc /2

) ∆f =


k / Tsym

sẽ thu được tín

hiệu rời rạc theo thời gian của OFDM symbol thứ l:
( p ,µ )

sl

[ n]

µ
RB 
 N RB
. N sc
/2 −1



∑

( p ,µ )

 N µ . N RB 
kindex =−  RB sc 
2



ak ,l


.e

(

)

j 2π kindex + k0µ .n / N

,

( − Lµ

CP,l

≤n
)

(1.8)
µ
trong đó, luận văn chỉ xem xét mặc định k0 = 0, nghĩa là không có sự phối hợp

nhiều sóng mang con độ rộng khác nhau trong hệ thống. N là kích thước FFT phụ
µ
thuộc tham số µ và thành phần băng thơng được cấp phát ( N RB ).

Dựa trên cơ sở chuẩn 3GPP, luận văn phát triển và đề xuất cách tính độ dài mẫu
CP khác với đơn vị là số mẫu “samples” (so với đơn vị lần đơn vị tiêu chuẩn Tc ).
Cụ thể là:

LµCP,l

 512.n ( µ )
extended CP

µ
=
0 or l =
7.2 µ
(1.9)
144.n ( µ ) + 16.2 .n ( µ ) normal CP, l =

µ
144.n ( µ ) normal CP, l ≠ 0 or l ≠ 7.2

N
. Cách tính này có ưu điểm dễ tra cứu và diễn đạt trong mơ hình
2048
chương trình thuật tốn về sau, đồng thời nó vẫn đảm bảo tính tương đương giữa
hai cách tính:
với n ( µ ) =

µ
LµCP,l .Tsµ = N CP,
l .Tc .

(1.10)

Có một điểm cần đặc biệt lưu ý khi triển khai mơ hình OFDM nữa là quan hệ

RB
µ
=
của khải niệm sóng mang con thứ k (k-th subcarrier,
với k 0,1, , Nsc .N RB − 1 )

và khái niệm chỉ số sóng mang con kindex :
14


µ
N scRB .N RB
.
kindex= k −
2

(1.11)

a) Tiền tố lặp CP
Tiền tố lặp CP bản chất là sự mở rộng một OFDM symbol bằng cách sao chép
các mẫu cuối cùng của symbol và đưa lên phần đầu trong cấu trúc chứa các mẫu
của một OFDM symbol như Hình 1.3, trong đó TG là chiều dài (đơn vị số mẫu)
của chuỗi CP dẫn tới một OFDM symbol đầy đủ gồm cả CP sẽ có chiều dài

Tsym
= Tsub + TG . Việc đưa tiền tố lặp CP vào OFDM mục đích chính là chống lại
các lỗi đồng bộ hóa thời gian. Khi chiều dài của CP bằng hoặc lớn hơn trễ truyền
tối đa của kênh đa đường, ảnh hưởng ISI của một OFDM symbol lên symbol tiếp
theo được giới hạn trong khoảng bảo vệ để nó khơng ảnh hưởng đến việc khơi
phục FFT được thực hiện trong khoảng thời gian Tsub . Nghĩa là, khoảng bảo vệ CP

dài hơn trễ truyền tối đa của kênh đa đường cho phép bảo vệ tính trực giao giữa
các sóng mang con. Trường hợp khoảng CP ngắn hơn trễ truyền tối đa của kênh
đa đường, ảnh hưởng ISI tác động lên OFDM symbol liền kề xuất hiện. Trong thực
tế, hiện tượng dịch mẫu tín hiệu “symbol timing offset” (STO) có thể xuất hiện.

CP

TG

Tsub

Hình 1.3 Cấu trúc của tiền tố lặp CP-OFDM.

Hệ thống OFDM truyền dữ liệu trên các sóng mang con trực giao tạo thành các
luồng truyền song song, chống lại sự biến dạng do kênh truyền lựa chọn tần số gây
ra, hoặc nhiễu liên kí tự ISI trong môi trường pha đinh đa đường. Tuy nhiên các
ưu điểm của OFDM chỉ phát huy tác dụng khi tính trực giao của các sóng mang
con được bảo tồn. Ngược lại, một khi tính trực giao bị phá hủy, đồng nghĩa hiệu
năng của hệ thống giảm nhanh chóng do nhiễu liên kí tự ISI và nhiễu liên kênh
“inter-channel interference” (ICI). Phần tiếp theo luận văn sẽ trình bày về ảnh
hưởng của hiện tượng dịch mẫu tín hiệu STO và dịch tần số “carrier frequency
offset” (CFO) lên hệ thống truyền tin sử dụng kĩ thuật OFDM. Để thống nhất kí
hiệu, luận văn sử dụng ε , δ biểu thị CFO và STO đã chuẩn hóa và sẽ được trình

15


bày cụ thể tại từng hiện tượng.Tín hiệu băng gốc nhận được tại thiết bị thu đã bao
gồm ảnh hưởng của CFO, STO diễn đạt thành biểu thức toán học:

yl [ n ] IDFT
=
=
{Yl [ k ]} IDFT {H l [ k ] X l [ k ] + Zl [ k ]}
1
=
N

N −1

(1.12)

∑ H l [ k ] X l [ k ] e j 2π ( k +ε )( n+δ )/ N + zl [ n],

k =0

trong đó, zl [ n ] = IDFT {Z l [ k ]}.
a) Ảnh hưởng của hiện tượng STO
IFFT và FFT là các chức năng cơ bản đối với quá trình điều chế và giải điều chế
tín hiệu tại thiết bị phát, cũng như thiết bị thu có sử dụng kĩ thuật OFDM. Việc lấy
FFT N điểm tại nơi thu cần phải thực hiện trên chính xác số mẫu tín hiệu đã được
truyền đi trong một OFDM symbol. Mặt khác, tiến trình đồng bộ lấy mẫu cần được
thực hiện để phát hiện chính xác điểm bắt đầu của cửa sổ FFT đối với từng OFDM
symbol. Khi phát sinh sai số trong việc xác định điểm “starting point” chính xác
của cửa sổ FFT sẽ dẫn tới hiện tượng dịch mẫu tín hiệu STO. Để dễ hình dung ảnh
hưởng tốn học của hiện tượng này, chúng ta tạm thời bỏ qua ảnh hưởng của kênh
truyền cũng như nhiễu tại máy thu tác động lên chất lượng tín hiệu, khi đó sự sai
khác do STO được thể hiện như trong Bảng 1.11. Xét trong miền thời gian việc sai
số δ mẫu tín hiệu gây ra sự dịch pha 2π kδ / N tương ứng trên miền tần số, tỉ lệ
với k là chỉ số sóng mang con và STO δ . Như đã trình bày tại công thức (1.11),

hệ thống 5G cũng như các hệ thống OFDM nói chung có sự khác nhau về khái
niệm chỉ số sóng mang con và khái niệm thứ tự sóng mang con (do thuận tiện kí
hiệu k 0,1, , N − 1 ). Kể từ phần này trở về sau luận văn sẽ thống nhất trình bày
=
đồng nhất hai chỉ số k  kindex để đơn giản trong kí hiệu, và chúng tôi sẽ thực sự
quay trở lại nhấn mạnh tham số kindex khi tiến hành bù STO và CFO.
Ảnh hưởng của hiện tượng STO [15].
Tín hiệu nhận

Ảnh hưởng của STO
tín hiệu nhận

δ

Miền thời gian

y [ n]

x [n + δ ]

Miền tần số

Y [k ]

e j 2π kδ / N X [ k ]

lên

Phụ thuộc vào vị trí ước lượng “starting point” của một OFDM symbol (đây là
vị trí được hệ thống sử dụng để giải điều chế OFDM bằng cách lấy FFT N điểm

bắt đầu từ điểm ước lượng này), hiện tượng STO được chia ra thành bốn trường
hợp khác nhau tương ứng với vị trí của “starting point” ước lượng và “starting

16


point” chính xác. Hình 1.4 mơ tả bốn trường hợp khác nhau của STO, với τ max là
trễ truyền đa đường cực đại.

Hình 1.4 Bốn vị trí “starting point” liên quan tới hiện tưởng STO [15].

Trường hợp 1: Điểm bắt đầu cửa sổ FFT ước lượng trùng khớp với vị trí chính
xác của “starting point”, tính trực giao giữa các sóng mang con được bảo tồn.
Trong trường hợp này, OFDM symbol có thể được khơi phục hồn hảo mà khơng
chịu tác động của nhiễu.
Trường hợp 2: Đây là trường hợp điểm bắt đầu ước lượng được của OFDM
symbol nằm trước điểm chính xác, nhưng sau khi đáp ứng kênh bị trễ của OFDM
symbol trước đó đã kết thúc. Symbol thứ l khơng chồng lấn với OFDM symbol
thứ l-1 trước đó, nghĩa là khơng tồn tại ISI. Biểu thức tốn học thể hiện ảnh hưởng
của STO trong trường hợp này là [15]:

1
Yl [ k ] =
N

N −1

∑ xl [ n + δ ].e− j 2π nk / N =X l [ k ].e j 2π kδ / N .

(1.13)

n =0

Theo biểu thức (1.13), tính chất trực giao giữa các thành phần tần số sóng mang
con có thể được bảo tồn. Tuy nhiên, tồn tại thành phần dịch pha tỉ lệ với tham số
STO δ và chỉ số vị trí của sóng mang con k, dẫn tới chèm sao tín hiệu sẽ xoay
pha xung quanh tín hiệu gốc như Hình 1.5.
Trường hợp 3: Trường hợp này xảy ra khi vị trí bắt đầu cửa sổ FFT ước lượng
được ở trước vị trí chính xác và tồn tại trong khoảng có thành phần trễ truyền của
OFDM symbol trước đó. Điều này dẫn tới việc ISI sẽ ảnh hưởng tới một phần các
mẫu tín hiệu của OFDM sau khi khơi phục, tính trực giao của các sóng mang con
bị phá hủy, thậm chí có thể xuất hiện nhiễu liên kênh ICI. Chịm sao tín hiệu thu
được khi xảy ra trường hợp 3 được thể hiện như trong Hình 1.6 (a), ở đây ngồi
việc tín hiệu bị xoay pha còn cá hiện tượng nhiễu, sai số so với vịng trịn pha của
chịm sao tín hiệu tại trường hợp 2.

17