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
95 trang |
Chia sẻ: huong20 | Ngày: 13/01/2022 | Lượt xem: 606 | Lượt tải: 0
Tóm tắt tài liệu Đồ án Nghiên cứu công nghệ truy cập vô tuyến mới trong 5G, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
KHOA VÔ TUYẾN ĐIỆN TỬ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BỘ MÔN THÔNG TIN
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên: Trần Xuân Tài Lớp: Thông tin 2 Khóa: 51
Ngành: Điện-Điện tử 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
Chủ nhiệm bộ môn Cán bộ hướng dẫn
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 Thế hệ thứ hai
3G Third Generation Thế hệ thứ ba
Third Generation
3GPP Dự án hợp tác thế hệ 3
Partnership Project
4G Fourth Generation Thế hệ thứ tư
5G Fifth Generation Thế hệ thứ năm
5GC 5G Core Lõi 5G
Advanced Mobile Phone Dịch vụ điện thoại đi
AMPS
Service động tiên tiến
BS Base Station Trạm gốc
BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc
BWP Bandwidth Part Phần băng thông
Code Division Multiple Đa truy cập phân chia
CDMA
Access theo mã
CN Core Network Mạng lõi
CP Cyclic Prefix Tiền tố vòng
Downlink Control Thông tin điều khiển
DCI
Information đường xuống
DL Downlink Đường xuống
EPC Evoved Packet Core Lõi gói tăng cường
Evolved Universal Truy cập vô tuyến mặt
E-UTRA
Terrestrial Radio Access đất vạn năng tăng cường
Frequency Division Song công phân chia
FDD
Duplex theo tần số
Frequency Division Đa truy cập phân chia
FDMA
Multiple Access theo tần số
ii
FM Frequency Modulation Điều chế tần số
General Packet Radio Dịch vụ vô tuyến gói
GPRS
Services chung
Global System for Hệ thống thông tin di
GSM
Mobile Communications động toàn cầu
Hybrid Automatic Yêu cầu phát lại tự động
HARQ
Repeat Request lai
High Speed Packet
HSPA Truy cập gói tốc độ cao
Access
IoT Internet of Things Internet vạn vật
International
Liên minh viễn thông
ITU Telecommunications
thế giới
Union
LTE Long-Term Evolution Tiến hóa dài hạn
MA Multiple Access Đa truy cập
Multi-Access Edge Điện toán cạnh đa truy
MEC
Computing cập
Multiple-Input and Nhiều đầu vào nhiều đầu
MIMO
Multiple-Output ra
Negative
NACK Xác nhận âm
Acknowledgement
Network Functions
NFV Các chức năng mạng ảo
Virtualization
Next Generation Radio Mạng truy cập vô tuyến
NG-RAN
Access Network thế hệ tiếp theo
NR New Radio Vô tuyến mới
Orthogonal Frequency
Đa truy cập phân chia
OFDMA Division Multiple
theo tần số trực giao
Access
Orthogonal Multiple
OMA Đa truy cập trực giao
Access
High Peak-to-Average Tỷ số công suất đỉnh
PAPR
Power Ratio trên công suất trung bình
Physical Broadcast
PBCH Kênh quảng bá vật lý
Channel
iii
Physical Downlink Kênh điều khiển đường
PDCCH
Control Channel xuống vật lý
Physical Downlink Kênh chia sẻ đường
PDSCH
Shared Channel xuống vật lý
PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức
PN Pseudo-Noise Tạp âm giả
Physical Random Kênh truy cập ngẫu
PRACH
Access Channel nhiên vật lý
PRB Physical Resource Block Khối tài nguyên vật lý
Primary Synchronisation
PSS Tín hiệu đồng bộ sơ cấp
Signal
Physical Uplink Shared Kênh chia sẻ đường lên
PUSCH
Channel vật lý
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
Random Access Đáp ứng truy cập ngẫu
RAR
Response nhiên
Radio Access Công nghệ truy cập vô
RAT
Technology tuyến
RE Resource Element Phần tử tài nguyên
Radio Network Nhận dạng tạm thời
RNTI
Temporary Identifier mạng vô tuyến
Radio Resource Quản lý tài nguyên vô
RRM
Management tuyến
Khoảng cách sóng mang
SCS Sub-Carrier Spacing
con
Software-Defined Kết nối mạng bằng phần
SDN
Networking mềm
SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ
Synchronization
SSB Khối chuỗi đồng bộ
Sequence Block
Song công phân chia
TDD Time Division Duplex
theo thời gian
Time Division Multiple Đa truy cập phân chia
TDMA
Access theo thời gian
UE User Equipment Thiết bị người dùng
iv
UL Uplink Đường lên
Universal Mobile Hệ thống điện thoại di
UMTS
Telephone System động vạn năng
UMTS Terrestrial Radio Mạng truy cập vô tuyến
UTRAN
Access Network mặt đất vạn năng
VRB Virtual Resource Block Khối tài nguyên ảo
v
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Một cái nhìn tổng quan về các kỹ thuật đa truy cập khác nhau. ........... 5
Hình 1.2. Hiệu quả phổ (bps/Hz) của sự phát triển tế bào số. ............................. 6
Hình 1.3. Các khả năng người dùng trong các thế hệ tế bào. .............................. 6
Hình 1.4. Sơ đồ khối kiến trúc mạng 1G. ........................................................... 9
Hình 1.5. Sơ đồ khối kiến trúc mạng GSM 2G. ................................................ 12
Hình 1.6. Sơ đồ khối máy thu Rake WCDMA 3G. ........................................... 14
Hình 1.7. Sơ đồ khối kiến trúc mạng WCDMA 3G. ......................................... 15
Hình 1.8. Sơ đồ khối máy phát đường xuống WCDMA. .................................. 16
Hình 1.9. Sơ đồ khối máy phát đường lên WCDMA. ....................................... 17
Hình 1.10. Sơ đồ khối máy phát HSDPA. ........................................................ 17
Hình 1.11. Sơ đồ khối kiến trúc mạng HSDPA. ............................................... 18
Hình 1.12. Sự biểu diễn thời gian/tần số của tín hiệu OFDM cho tiêu chuẩnLTE.
......................................................................................................................... 20
Hình 1.13. Sự hình thành dạng sóng OFDMA với k sóng mang con. ............... 21
Hình 1.14. Sơ đồ khối kiến trúc mạng LTE 4G. ............................................... 22
Hình 1.15. Nét nổi bật của 3GPP. ..................................................................... 23
Hình 2.1. Sơ đồ khối kiến trúc mạng 5G. ......................................................... 26
Hình 2.2. Các kịch bản sử dụng của IMT-2020. ............................................... 28
Hình 2.3. Các ví dụ về massive MIMO: ghép kênh không gian (bên trái) và
chùm tia đơn/đa người dùng. ............................................................................ 30
Hình 2.4. Ví dụ về một phần mạng hỗ trợ dịch vụ uR-LLC, eMBB và mMTC. 33
Hình 2.5. Sơ đồ mạng thể hiện chức năng điện toán phân tán đối với cạnh. ..... 35
Hình 2.6. Sự xem xét băng tần 5G. ................................................................... 37
Hình 2.7. Kỹ thuật thông tin đường lên và đường xuống. ................................. 41
Hình 2.8. Miền tốc độ của hai người dùng DL và UL. ...................................... 41
Hình 2.9. Sự phân bố phổ và công suất của NOMA và OMA. .......................... 42
Hình 3.1. (a): Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng NR, và (b): Ngăn xếp
giao thức mặt phẳng điều khiển. ....................................................................... 46
Hình 3.2. Ví dụ về luồng dữ liệu. ..................................................................... 46
vi
Hình 3.3. Sơ đồ khối máy phát cho CP-OFDM với sự trải phổ DFT tùy ý trong
UL. ................................................................................................................... 50
Hình 3.4. Quy trình truy cập ngẫu nhiên bốn bước cơ bản trong Phiên bản 15 và
quy trình hai bước trong Phiên bản 16. ............................................................. 56
Hình 3.5. Chuỗi xử lý lớp vật lý PUSCH. ......................................................... 59
Hình 3.6. Truyền dẫn tín hiệu tham chiếu, điều khiển, dữ liệu đường xuống
trong sóng mang 40-MHz với khoảng cách sóng mang con là 30-MHz. ........... 61
Hình 3.7. Chuỗi xử lý lớp vật lý PDSCH. ......................................................... 65
Hình 3.8. Chuỗi xử lý lớp vật lý PBCH. ........................................................... 67
Hình 3.9. Một ví dụ về CSI-IM Phiên bản 15 với mô hình RE 4-1 và các mô
hình RE comb-4 và SRS w/comb-2. ................................................................. 69
Hình 3.10. Băng thông truyền dẫn lớn nhất và băng thông kênh. ...................... 73
Hình 3.11. Ví dụ về cấu trúc MAC NR. ........................................................... 74
Hình 3.12. Mô hình tổng quan của phân lớp RLC. ........................................... 75
Hình 3.13. Cấu trúc của lớp PDCP. .................................................................. 77
Hình 3.14. Chức năng của lớp PDCP. .............................................................. 77
Hình 3.15. Cơ cấu trạng thái UE và chuyển tiếp trạng thái giữa NR/5GC, E-
UTRA/EPC và UTRA/5GC.............................................................................. 79
vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Đa truy cập trong các thế hệ của các mạng tế bào khác nhau. ............. 4
Bảng 2.1: Sự so sánh của các yêu cầu IMT-2010 và IMT-2020. ....................... 29
Bảng 2.2: Các băng tần số 5G mới. .................................................................. 38
Bảng 3.1: Các số bộ số liệu NR Phiên bản 15. .................................................. 49
Bảng 3.2: Các định dạng PUCCH NR. ............................................................. 54
Bảng 3.3: Các định dạng DCI Phiên bản 15. .................................................... 62
Bảng 3.4: Các loại cận cùng vị trí trong NR. .................................................... 68
Bảng 3.5: Các định nghĩa phép đo RRM. ......................................................... 70
Bảng 3.6: Các băng tần số hoạt động của Phiên bản 16 NR trong FR1. ............ 71
Bảng 3.7: Các băng tần số hoạt động của Phiên bản 16 NR trong FR2. ............ 72
viii
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU .................................................................................................. 1
Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG TẾ BÀO .................... 3
1.1 Giới thiệu .................................................................................................. 3
1.2 Thông tin di động tế bào: Nhập môn ......................................................... 4
1.2.1 Sự phát triển của công nghệ di động .................................................... 7
1.2.2 Hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất ........................................................... 8
1.2.3 Các hệ thống tế bào thế hệ thứ hai ..................................................... 10
1.2.4 Các hệ thống tế bào thế hệ thứ ba ...................................................... 13
1.2.5 Các hệ thống tế bào thế hệ thứ tư....................................................... 19
1.3 Kết luận chương 1 ................................................................................... 25
Chương 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG 5G ...................................................... 26
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
2.3.1 Massive MIMO ................................................................................. 30
2.3.2 Kết nối mạng bằng phần mềm ........................................................... 32
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
2.6 Công nghệ đa truy cập từ 1G đến 5G ....................................................... 40
2.7 Đa truy cập không trực giao là gì? ........................................................... 42
2.8 Kết luận chương 2 ................................................................................... 44
Chương 3 MẠNG TRUY CẬP VÔ TUYẾN MỚI NR ................................. 45
3.1 GIỚI THIỆU ........................................................................................... 45
3.2 LỚP VẬT LÝ .......................................................................................... 47
3.2.1 Cấu trúc khung và tài nguyên ............................................................ 48
3.2.2 Kênh và tín hiệu đường lên................................................................ 51
3.2.3 Kênh và tín hiệu đường xuống ........................................................... 59
3.2.4 Giám sát liên kết vô tuyến và các phép đo đạc................................... 67
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
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 82
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 hơnSự 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 Tài nguyên Ví dụ đáng
Thế hệ tế bào Kỹ thuật MA
song công vật lý chú ý
1G FDMA FDD Tần số AMPS, NMT
Các khe thời
2G TDMA FDD GSM, IS-54
gian
Các khe thời
3G CDMA FDD/TDD gian/Các mã WCDMA
PN
Thời gian/tần
4G OFDMA FDD/TDD LTE, LTE-A
số
Thời gian/tần
5G OFDMA FDD/TDD 5G-NR
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.
8
TDMA (đa truy cập phân chia theo thời gian)
Việc bù (cân bằng) nhiễu xuyên symbol là cần thiết
Sử dụng các băng bảo vệ trong miền thời gian cho phép sự biến thiên độ
trễ thời gian của truyền dẫn UL
Đồng bộ hóa các khe thời gian trên tất cả mục đích sử dụng là rất quan
trọng để không phá hủy nguyên tắc OMA
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn.
CDMA (đa truy cập phân chia theo mã)
Sử dụng toàn bộ băng thông cùng lúc bằng cách sử dụng mã trải phổ
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn.
OFDMA (đa truy cập phân chia theo tần số trực giao)
Gán nhiều sóng mang con khác nhau cho nhiều người dùng khác nhau (tại
các khe thời gian khác nhau)
Số lượng tài nguyên trực giao hữu hạn.
Phổ tần là rất có giá trị đối với các nhà khai thác và vẫn cần thiết để đáp
ứng thông lượng hệ thống và người dùng tăng lên. Có một phong trào toàn
ngành công nghiệp là không chỉ sử dụng phổ tần được cấp phép truyền thống,
mà còn sử dụng phổ không được cấp phép (theo truyền thống được sử dụng bởi
các thiết bị WiFi) và phổ dùng chung bất cứ khi nào có thể.
1.2.2 Hệ thống tế bào thế hệ thứ nhất
Hệ thống di động thế hệ đầu tiên (1G) cho phép liên lạc bằng giọng nói và
hỗ trợ người dùng di động khi một cuộc gọi tiếng nói sẽ “chuyển giao” cho trạm
gốc (hoặc tế bào) khác khi người dùng di động đi qua môi trường tế bào một
cách vật lý. Công nghệ được sử dụng là điều chế tần số (FM) tương tự và phổ
được chia thành các phân đoạn 30 kHz gọi là các kênh. Một người dùng sử dụng
toàn bộ kênh trong suốt thời gian của cuộc gọi. Hệ thống này được gọi là dịch
vụ điện thoại di động tiên tiến (AMPS).
Để hỗ trợ vùng phủ sóng rộng, kỹ thuật tái sử dụng tần số đã được giới
thiệu. Đồng thời các kênh cùng tần số được phép tái sử dụng bởi những người
9
dùng khác, với điều kiện là khoảng cách đủ lớn để gây nhiễu tối thiểu. Nhiễu
này được gọi là nhiễu đồng kênh hoặc nhiễu giữa các tế bào.
Trong nỗ lực tăng tổng dung lượng hệ thống, một công nghệ mới đã được
giới thiệu gọi là AMPS băng hẹp (N-AMPS). Khoảng cách kênh được giảm
xuống còn 10 kHz. Tương tự, trong nỗ lực giới thiệu các dịch vụ dữ liệu (không
được hỗ trợ trong AMPS), dữ liệu gói số di động đã được đề xuất sử dụng các
kênh tần số khi người dùng thoại không có mặt. Tuy nhiên, người ta đã nhanh
chóng xác định rằng cần có một mạng tích hợp không dây thoại và dữ liệu để
cung cấp hiệu quả các dịch vụ đó.
Một kiến trúc mạng tế bào điển hình cho 1G được thể hiện trong Hình 1.4.
Trong đó một tế bào được ký hiệu là hình lục giác. Để có thể tăng dung lượng,
các tế bào có thể được chia thành các tế bào nhỏ hơn được gọi là các khu vực.
Vị trí chuyển mạch điện thoại di động (MTSO) kết nối với các trạm thu phát gốc
(BTS) và mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN). Nó cũng xử lý việc
chuyển giao, định tuyến cuộc gọi, đăng ký, xác thực, v.v ... Đây là mạng dựa
trên dựa trên chuyển mạch kênh (CS). Mạng sử dụng phổ tần được cấp phép để
cung cấp các dịch vụ thoại được các nhà khai thác mua từ các cơ quan quản lý
có liên quan.
Hình 1.4. Sơ đồ khối kiến trúc mạng 1G.
Các tiêu chuẩn tế bào tương tự 1G đã triển khai trên toàn cầu được liệt kê dưới
đây. Cần lưu ý rằng một tiêu chuẩn toàn cầu duy nhất đã không tồn tại.
Các dịch vụ điện thoại di động tiên tiến (AMPS) dựa trên US
10
Điều chế FM tương tự, song công FDD, đa truy cập dựa trên FDMA
Hỗ trợ N-AMPS cho băng tần hẹp, băng thông kênh bị giảm từ 30 xuống
10 kHz.
Điện thoại di động Bắc Âu (NMT) - Các nước Bắc Âu
Điều chế FM tương tự, song công FDD, đa truy cập dựa trên FDMA
Băng thông kênh phụ thuộc vào dải tần được triển khai: 25 kHz hoặc 12.5
kHz.
Hỗ trợ chuyển vùng ở các nước châu Âu.
Hệ thống thông tin truy cập toàn bộ (TACS) ở Anh
Sự biến thể cho Nhật Bản thì có sẵn (J-TACS)
Điều chế FM tương tự, song công FDD, đa truy cập dựa trên FDMA
Băng thông kênh 30 kHz.
1.2.3 Các hệ thống tế bào thế hệ thứ hai
Các hệ thống tế bào di động thế hệ thứ hai (2G) đã được tạo ra để mở rộng
dung lượng sử dụng giọng nói cũng như cung cấp khả năng tích hợp dữ liệu đa
dịch vụ. Công nghệ chuyển từ tương tự sang điều chế số. Sự chuyển đổi này cho
phép kỹ thuật thông tin thoại có chất lượng tốt hơn thông qua sử dụng bộ mã hóa
tiếng nói (bộ ghi mã tiếng nói), hỗ trợ dịch vụ dữ liệu, ban đầu thông qua dịch
vụ nhắn tin ngắn (SMS), cho phép mật mã hóa để hỗ trợ bảo mật và tăng dung
lượng hệ thống.
Thế hệ này đã tạo ra sự thay đổi từ FDMA sang TDMA và CDMA. Đây là
những khoảng thời gian rất thú vị mà...ng lớp DL trên mỗi người dùng là 8. Độ phức tạp triển khai liên quan đến
việc triển khai massive MIMO trong miền số có ý nghĩa. Chùm tia lai đã được
đưa ra để cung cấp một sự thỏa hiệp về hiệu suất/khả năng với độ phức tạp.
Điều này mang đến một câu hỏi: Giả sử số lớp tối đa là 8 thì có thể làm gì
với các mức độ tự do còn lại? Một số có thể được sử dụng để tạo (hoặc định
hình) chùm và một số được sử dụng để ghép kênh người dùng khác qua mảng
ăng ten. Và được gọi là MIMO nhiều người dùng (MU-MIMO). Ở đây, nhiều
người dùng truyền tải và truyền dẫn các tập hợp của họ được xử lý như là họ đến
từ một nguồn ghép kênh duy nhất. Các trọng số chùm tia có thể tạo ra một chùm
tia theo phương vị và hướng độ cao.
Khi xem xét chùm tia, tăng ích mảng có thể được sử dụng theo nhiều cách
khác nhau. Nó có thể được sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng, giảm công suất
32
phát của các thiết bị trên UL, cải thiện tỷ lệ nhiễu tín hiệu trên nhiễu tạp âm
(SINR) dẫn đến thông lượng người dùng cao và giảm công suất truyền trên DL
do đó cải thiện hiệu quả công suất trên toàn bộ.
Số lượng phần tử ăng ten cần thiết phụ thuộc vào một vài yếu tố:
Tăng ích của mảng (vùng phủ sóng, giảm công suất, v.v.)
Các lớp ghép kênh cần thiết
Nhiều người dùng dự kiến sẽ được phục vụ
Dải tần số được sử dụng
Độ phức tạp xử lý tín hiệu (ước tính CSI, tương tự so với miền số, v.v.)
Tăng hiệu suất hệ thống (SINR, dung lượng, tốc độ dữ liệu, v.v.).
Một trong những lợi ích của việc sử dụng nhiều kỹ thuật ăng ten là sự giảm
đáng kể trong sự thay đổi kênh. Điều này rất quan trọng trong việc chống lại pha
đinh đa đường và để làm giảm đáng kể các thay đổi của kênh cần ít nhất 64 ăng
ten trong mảng ăng ten. Nhiều trường hợp triển khai 5G được đưa ra bởi 3GPP
có các trường hợp sử dụng khác nhau cho các dịch vụ eMBB, uRLLC và
mMTC. Trong các trường hợp triển khai này, số lượng ăng ten DL và UL tối đa
được tìm hiểu là 256 và 32.
2.3.2 Kết nối mạng bằng phần mềm
Các chức năng mạng ảo (NFV) và kết nối mạng bằng phần mềm (SDN)
đang hỗ trợ việc chuyển sang mạng tập trung vào phần mềm. Các khả năng này
cung cấp những cải tiến kỹ thuật thiết thực (ở dạng hiệu suất hệ thống) và tài
chính (ở dạng CAPEX và OPEX) cho các nhà mạng. Sự phát triển này cung cấp
cho các nhà khai thác mạng những lợi ích to lớn như: một phương tiện dễ quản lý
hơn để giám sát mạng, hỗ trợ tốt hơn cho các tính năng mới, sự di chuyển của
mạng, v.v. Tuy nhiên, nó cũng mở ra cơ hội cho những người chơi thị trường mới
(như gã khổng lồ dịch vụ Internet, nhà cung cấp dịch vụ cáp, v.v.) những người
muốn thiết lập sự hiện diện của mạng không dây. Việc áp dụng ban đầu là ảo hóa
các chức năng quan trọng ít thời gian hơn, chẳng hạn như trong EPC (còn gọi là
vEPC) và sau đó chuyển xuống ngăn xếp phần mềm giao thức về phía lớp vật lý.
33
Việc chuyển sang SDN cho phép các nhà khai thác mạng trở nên chủ động
trong việc triển khai các trường hợp sử dụng khác nhau. Một lợi ích được gọi là
lát cắt mạng. Ở đó, mạng sẽ có thể tự động kết hợp các chức năng truy cập và
các chức năng mạng lõi cần thiết để đáp ứng các yêu cầu ở trường hợp sử dụng
cụ thể (độ trễ, băng thông, v.v.). Một xu hướng đã bắt đầu trong 4G khi có một
bộ dịch vụ đa dạng đã xuất hiện và 3GPP đang giải quyết nhu cầu này như là
một phần của sự phát triển của LTE. Chúng ta mong muốn nhu cầu này sẽ tăng
và tiếp tục tạo ra các yêu cầu đa dạng hơn. Kiến trúc mạng LTE (theo khái niệm
của nó) được gọi là đơn khối và cần phải linh hoạt hơn và có thể mở rộng khi
giới thiệu dịch vụ 5G. Lát cắt mạng là một kỹ thuật được đề xuất để hỗ trợ các
trường hợp sử dụng rộng rãi này.
Lát cắt mạng tạo ra các kiến trúc mạng ảo dựa trên các nguyên tắc SDN và
NFV. Các mạng ảo (hoặc lát) này được tạo ở trên hạ tầng vật lý được chia sẻ
chung và có thể được tối ưu hóa để đáp ứng các yêu cầu của các ứng dụng, các
dịch vụ hoặc các nhà khai thác. Các mạng ảo bao gồm một tập hợp các chức
năng mạng được khởi tạo để cung cấp một mạng logic (hoặc ảo) hoàn chỉnh từ
đầu đến cuối để đáp ứng các yêu cầu hiệu suất được đặt ra. Ví dụ, kỹ thuật thông
tin mMTC phụ thuộc vào dung lượng người dùng và không cần độ trễ phải thấp,
trong khi xe tự lái phụ thuộc vào độ trễ thấp và không cần phải yêu cầu dịch vụ
eMBB thông lượng cao nhất.
Mạng đường trục
Hình 2.4. Ví dụ về một phần mạng hỗ trợ dịch vụ uR-LLC, eMBB và mMTC.
Hình 2.4 cung cấp ví dụ sơ đồ khối làm thế nào để mạng có thể được cắt để hỗ
trợ các dịch vụ 5G khác nhau được đưa ra ở trên.
34
2.3.3 Điện toán cạnh đa truy cập
Để hỗ trợ các yêu cầu về độ trễ thấp hơn, chỉ tối ưu hóa trong giao diện vô
tuyến 5G là không đủ mà chúng ta cần phải tối ưu hóa mạng. Điện toán cạnh đa
truy cập (MEC) là một phương pháp dịch chuyển các chức năng trung tâm của
mạng lõi hoặc trung tâm dữ liệu gần với cạnh của mạng (về phía ăng ten), nơi
mà dữ liệu sẽ được vận hành theo. Phương pháp này được thể hiện bằng cách sử
dụng nguyên tắc dịch chuyển, độ trễ từ đầu đến cuối của người dùng có thể được
giảm đáng kể. Ngoài ra, lưu lượng đường trục cũng có thể được giảm đi vì các
dung lượng đường trục đã được giảm đáng kể bởi điều này.
MEC cho phép khả năng điện toán đám mây nằm trong mạng truy cập gần
với các thiết bị người dùng hơn. Điều này cũng được hỗ trợ bởi điện toán sương
mù. Cạnh của mạng được coi là ăng ten trong các đầu vô tuyến từ xa (RRH)
được kết nối với mạng truy cập vô tuyến (RAN). Có một số lý do để thực hiện
tính toán khả năng ở rìa của mạng. Lý do quan trọng nhất là để giảm độ trễ
(hoặc độ trễ) mà ứng dụng di động gặp phải khi cố gắng kết nối với máy chủ.
Điều này giúp loại bỏ thời gian một gói cần vào mạng không dây trước khi được
thực hiện. Máy chủ MEC càng ở gần rìa thì độ trễ mà các ứng dụng gặp phải
càng nhỏ. Ví dụ về độ trễ dự kiến là: độ trễ < 1 ms là cần thiết để hỗ trợ robot
công nghiệp và ứng dụng lái xe tự động, độ trễ < 10 ms là cần thiết để hỗ trợ các
ứng dụng thực tế được tăng cường và độ trễ < 100 ms là cần thiết để hỗ trợ các
ứng dụng lái xe được hỗ trợ.
Hình 2.5 cho thấy khái niệm phân phối chức năng thường được đặt trong
mạng lõi và trung tâm dữ liệu (điện toán đám mây) đến cạnh (điện toán sương
mù). Bên cạnh độ trễ ứng dụng thấp hơn, chúng ta cũng có thể thấy được lưu
lượng đường trục thấp hơn bằng việc không gửi cùng lúc các gói lớn vào mạng
cần xử lý và sau đó gửi tất cả các đường trở lại đến cạnh.
MEC sẽ thực hiện chức năng tính toán và lưu trữ với một số mục tiêu của
thị trường để triển khai MEC là:
Giảm tổng chi phí sở hữu (OPEX và CAPEX)
35
Tăng doanh thu bằng cách cung cấp khả năng tạo ra các dịch vụ mới sử dụng
công nghệ mới, chẳng hạn như trí thông minh nhân tạo, mạng phân phối nội
dung, v.v.
Di chuyển tự nhiên khi ảo hóa tạo ra mạng truy cập (cạnh và sương mù)
Cải thiện hiệu suất (độ trễ thấp hơn, giảm lưu lượng tái sinh).
Hình 2.5. Sơ đồ mạng thể hiện chức năng điện toán phân tán đối với cạnh.
Vậy tại sao các cạnh mạng cần phải ở ăng ten? Chúng ta nên tránh xa các
quan điểm đen trắng của mạng/thiết bị (còn được gọi là chế độ xem trung tâm tế
bào) sang chế độ xem nhiều màu sắc hơn (còn được gọi là chế độ xem lấy người
dùng làm trung tâm) trong đó cạnh bị mờ hơn. Nhiều báo cáo thể hiện là tổng số
thiết bị không dây dự kiến sẽ lớn hơn 20B thiết bị trong khoảng thời gian 2025.
Chúng ta cần biết rằng số lượng thiết bị đang vượt quá số người trên thế giới.
Ngoài ra, do hiệu năng tính toán của các thiết bị (cầm tay, máy tính xách tay,
v.v.) ngày càng trở nên phức tạp và có khả năng hơn thì các thiết bị có thể được
coi là một phần mở rộng của mạng, hay nói cách khác là cạnh mạng.
2.3.4 Sự phân chia RAN
Công nghệ đi đầu được triển khai phổ biến nhất và công nghệ truyền thống
dựa trên sợi sử dụng giao thức giao diện vô tuyến chung (CPRI). CPRI mang
các mẫu IQ giữa RAN và RRHs. Các khả năng CPRI đang được nhấn mạnh để
hỗ trợ sự phát triển của LTE, đặc biệt là khi cần triển khai CA và massive
MIMO. Thách thức này là do băng thông lớn hơn được yêu cầu để vận chuyển
các mẫu dạng sóng IQ đến RRH và chỉ trở nên phức tạp hơn khi 5G bắt đầu
36
tham gia. Do đó, công nghệ đi đầu thế hệ tiếp theo là cần thiết để hỗ trợ các dịch
vụ 5G đang mong đợi.
Có một vài giải pháp ở tuyến trước: Một giải pháp là chuẩn hóa một giao
thức khác có thể sử dụng các công nghệ băng thông cao hơn như giao thức dựa
trên Ethernet (ví dụ: 25, 100 GB) trong khi giải pháp còn lại là sử dụng các tùy
chọn phân tách RAN khác nhau (với yêu cầu băng thông thấp hơn). Một vài tùy
chọn phân tách RAN tồn tại (được đề xuất bởi 3GPP) có thể làm giảm các yêu
cầu băng thông phía trước cũng như độ trễ và hiệu suất lựa chọn một cách có
khả năng.
Một tùy chọn phân tách RAN vận chuyển các symbol được điều chế là một
điểm trong chuỗi xử lý trước khi được chuyển đổi sang miền thời gian bằng hoạt
động IFFT ở phía phát. Tốc độ lấy mẫu miền tần số thấp hơn nhiều, do đó cho
phép nhiều sự kết hợp nhiều sóng mang-anten hơn. Kỹ thuật này vẫn duy trì khả
năng xử lý tập trung để cho phép lập lịch phức tạp hơn giữa các tế bào. Một tùy
chọn phân tách RAN khác vận chuyển các gói dữ liệu người dùng, ví dụ các gói
PDCP. Các gói này đã được nén và mã hóa và bảo vệ đúng cách để giải quyết
bất kỳ vấn đề liên quan bảo mật. Việc này dẫn đến tốc độ dữ liệu thấp hơn nhiều
nhưng lại mất khả năng xử lý tập trung.
Ngoài việc phân tách các chức năng RAN, các mặt phẳng điều khiển và
người dùng đang dịch chuyển để có thể tách rời cho phép tốc độ có thể phát
triển riêng biệt, độ trễ thấp hơn và hỗ trợ các trường hợp triển khai mới. Ví dụ,
điều này sẽ cung cấp khả năng có một mặt phẳng điều khiển được cung cấp bởi
một macrocell LTE diện rộng trong khi mặt phẳng người dùng được cung cấp
bởi một tế bào nhỏ 5G. Hệ thống tế bào 5G cũng sẽ dựa trên OFDMA trong đó
các khe thời gian được xác định là biến để xử lý các yêu cầu khác nhau trên tất
cả các dịch vụ dự kiến. Như đã thấy trong 4G, phổ tần là cực kỳ quan trọng để
cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn. Các tham số OFDMA (khoảng cách giữa sóng
mang con, độ dài khe thời gian, kích thước IFFT/FFT, v.v.) đã được tạo ra để có
thể hỗ trợ các triển khai phổ tần khác nhau.
37
2.4 Dải sóng mm và phổ tần 5G
LTE có băng thông tối đa 20 MHz do tốc độ dữ liệu người dùng được thảo
luận trước đây đã tăng lên với việc sử dụng các lớp không gian HOM, MIMO và
kỹ thuật CA. Mặc dù các giải pháp hiện tại hỗ trợ tới 5 CA, điều nổi bật ở đây là
các thông số kỹ thuật LTE 3GPP có thể hỗ trợ tới 32 nhà mạng. Điều này có
nghĩa là nếu chúng ta bảo đảm sự phức tạp trong việc hỗ trợ nhiều nhà mạng thì
sẽ có rất nhiều chỗ để tăng thêm tốc độ dữ liệu. Trong nhiều trường hợp, các nhà
khai thác cần tổng hợp phổ tần được cấp phép và không được cấp phép (thông
qua truy cập được hỗ trợ giấy phép) để đạt tốc độ dữ liệu Gbps. Trên thực tế, băng
tần 46 (B46) có phổ tần là 5.15-5.925 GHz đã được xác định cho mục đích đó.
Hình 2.6. Sự xem xét băng tần 5G.
5G được xác định là có băng thông tối đa 100 MHz cho các dải tần số dưới 6
GHz. Cần lưu ý rằng băng thông lớn mang lại tốc độ dữ liệu cao, nhưng băng thông
thấp hơn cũng có thể cung cấp dịch vụ 5G. Điều này cùng với việc phân bổ phổ tần
phân mảnh là một lý do để hỗ trợ nhu cầu về tính linh hoạt trong các tham số
OFDMA đã thảo luận ở trên. Một tùy chọn khác bên cạnh việc sử dụng phổ tần
được cấp phép và không được cấp phép (5-5.9, 64-71 GHz) là sử dụng phổ tần dịch
vụ vô tuyến băng rộng của băng dân sự (CBRS). Phạm vi phổ tần CBRS là 3.55-
3.7 GHz (tổng băng thông 150 MHz) và được điều chỉnh bởi khung ủy quyền phổ
ba tầng để phù hợp với người dùng trên cơ sở chia sẻ với người dùng liên bang và
38
không liên bang của băng tần này. Một bản tóm tắt các mục cần được xem xét khi
sử dụng các dải tần 5G được thể hiện trong Hình 2.6.
Trong các tần số mới này, có thể sử dụng tần số mới được hỗ trợ tập trung
vào việc triển khai TDD. Do đó, chúng ta không chỉ mong đợi tính khả dụng của
băng thông thay đổi ở các dải tần số thấp (< 1 GHz), trung bình (< 6 GHz) và
cao (> 6 GHz), mà chúng ta mong muốn phương pháp song công cũng thay đổi.
Một số nhà khai thác đang tập trung vào truy cập không dây để cung cấp
dịch vụ 5G tốc độ cao (khoảng 1Gb/giây) trong việc triển khai cáp/sợi thay vì
triển khai 5G ban đầu trong các dải sóng mm, ngoài ra còn hỗ trợ các ứng dụng
băng rộng di động. Cách tiếp cận này sẽ giúp phát triển hệ sinh thái dựa trên sóng
mm cho phép các công nghệ 5G được sử dụng với các thiết bị chạy bằng pin.
Các tập hợp phổ tần không đồng nhất được nghiên cứu cho đến nay cho
rằng phổ tần được cấp phép luôn được sử dụng, và đã có một sáng kiến hỗ trợ
các dịch vụ chỉ sử dụng phổ tần không được cấp phép (như WiFi ngày nay).
Liên minh MulteFire cho phép công nghệ LTE (và 5G) được sử dụng riêng (theo
cách độc lập) trong phổ tần dùng chung và không được cấp phép để cho phép
các dịch vụ riêng, kiến trúc mạng máy chủ trung lập, mạng công nghiệp, v.v.
Bảng 2.2: Các băng tần số 5G mới.
Băng tần ( 6 Băng thông >
Khu vực
GHz 6 GHz GHz) 6 GHz
Châu Âu 3.4-3.8 400 MHz 24.25-27.35 3.1 GHz
Trung Quốc 3.3-3.6 300 MHz
Nhật Bản 3.6-4.2 800 MHZ 27.5-29.5 2 GHz
Hàn Quốc 3.4-3.7 300 MHz 26.5-29.5 3 GHz
Mỹ 3.55-3.7 150 MHz 27.5-28.35 0.85 GHz
Phổ tần cho dịch vụ 5G sẽ là một thách thức. Một số dải tần số mới được
xem xét trong NR 5G theo vùng được thể hiện trong bảng 2.2. Các nhà khai thác
và nhà sản xuất thiết bị phải đối mặt với các tùy chọn khác nhau để xác định phổ
tần (tái canh, mua mới, đối tác, v.v.). Chúng ta thấy sự kết hợp hiệu quả (hướng
tới sự hài hòa toàn cầu) xoay quanh các dải tần số 3-4GHz trên toàn thế giới và
ở thời điểm này thì ít hơn ở Hoa Kỳ.
39
2.5 Thiết kế dạng sóng cho 5G
Như đã thảo luận trong mục 1.2.5, CP-OFDM có một số hạn chế nhất định
khiến nó không phải là dạng sóng phù hợp nhất cho tất cả các ứng dụng 5G. Tuy
nhiên, do những ưu điểm của nó và vì lý do tương thích ngược, OFDM vẫn sẽ là
dạng sóng chính cho các hệ thống 5G. Mặt khác, do những hạn chế của nó thì
một số sửa đổi nhất định đã được đề xuất trong đồ án để làm cho nó phù hợp với
ứng dụng 5G. Trong số những hạn chế này thì SCS cố định (trong 4G LTE), chi
phí CP và sự phát xạ OOB cao là quan trọng nhất.
Internet vạn vật (IoT) là đóng góp chính cho sự tăng trưởng theo cấp số
nhân của người dùng trong 5G. Các thiết bị IoT, ví dụ như các cảm biến thường
gửi các gói dữ liệu ngắn đơn lẻ và có công suất giới hạn. Mặt khác, đối với
eMBB thì một khối lượng dữ liệu lớn sẽ được truyền đi trong một khoảng thời
gian ngắn. Các đặc điểm khác nhau của các xung đột được vận chuyển làm cho
CP-OFDM với SCS cố định tạo thành một dạng sóng không chính xác. Đối với
các ứng dụng IoT, dạng sóng 5G được yêu cầu để hỗ trợ chế độ truyền với độ trễ
giao diện vô tuyến rất thấp được kích hoạt bởi các khung rất ngắn. Để cho phép
truyền độ trễ thấp thì cần có TTI rất ngắn, để truyền thông hiệu quả năng lượng
thì cần giảm thiểu thời gian của các thiết bị giá rẻ. Phát xạ OOB có thể được
giảm bằng cách áp dụng cửa sổ miền thời gian để làm trơn tru quá trình chuyển
đổi từ symbol này sang symbol khác.
Như đã thảo luận trước đó, các tham số OFDM đã được tạo ra để có thể hỗ
trợ việc triển khai phổ tần khác nhau. Đặc biệt, giá trị SCS hiện tại là 15, 30, 60,
120, 240 và 480 kHz. Kích thước FFT tối đa hiện được đặt thành 4096 và số
khối tài nguyên (RB) tối đa có thể được truyền cũng tăng lên đến 275 (hoặc
3300 sóng mang con). Bên cạnh những lợi thế triển khai phổ tần, các lựa chọn
này cũng cho phép truyền hiệu quả hơn. Ví dụ, trong LTE thì chúng ta sử dụng
18 MHz của phổ tần 20 MHz có sẵn, với việc áp dụng bộ số liệu mới, chúng ta
có khả năng sử dụng tới 99 MHz của phổ tần 100 MHz có sẵn. Khi xem xét một
ví dụ triển khai 100 MHz, một tập hợp các tham số có thể bao gồm SCS = 30
40
kHz và kích thước FFT = 4096 do đó dẫn đến tần số lấy mẫu là 122.88 MHz
(lớn hơn 4 lần so với LTE trong khi sử dụng phổ tần gấp 5 lần).
Việc có một hệ thống OFDMA linh hoạt là rất quan trọng để triển khai hiệu
quả một loạt các dịch vụ 5G. Dựa trên các đặc tính lan truyền, dự kiến các dải
tần số thấp hơn sẽ được sử dụng cho các triển khai trên diện rộng với SCS nhỏ
hơn và độ dài khung phụ lớn hơn, trong khi các dải tần số cao hơn dự kiến sẽ
được sử dụng cho các triển khai dày đặc với SCS lớn hơn và liên kết của chúng
nhỏ hơn thời gian khung con. Có thể thấy, khả năng triển khai này có thể dễ
dàng bắt nguồn từ một hệ thống số học linh hoạt. Để giảm phát xạ OOB, các
giải pháp dựa trên cửa sổ và lọc khác nhau được áp dụng cho OFDM. OFDM đã
lọc (F-OFDM), OFDM cửa sổ (còn được gọi là chồng lấn có trọng số hoặc
Wola-OFDM), OFDM được lọc phổ biến (UF-OFDM), các bộ lọc đa sóng mang
(FBMC) và các giải pháp khác đã được đề xuất cho dạng sóng mới trong 5G và
hơn thế nữa.
2.6 Công nghệ đa truy cập từ 1G đến 5G
Chúng ta hãy nhớ lại nhiều kỹ thuật đa truy cập được triển khai trong các
hệ thống tế bào cho đến nay. Ở thế hệ đầu tiên, các hệ thống tế bào đã sử dụng
FDMA trong đó dải tần số được chia thành các kênh tần số và người dùng được
chỉ định ở các kênh. Ở thế hệ thứ hai, TDMA và CDMA đã được sử dụng và
trong cả hai trường hợp, dải tần số được chia thành các kênh tần số nhỏ hơn.
Trong TDMA, độ dài thời gian mới được sử dụng làm tài nguyên (khe thời gian)
và trong CDMA, kích thước miền mã mới (chuỗi PN) đã được sử dụng. Độ phức
tạp của máy thu TDMA tăng theo cấp số nhân khi tốc độ dữ liệu được tăng lên,
thứ tự điều chế tăng và số lượng anten tăng. Ở thế hệ thứ ba, CDMA đã được
triển khai sử dụng băng thông lớn hơn và quan trọng hơn là đưa ra khái niệm về
kênh chia sẻ. Ở đây, tài nguyên vật lý được phân bổ cho người dùng là: khe thời
gian và mã PN. Độ phức tạp công nghệ CDMA tăng khi tốc độ dữ liệu tăng. Kết
quả là băng thông trải rộng WCDMA đòi hỏi mức tăng xử lý lớn hơn để có khả
năng triệt tiêu nhiễu liên đường hiệu quả.
41
Hình 2.7. Kỹ thuật thông tin đường lên và đường xuống.
Thế hệ thứ tư của các hệ thống tế bào đã triển khai OFDMA và giữ nguyên
khái niệm kênh chia sẻ. Ở đây, tài nguyên vật lý là các khe thời gian và sóng
mang con tần số. Công nghệ OFDMA duy trì tính khả dụng của tài nguyên và
giữ cho băng thông thông tin có sẵn ở giá trị mong muốn. Do việc sử dụng xử lý
tín hiệu miền tần số và tần số tuần hoàn, độ phức tạp của máy thu có thể quản lý
được. Đó cũng là một lý do tại sao thế hệ thứ năm đã quyết định tiếp tục với
OFDMA.
Hình 2.8. Miền tốc độ của hai người dùng DL và UL.
Hình 2.7 thể hiện sự khác biệt giữa các liên kết thông tin DL và UL. DL bắt
đầu với một tín hiệu chung được truyền đi bao gồm tổng của tất cả các UE trong
tế bào đó. Mỗi UE được đặt vật lý ở một vị trí tế bào khác nhau và do đó trải qua
quá trình pha đinh đa đường khác nhau, ký hiệu là hi. Mỗi UE có tạp âm cộng tính
riêng, ký hiệu là ni. UL bắt đầu với việc truyền tín hiệu riêng lẻ bị suy hao bởi pha
đinh khác nhau do các vị trí vật lý trong một tế bào. Những tín hiệu riêng lẻ này
được tổng hợp tại ăng ten thu trạm gốc, trong đó trạm gốc thêm tạp âm cộng tính.
Các vùng tốc độ của đa truy cập DL và UL được thể hiện trong Hình 2.8, cho các
42
trường hợp hai người dùng. Các phép đo so sánh OMA thì được thể hiện bằng
đường liền nét, còn sự chống lại mã hóa chồng chất thì được thể hiện bằng đường
đứt nét. Đường cong bên trái được sử dụng để thể hiện dung lượng DL còn đường
cong bên phải được sử dụng để thể hiện dung lượng UL.
2.7 Đa truy cập không trực giao là gì?
Trong một hệ thống đa truy cập trực giao (OMA), chẳng hạn như TDMA
và FDMA, sự phân bổ tài nguyên trực giao được sử dụng giữa những người
dùng để tránh nhiễu nội bào (giữa người dùng). Số lượng người dùng có thể
được hỗ trợ sau đó bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên trực giao có sẵn. Đa truy
cập không trực giao (NOMA) cho phép và sử dụng nhiễu nội bào trong phân bổ
tài nguyên của người dùng. Các kỹ thuật loại bỏ nhiễu, như sự loại bỏ nhiễu liên
tiếp (SIC) hoặc bộ tách nhiều người dùng (MUD) được sử dụng để giảm thiểu
nhiễu này. NOMA là một kỹ thuật đang được 3GPP xem xét trong Phiên bản 16.
Hình 2.9. Sự phân bố phổ và công suất của NOMA và OMA.
NOMA đề cập đến MA không trực giao có thể hỗ trợ nhiều người dùng
trong một tài nguyên và do đó có thể cải thiện thông lượng của người dùng và
toàn bộ hệ thống. Nó có thể được thực hiện trong miền công suất, miền mã hoặc
các miền khác.
Miền công suất NOMA khai thác sự khác biệt cường độ kênh giữa người
dùng và là kỹ thuật đa truy cập đạt được lưu lượng tối ưu trong mạng đơn bào,
được thể hiện trong Hình 2.7 và 2.8. Phân bổ phổ tần và công suất cho miền
công suất NOMA được so sánh bằng đồ họa với OMA trong Hình 2.9. Trong
các hệ thống dựa trên NOMA, hai người dùng có thể chia sẻ cùng một dải phổ
tần, trong đó mỗi người dùng có một công suất khác nhau được phân bổ cho nó.
43
Các sơ đồ NOMA miền mã thường khai thác các sơ đồ phát hiện đa
người dùng có độ phức tạp thấp. Đa truy cập mã thưa (SCMA), đa truy nhập
phân chia xen kẽ (IDMA) và phân tán mật độ thấp (LDS)-CDMA là những ví
dụ đáng chú ý của miền mã NOMA.
Một số lợi ích có thể có khi sử dụng NOMA là:
Kết nối lớn: Trong khi OMA bị giới hạn bởi số lượng tài nguyên trực giao
còn NOMA thì không. Về mặt lý thuyết, NOMA có thể hỗ trợ số lượng người
dùng không giới hạn.
Độ trễ thấp hơn: OMA chờ các khối tài nguyên có sẵn để truyền đi, được
thực hiện bằng cách chờ cấp quyền truy cập trong khi NOMA có thể hỗ trợ
truyền lịch biểu linh hoạt và truyền miễn phí.
Hiệu suất phổ tần được cải thiện (bps/Hz): Mỗi người dùng NOMA có thể
sử dụng toàn bộ băng thông, trong khi người dùng OMA có thể sử dụng một
lượng hạn chế. Tốc độ dữ liệu của người dùng được phân nhóm đúng có thể
được tăng lên khi so sánh với OMA.
Các thành phần hệ thống tế bào của NOMA là:
Nhóm nhiều người dùng, tức là quyết định những người dùng nào sẽ được
nhóm lại với nhau để triển khai NOMA.
Phân bổ tài nguyên (công suất, mã, v.v.), ví dụ đối với trường hợp NOMA
miền công suất, người dùng có chênh lệch công suất lớn là thuận lợi.
Các kỹ thuật khử nhiễu SIC hoặc MUD để loại bỏ sự thêm vào NOMA
được điều khiển.
Với SIC hoặc MUD, NOMA có thể hỗ trợ khái niệm đa truy cập này.
Chúng ta hy vọng sẽ hỗ trợ sự tăng lên theo cấp số nhân về dung lượng hệ
thống và thông lượng người dùng trong các hệ thống tương lai. Lượng tăng
lên này đưa ra những thách thức buộc chúng ta phải nghiên cứu các giải pháp
mới. Sự lựa chọn của công nghệ truy cập vô tuyến đóng một vai trò quan
trọng. NOMA là một lựa chọn đề xuất để giải quyết các nhu cầu hệ thống
trong tương lai.
44
2.8 Kết luận chương 2
Trong chương này, chúng ta tìm hiểu tổng quan mạng tế bào 5G ở các khía
cạnh khác nhau. Một sự nhấn mạnh đặc biệt đã được đặt vào các kỹ thuật đa truy
cập trực giao và không trực giao và kiến trúc mạng trong các thế hệ công nghệ tế
bào khác nhau. Yêu cầu IMT-2020 cho 5G bao gồm tăng băng thông rộng di
động, kỹ thuật thông tin từ máy cỡ lớn đến máy và độ tin cậy cao và kỹ thuật
thông tin với độ trễ thấp đã được thảo luận và các sửa đổi có thể có, chẳng hạn
như OFDM linh hoạt, cần thiết để giải quyết các yêu cầu này đã được xem xét.
Một vài thành phần kỹ thuật chính cho mạng không dây 5G, bao gồm massive
MIMO, RAN và SDN, đã được giải quyết. Các ưu điểm và vấn đề của CP-
OFDM đã được liệt kê và hướng khả thi cho thiết kế dạng sóng mới đã được
vạch ra.
45
Chương 3
MẠNG TRUY CẬP VÔ TUYẾN MỚI NR
3.1 GIỚI THIỆU
Chương này giới thiệu mạng truy cập vô tuyến mới NR (RAN), đảm
nhiệm phát qua không khí và thu thông tin mặt phẳng người dùng (tức là dữ
liệu) và mặt phẳng điều khiển (tức là quản lý thiết bị và các thông số bảo
mật). Các thực thể RAN chính là những thiết bị người dùng (UEs) và các nút
truy cập vô tuyến thế hệ tiếp theo (NG-RAN) hoặc các trạm gốc. Nút NG-
RAN là một NodeB mở rộng (gNB), để kết cuối giao thức mặt phẳng người
dùng NR và mặt phẳng điều khiển đối với UE hoặc ng-eNB, kết cuối giao
thức mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng người dùng truy cập vô tuyến mặt
đất phổ biến (E-UTRA) về phía UE. Phần còn lại của chương này tập trung
vào gNB NR, các chức năng khác của gNB bao gồm quản lý tài nguyên vô
tuyến (RRM), lập lịch và truyền dẫn tìm gọi và thông tin hệ thống, phát hành
và thiết lập kết nối, tương tác với E-UTRA, điều khiển di động, v.v.
Cả mặt phẳng người dùng NR và mặt phẳng điều khiển NR đều có một
ngăn xếp giao thức mô-đun, tương tự như LTE. Ngăn xếp giao thức lớp 2 cho
mặt phẳng người dùng NR được thể hiện trong Hình 3.1 (a) và bao gồm các
(phân) lớp và chức năng sau:
Giao thức tương thích dữ liệu dịch vụ (SDAP): Thực hiện ánh xạ giữa một
luồng chất lượng dịch vụ (QoS) và thiết bị mang dữ liệu vô tuyến.
Giao thức hội tụ dữ liệu gói (PDCP): Đánh số thứ tự, nén/giải nén tiêu đề,
mã hóa và bảo vệ tính toàn vẹn.
Điều khiển kết nối vô tuyến (RLC): Đánh số thứ tự, phân đoạn và ghép
đoạn.
Điều khiển truy cập môi trường (MAC): Ánh xạ các kênh logic để truyền
các kênh và thực hiện sửa lỗi thông qua yêu cầu phát lại tự động lai (HARQ).
Lớp vật lý: Truyền dẫn và tiếp nhận qua không khí. Ngăn xếp giao thức mặt
phẳng điều khiển được thể hiện trong Hình 3.1 (b) và bao gồm:
46
Giao thức kiểm soát tầng không truy cập (NAS): Xác thực, quản lý di
động và kiểm soát bảo mật.
Điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC) lớp 3: Thiết lập kết nối RRC, chức
năng di động và khôi phục lỗi liên kết vô tuyến
Các lớp PDCP, RLC, MAC và PHY.
Hình 3.1. (a): Ngăn xếp giao thức mặt phẳng người dùng NR, và (b): Ngăn xếp
giao thức mặt phẳng điều khiển.
Hình 3.2. Ví dụ về luồng dữ liệu.
Ở phía phát, mỗi lớp nhận một đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU) từ một
phân lớp cao hơn được xử lý, nối với các tiêu đề và được chuyển dưới dạng
một đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) cho phân lớp bên dưới và ngược lại khi
nhận, được thể hiện trong Hình 3.2. Lớp SDAP là mới so với LTE, nó nhận
các gói IP để tạo PDU dựa trên các yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS).
PDU MAC khi được chuyển đến lớp vật lý cũng được gọi là một khối vận
chuyển (TB). Phần còn lại của chương này mô tả các chức năng chính của Phiên
bản 15 và các đặc tính thiết kế của từng lớp giao thức trên. Lớp vật lý NR tại giao
47
diện vô tuyến cho cả hai hướng đường xuống và đường lên được đề cập trong
mục 3.2, sau đó là tổng quan ngắn gọn về các khía cạnh tần số vô tuyến trong
mục 3.3.
Tiếp theo là lớp MAC trong mục 3.4, lớp RLC trong mục 3.5, lớp PDCP và
SDAP trong mục 3.6, lớp RRC trong mục 3.7. Mục 3.8 là kết luận của chương.
3.2 LỚP VẬT LÝ
Trước khi đi sâu vào chi tiết của các kênh và tín hiệu của lớp vật lý khác
nhau thì chúng ta nên xem xét một quy trình bậc cao để xem các phần khác nhau
kết hợp với nhau như thế nào. Một ví dụ phù hợp là quy trình truy cập ngẫu nhiên
để truy cập ban đầu. Một UE thực hiện quy trình này khi nó cố gắng kết nối với
một tế bào NR độc lập trong lần đầu tiên sau khi được bật nguồn và có thể được
tóm tắt là:
UE điều chỉnh kênh tần số vô tuyến (RF) cụ thể và tìm kiếm một tế bào để kết
nối. Dải tần số của kênh RF (tức là dưới hoặc trên 24 GHz) xác định phạm vi
của RF và các tham số lớp vật lý được UE giả định cho tìm kiếm tế bào của nó.
UE tìm kiếm khối dãy đồng bộ (SSB) xác định tế bào của gNB nằm trên lưới
đồng bộ. Việc này thường liên quan đến việc vận hành một bộ tương quan cho
các mẫu tín hiệu đồng bộ chính (PSS) tương tự như LTE.
Sau khi phát hiện PSS theo sau là tín hiệu đồng bộ hóa thứ cấp (SSS), UE giả
định rằng nó đã định vị SSB và thực hiện giải mã kênh quảng bá vật lý (PBCH)
đường xuống liên kết với sự trợ giúp của tín hiệu tham chiếu giải điều chế
(DMRS) PBCH.
Việc đọc khối thông tin chính (MIB) trong tải PBCH dẫn UE đến thông tin
hệ thống tối thiểu còn lại (RMSI) được lập lịch bởi một không gian tìm kiếm
kênh điều khiển đường xuống vật lý (PDCCH) loại 0 và được vận chuyển trên
kênh chia sẻ đường xuống vật lý (PDSCH). RMSI chứa thông tin hệ thống
cần thiết để thực hiện việc truyền dẫn truy cập ngẫu nhiên trên đường lên.
UE có thể đo các SSB bổ sung (nếu được truyền) để xác định SSB nào (tương
đương, chùm tia đường xuống) có chất lượng tốt nhất (ví dụ: công suất nhận cao
48
nhất). Sau đó UE suy ra tài nguyên truy cập ngẫu nhiên nào để sử dụng do sự
tương thích giữa chất lượng SSB và tài nguyên truy cập ngẫu nhiên, do nhiều
hướng chùm tia có thể được sử dụng trong phổ tần sóng milimet.
UE truyền một đoạn mở đầu truy cập ngẫu nhiên trên kênh truy cập ngẫu
nhiên vật lý (PRACH) để thông báo gNB về sự hiện diện của nó. Nếu PRACH
được phát hiện, gNB lập lịch phản hồi thông qua PDCCH và cung cấp cho UE
với sự cho phép lập lịch đường lên đầu tiên của nó.
UE phát một yêu cầu kết nối trên kênh chia sẻ đường lên vật lý (PUSCH) theo
sự cho phép đường lên. gNB giải mã PUSCH với sự hỗ trợ của DMRS UL liên
quan.
Khi yêu cầu kết nối được chấp nhận và quy trình truy cập ngẫu nhiên hoàn tất,
UE bắt đầu giám sát PDCCH cho DL và UL lập lịch và thực hiện các phép đo
được cấu hình dựa trên tín hiệu tham chiếu DL (như tín hiệu tham chiếu thông
tin trạng thái kênh (CSI-RS)) cho tế bào dịch vụ của nó và tế bào lân cận. Kết
quả về các phép đo này hỗ trợ gNB với việc điều chỉnh liên kết và quản lý di
động.
Mỗi kênh và tín hiệu trên được mô tả chi tiết trong phần còn lại của phần này.
3.2.1 Cấu trúc khung và tài nguyên
Ghép kênh phân chia tần số trực giao theo tiền tố vòng (CP-OFDM) được
chọn làm dạng sóng NR sau một nghiên cứu toàn diện trong Phiên bản 14. Một
lý do là ở tần số dưới 7 GHz, CP-OFDM ...ho PDSCH trong một tế bào
1_1 Lập lịch cho PDSCH MIMO trong một tế bào
2_0 Cho biết định dạng khe của một nhóm UEs
Cho biết symbol(s) và PRB(s) của một nhóm tế bào nơi
2_1
mà UE có thể giả sử việc truyền dẫn là dành cho UE
2_2 Truyền dẫn các lệnh TPC cho PUCCH và PUSCH
Truyền dẫn một nhóm các lệnh TCP cho truyền dẫn SRS
2_3
bằng một UE hoặc nhiều hơn.
Sự chuyển đổi giữa các loại phân bố có thể được thực hiện thông qua DCI
nếu được đảm bảo. Tương tự như phân bố tần số PUSCH, loại 0 truyền tải một
ánh xạ bit cho biết nhóm khối tài nguyên DL (RBG) được phân bố để lập lịch
với một bit cho mỗi RBG (một RBG bao gồm từ 2 đến 16 RB tùy thuộc vào
kích thước BWP). Trong loại 1, giá trị chỉ số tài nguyên (RIV) truyền tải một
63
khối tài nguyên ảo DL bắt đầu và độ dài theo các VRB xen kẽ hoặc không xen
kẽ được phân bố liên tiếp. Do đó, NR loại 0 tương tự như phân bổ DL loại 0
LTE, trong khi NR loại 1 tương ứng với phân bổ DL loại 2 LTE.
Phân bố tài nguyên trên miền thời gian của PDSCH tương tự như phân bố cho
PUSCH. DCI biểu thị khe, chỉ số bắt đầu và độ dài SLIV trong khe đó hoặc trực
tiếp là symbol bắt đầu S và độ dài phân bố L trong các symbol liên tiếp bắt đầu từ
S, trong đó một sư bù khe K0 từ khe mang DCI được sử dụng để trỏ đến khe
PDSCH. Bốn bit trong phép gán miền thời gian trong DCI được sử dụng để trỏ đến
một chỉ số hàng của bảng mặc định hoặc được cấu hình để truyền tải thông tin bù
khe K0, SLIV hoặc (S, L) và loại ánh xạ PDSCH (loại A hoặc loại B). Loại ánh xạ
PDSCH xác định symbol bắt đầu S cũng như vị trí của các symbol DM-RS.
gNB có thể ưu tiên truyền dẫn PDSCH đang hoạt động đến một UE với
truyền dẫn nhạy cảm với trễ tới một UE khác. gNB có thể cấu hình các UE để
theo dõi các dấu hiệu truyền dẫn bị gián đoạn bằng cách sử dụng INT-RNTI trên
PDCCH. Nếu một UE nhận được dấu hiệu truyền dẫn bị gián đoạn, UE có thể
cho rằng không có thông tin hữu ích nào cho UE đó được mang theo bởi các
phần tử tài nguyên có trong dấu hiệu, ngay cả khi một số phần tử tài nguyên đó
đã được lập lịch tới UE. Ngoài ra, với lập lịch bán kiên trì (SPS) thì gNB có thể
phân bổ tài nguyên đường xuống cho các lần truyền dẫn HARQ ban đầu tới các
UE: RRC định nghĩa tính chu kỳ của các phép gán đường xuống được cấu hình
trong khi PDCCH gửi đến CS-RNTI có thể báo hiệu và kích hoạt phép gán
đường xuống được cấu hình hoặc hủy kích hoạt nó. Đó là một PDCCH được gửi
tới CS-RNTI chỉ ra rằng việc gán đường xuống có thể tái sử dụng hoàn toàn
theo chu kỳ được xác định bởi RRC cho đến khi bị hủy kích hoạt.
PBCH cùng với PSS và SSS tạo thành một khối SS/PBCH (SSB) rất quan
trọng đối với truy cập ban đầu, như đã thấy ở đầu mục 2.1. Trong miền thời
gian, một khối SS/PBCH bao gồm 4 symbol OFDM là PSS symbol 0, SSS
symbol 2, PBCH và DM-RS trải đều trên các symbol 1, 2, 3. Trong miền tần số,
SSB bao gồm 240 các sóng mang con liên tiếp trong đó PSS và SSS chiếm ở
64
giữa 127 sóng mang con trong symbol 0 và 2, trong khi PBCH/DM-RS trải trên
240 sóng mang con trong symbol 1 và 3, 96 sóng mang con ở rìa trong symbol 2
và các sóng mang con DM-RS được xác định bằng ID tế bào. ID tế bào có thể
lấy một trong 1008 giá trị tồn tại và được suy ra từ PSS (ba chuỗi tồn tại) và SSS
(336 chuỗi tồn tại). TTI PBCH được đặt thành 80 ms như trong LTE.
3.2.3.2 Các tín hiệu tham chiếu
PT-RS và DM-RS cho PDSCH và DM-RS cho PDCCH được đặt trong
các khối tài nguyên được phân bố cho các kênh đó, trong khi vị trí của DM-
RS cho PBCH trong SSB đã được đề cập trong phần 3.2.3.1. Việc tiếp nhận
PT-RS DL được cấu hình bởi các lớp cao hơn và mật độ miền thời gian và tần
số tuân theo các quy tắc tương tự như UL.
Có một symbol DM-RS PDSCH trên mỗi khe hoặc hai trong các symbol
OFDM liên tiếp trong một khe. Có thể tạo tối đa bốn symbol DM-RS trên mỗi
khe trong miền thời gian cho các trường hợp UE tốc độ cao. Các phần tử tài
nguyên của symbol DM-RS này nằm rải rác trên các sóng mang con khác
nhau theo hai loại cấu hình. Trong cấu hình loại 1, các symbol DM-RS được
chèn vào hai sóng mang con trong PDSCH. Trong cấu hình loại 2, các symbol
DM-RS được chèn vào năm sóng mang con trong PDSCH. Đối với PBCH và
PDCCH, các symbol DM-RS được chèn vào bốn sóng mang con theo tần số.
Các UE có thể được cấu hình với nhiều tập tài nguyên CSI-RS để ước
lượng kênh DL, các phép đo đạc RRM xen kẽ và các phép đo nhiễu. Các cấu
hình tài nguyên CSI-RS là UE riêng biệt, nhưng nhiều người dùng cũng có
thể chia sẻ cùng một tài nguyên với sự trợ giúp của ghép kênh phân chia theo
mã (CDM) của CSI-RS. CSI-RS có thể là tuần hoàn với một chu kỳ đã định
trước hoặc không theo chu kỳ nơi mà nó được chỉ ra bởi DCI xuất hiện trong
một khe tiếp theo. Tài nguyên miền thời gian và miền tần số của mỗi tài
nguyên CSI được cấu hình bởi các lớp cao hơn và bất kỳ symbol nào trong
một khe đều có thể được sử dụng cho CSI-RS, là băng thông rộng hoặc băng
tần một phần.
65
3.2.3.3 Phương pháp truyền dẫn
Trình tự xử lý lớp vật lý cho truyền dẫn PDSCH được thể hiện trong
Hình 3.7. Tương tự như LTE, các hoạt động quan trọng bao gồm mã hóa sửa
lỗi, tương thích tốc độ, điều chế, ánh xạ tới tài nguyên vật lý và quá trình xử
lý đa ăng-ten.
Mã hóa sửa lỗi PDSCH dựa trên các mã LDPC mã tuần hoàn tương thích
tốc độ. Các bit PDSCH và PDCCH được mã hóa thì được xáo trộn với sự kết
hợp của ID UE riêng biệt và ID tế bào trước khi điều chế. Các định dạng điều
chế PDSCH được hỗ trợ là QPSK, 16 QAM, 64 QAM và 256 QAM, với MCS
được chỉ ra bởi DCI cho PDSCH được lập lịch động. PDCCH sử dụng mã hóa
phân cực dựa trên các chuỗi lồng nhau và chỉ điều chế QPSK cho độ hiệu quả.
Hình 3.7. Chuỗi xử lý lớp vật lý PDSCH.
Về khả năng MIMO, các symbol PDSCH của một từ mã đơn được ánh xạ
trên một đến bốn lớp không gian. Một PDSCH có thể có hai từ mã và truyền dẫn
lên đến tám lớp. Các lớp không gian được ánh xạ tới các cổng ăng ten theo một
cách độc lập cụ thể, do đó các hoạt động định dạng chùm tia tùy ý hoặc tiền mã
hóa MIMO có thể được thực hiện bởi gNB theo cách trong suốt đối với UE.
DMRS và PDSCH tương ứng được truyền bằng cách sử dụng cùng một ma trận
tiền mã hóa và UE không cần biết ma trận tiền mã hóa để giải điều chế việc
66
truyền dẫn. Máy phát có thể sử dụng ma trận tiền mã hóa khác nhau cho các
phần khác nhau của băng thông truyền dẫn, dẫn đến tiền mã hóa chọn lọc tần số.
Trái ngược với PDSCH, mô hình lớp vật lý cho truyền dẫn PBCH được đặc
trưng bằng cách cố định, được định trước định dạng vận chuyển, như trong Hình
3.8. Mã hóa sửa lỗi cho PBCH dựa trên mã hóa phân cực và điều chế được cố
định đối với QPSK. Không có quy trình xử lý đa ăng-ten đặc biệt nào được thực
hiện để đơn giản hóa việc thu nhận tế bào ban đầu của các UE.
Cận cùng vị trí (QCL) là một khái niệm quan trọng để thu các tín hiệu và
kênh tham chiếu DL. Về mặt kỹ thuật, hai cổng ăng ten NR được gọi là cận
cùng vị trí nếu các thuộc tính quy mô lớn của kênh mà symbol trên một cổng
ăng ten được truyền có thể được suy ra từ kênh có symbol trên cổng ăng ten
khác được truyền tải. Các thuộc tính quy mô lớn bao gồm một hoặc nhiều độ trễ
lan truyền, độ trễ Doppler, độ dịch chuyển Doppler, mức tăng trung bình, độ trễ
trung bình và các tham số Rx không gian, như trong bảng 3.4. Trong thực tế, UE
thường cần tính toán các số liệu thống kê bậc hai của kênh DL để lọc tín hiệu
nhận được.
Tuy nhiên, một số tín hiệu tham chiếu DL có thể không được truyền
thường xuyên để thu thập các số liệu thống kê này. Trong các trường hợp như
vậy, nếu hai RSs là QCL thì UE có thể suy ra một số thuộc tính thống kê nhất
định từ một RS và áp dụng nó vào xử lý quá trình nhận của một RS khác và
kênh dữ liệu hoặc điều khiển liên quan của nó.
Ví dụ, một UE có thể được cấu hình tối đa chỉ số cấu hình truyền dẫn (TCI)
là M - Các cấu hình để giải mã PDSCH theo PDCCH được phát hiện với DCI
dành cho UE và tế bào dịch vụ đã cho, trong đó M phụ thuộc vào khả năng UE
maxNumberActiveTCI-PerBWP. Mỗi trạng thái TCI chứa các tham số để cấu
hình cận cùng vị trí giữa một hoặc hai tín hiệu tham chiếu đường xuống và các
cổng DM-RS của PDSCH. Cận cùng vị trí được cấu hình bởi tham số lớp cao
hơn qcl-Type1 cho RS DL đầu tiên và qcl-Type2 cho RS DL thứ hai (nếu được
cấu hình). Đối với trường hợp có hai RS DL, các loại QCL sẽ không giống nhau,
67
bất kể sự tham chiếu là RS DL là giống nhau hoặc RSs DL khác nhau. Các kiểu
định vị gần đúng tương ứng với mỗi RS DL được đưa ra bởi tham số lớp cao
hơn QCL-Type và được tóm tắt trong bảng 3.4.
3.2.4 Giám sát liên kết vô tuyến và các phép đo đạc
Các phép đo UE của các tín hiệu DL và các báo cáo khả năng quay trở lại
gNB là rất quan trọng cho việc duy trì liên kết dịch vụ đáng tin cậy và để quản
lý di động. Một số loại phép đo có thể được xác định cho NR:
Các phép đo và báo cáo thông tin trạng thái kênh (CSI) được sử dụng cho sự
thích ứng với liên kết vòng lặp kín.
Các phép đo nhiễu để đo các tế bào không dịch vụ.
Các phép đo RRM của các tế bào lân cận để quản lý di động.
Các phép đo giám sát liên kết vô tuyến (RLM) dựa trên SSB hoặc CSI-RS để
xác định xem tế bào dịch vụ có đồng bộ hóa hay không đồng bộ hóa như là
một dấu hiệu của lỗi liên kết vô tuyến.
Hình 3.8. Chuỗi xử lý lớp vật lý PBCH.
Các phép đo CSI để điều chỉnh liên kết (tức là thích ứng MCS và MIMO)
bao gồm chỉ số chất lượng kênh (CQI), chỉ số lớp, chỉ số bậc và chỉ số ma trận
tiền mã hóa (PMI). Các tham số này được báo cáo lại cho gNB như một phần
68
thông tin điều khiển đường lên (UCI) trên PUCCH hoặc PUSCH. Phiên bản 15
NR hỗ trợ hai tài nguyên đo nhiễu khác nhau, CSI-IM và CSI-RS công suất
bằng không (NZP-CSI-RS), chủ yếu nhằm mục tiêu cho các phép đo nhiễu nội
tế bào thông thường từ đường xuống tới đường xuống. Từ góc độ cho phép các
cấu hình đo đạc linh hoạt hơn, việc tận dụng tài nguyên CSI-IM có thể được
xem là khả thi hơn đối với NZP-CSI-RS cho các phép đo nhiễu liên kết ngang
(CLI) đường lên tới đường xuống, TS 38.211 định nghĩa hai mẫu RE CSI-IM
khác nhau (mẫu 2-2 và 4-1) cho các phép đo nhiễu.
Các mẫu RE CSI-IM đã nói ở trên là phù hợp với các mẫu CSI-RS DL (Y,
Z) = (2,2) hoặc (4,1), trong đó Y và Z lần lượt là số lượng RE trong tần số và
trong các symbol theo thời gian với mã bảo vệ trực giao OCC-2 và OCC-4. Tuy
nhiên, các mẫu RE CSI-IM Phiên bản 15 chưa được thiết kế để phù hợp với bất
kỳ mẫu RE tín hiệu tham chiếu UL nào, ví dụ các mẫu RE SRS UL, comb-2 và
comb-4 cho các phép đo nhiễu liên kết ngang UL đến DL.
Bảng 3.4: Các loại cận cùng vị trí trong NR.
Loại QCL Các tham số
QCL loại A Dịch Doppler, trải Doppler, độ trễ trung bình, trải độ trễ
QCL loại B Dịch Doppler, trải Doppler
QCL loại C Độ trễ trung bình, dịch Doppler
QCL loại D Tham số Rx không gian
Hình 3.9 cho thấy một minh họa của các mẫu RE được liên kết với mẫu
RE-15 dựa trên RE CSI-IM 4-1 và mẫu RE SRS UL comb-2 và comb-4 trong
một PRB trên sáu symbol cuối cùng trong một khe. Ở đây, các vị trí RE tiềm
năng của CSI-IM với mẫu 4-1 (bốn RE liên tiếp theo tần số) được đánh dấu màu
xanh lá cây và REs được đánh dấu màu đỏ biểu thị SRS với mẫu comb-2 cũng
như mẫu comb-4.
Các phép đo và báo cáo của L1 UE rất quan trọng để duy trì kết nối với
RAN. Các phép đo này được bắt đầu và kiểm soát bởi các lớp cao hơn và có thể
được phân loại theo các kiểu đo đạc được báo cáo khác nhau: nội tần số, nội hệ
thống, dung lượng lưu lượng, chất lượng và các phép đo bên trong UE.
69
Mạng có thể cấu hình một UE RRC_CONNECTED để thực hiện các phép
đo và báo cáo chúng theo độ chính xác với cấu hình của phép đo. Cấu hình của
phép đo được cung cấp bằng báo hiệu RRC chuyên dụng. Các UE được cấu hình
để thực hiện các phép đo NR và/hoặc các phép đo giữa các công nghệ vô tuyến
của các tần số E-UTRA.
Mạng có thể cấu hình UE để báo cáo thông tin đo đạc dựa trên (các) khối
SS/PBCH:
Kết quả phép đo trên mỗi khối SS/PBCH;
Kết quả phép đo trên mỗi tế bào dựa trên (các) khối SS/PBCH;
Hình 3.9. Một ví dụ về CSI-IM Phiên bản 15 với mô hình RE 4-1 và các mô hình
RE comb-4 và SRS w/comb-2.
Chỉ số (các) khối SS/PBCH.
Mạng có thể cấu hình UE để báo cáo thông tin đo đạc dựa trên CSI-RS:
Kết quả phép đo trên mỗi tài nguyên CSI-RS;
Kết quả phép đo trên mỗi tế bào dựa trên (các) tài nguyên CSI-RS;
Nhận dạng phép đo tài nguyên CSI-RS.
Ba số liệu đo đạc RRM phổ biến nhất là công suất thu tín hiệu tham
chiếu (RSRP), chất lượng nhận tín hiệu tham chiếu (RSRQ)) và tỷ lệ tín hiệu
70
trên nhiễu cộng tạp âm (SINR), như được nêu trong Bảng 3.5. Các phép đo
này có thể được lấy từ SS hoặc CSI-RS. SS-RSRP hoặc CSI-RSRP được sử
dụng, ví dụ trong suốt quy trình truy cập ngẫu nhiên để chọn SSB để lấy tài
nguyên truy cập ngẫu nhiên cho việc truyền dẫn msg 1. Các phép đo L1-
RSRP được UE thực hiện trên các tài nguyên SSB hoặc CSI-RS được cấu
hình. Phạm vi báo cáo của SS-RSRP và CSI-RSRP cho báo cáo L1 được xác
định từ -140 đến -40dBm với độ phân giải 1 dB. Phạm vi báo cáo của SS-
RSRQ được xác định từ -43 dB đến 20dB với độ phân giải 0,5 dB, trong khi
phạm vi báo cáo của SS-SINR được xác định từ -23 dB đến 40 dB với độ
phân giải 0,5 dB. Các UE có thể được cấu hình bằng các tham số lọc được
thêm vào lớp 3 trước khi báo cáo.
Bảng 3.5: Các định nghĩa phép đo RRM.
Hệ Định nghĩa
Trung bình tuyến tính của tổng cộng suất nhận được (tính bằng [W])
chỉ quan sát được trong một số symbol OFDM của tài nguyên thời
RSSI gian phép đo trong băng thông phép đo, trên số N của RBs từ tất cả
các nguồn, bao gồm các tế bào dịch vụ cùng kênh và tế bào không
dịch vụ, nhiễu kênh lân cận, tạp âm nhiệt, v.v.
Giá trị trung bình tuyến tính trên các phần góp công suất (tình bằng
RSRP [W] của các phần tử tài nguyên mang SS (SS-RSRP) hoặc CSI-RS
(CSI-RSRP).
Tỉ lệ NxRSRP/RSSI sóng mang NR, trong đó N là số RBs trong băng
RSRQ thông phép đo RSSI sóng mang NR. Các phép đo ở tử số và mẫu số
phải được thực hiện trên cùng một tập RBs.
Giá trị trung bình tuyến tính trên phần góp công suất của các phần tử
tài nguyên mang SS hoặc CSI-RS là thương của giá trị trung bình
SINR tuyến tính tạp âm và phần góp công suất nhiễu trên các phần tử sóng
mang mang SS hoặc CSI-RS trong cùng băng thông tần số. Để xác
định SS-SINR, ngoài DM-RS PBCH thì SSS có thể được sử dụng.
3.3 Các khía cạnh của RF
Phiên bản 16 NR được thiết kế để hoạt động ở hai dải tần số vô tuyến:
FR1 và dải tần số 2 (FR2). FR1 trải dài từ 410 MHz - 7.125 MHz, trong khi
FR2 trải dài từ 24.250 MHz - 52.600 MHz. Dải tần từ 7.125 MHz – 24.250
71
MHz có thể được xem là dải tần số 3 và dải tần từ 52.600 MHz đến 114 GHz
có thể được xem là dải tần số 4 trong các bản phát hành NR trong tương lai.
Phiên bản 16 hoạt động ở các băng tần đối với NR trong FR1 và FR2 được
liệt kê tương ứng trong bảng 3.6 và bảng 3.7.
Bảng 3.6: Các băng tần số hoạt động của Phiên bản 16 NR trong FR1.
Băng Băng UL Băng DL Chế độ
NR BS Rx/UE Tx BS Tx/UE Rx song công
n1 1920 MHz – 1980 MHZ 2110 MHz – 2170 MHZ FDD
n2 1850 MHz – 1910 MHZ 1930 MHz – 1990 MHZ FDD
n3 1710 MHz – 1785 MHZ 1805 MHz – 1880 MHZ FDD
n5 824 MHz – 849 MHZ 869 MHz – 894 MHZ FDD
n7 2500 MHz – 2570 MHZ 2620 MHz – 2690 MHZ FDD
n8 880 MHz – 915 MHZ 925 MHz – 960 MHZ FDD
n12 699 MHz – 716 MHZ 729 MHz – 746 MHZ FDD
n20 832 MHz – 862 MHZ 791 MHz – 821 MHZ FDD
n25 1850 MHz – 1915 MHZ 1930 MHz – 1995 MHZ FDD
n28 703 MHz – 748 MHZ 758 MHz – 803 MHZ FDD
n34 2010 MHz – 2025 MHZ 2010 MHz – 2025 MHZ TDD
n38 2570 MHz – 2620 MHZ 2570 MHz – 2620 MHZ TDD
n39 1880 MHz – 1920 MHZ 1880 MHz – 1920 MHZ TDD
n40 2300 MHz – 2400 MHZ 2300 MHz – 2400 MHZ TDD
n41 2496 MHz – 2690 MHZ 2496 MHz – 2690 MHZ TDD
n50 1432 MHz – 1517 MHZ 1432 MHz – 1517 MHZ TDD1
n51 1427 MHz – 1432 MHZ 1427 MHz – 1432 MHZ TDD
n66 1710 MHz – 1780 MHZ 2110 MHz – 2200 MHZ FDD
n70 1685 MHz – 1710 MHZ 1995 MHz – 2020 MHZ FDD
n71 663 MHz – 698 MHZ 617 MHz – 652 MHZ FDD
n74 1427 MHz – 1470 MHZ 1475 MHz – 1518 MHZ FDD
n75 N/A 1432 MHz – 1517 MHZ SDL
n76 N/A 1427 MHz – 1432 MHZ SDL
n77 3300 MHz – 4200 MHZ 3300 MHz – 4200 MHZ TDD
n78 3300 MHz – 3800 MHZ 3300 MHz – 3800 MHZ TDD
n79 4400 MHz – 5000 MHZ 4400 MHz – 5000 MHZ TDD
n80 1710 MHz – 1785 MHZ N/A SUL
n81 880 MHz – 915 MHZ N/A SUL
n82 832 MHz – 862 MHZ N/A SUL
72
n83 703 MHz – 748 MHZ N/A SUL
n84 1920 MHz – 1980 MHZ N/A SUL
n86 1710 MHz – 1780 MHZ N/A SUL
Băng thông kênh UE hỗ trợ một sóng mang RF NR đơn trong đường lên
hoặc đường xuống tại UE. Từ góc độ BS, băng thông kênh UE khác nhau có thể
được hỗ trợ trong cùng một phổ để truyền và nhận từ các UE được kết nối với
BS. Mối quan hệ giữa băng thông kênh, dải bảo vệ ở các rìa của kênh và cấu
hình băng thông truyền dẫn tối đa (về mặt RBs có thể sử dụng) được thể hiện
trong Hình 3.10.
Bảng 3.7: Các băng tần số hoạt động của Phiên bản 16 NR trong FR2.
Chế
Băng Băng UL Băng DL độ
NR BS Rx/UE Tx BS Tx/UE Rx song
công
n257 26500 MHz – 29500 MHZ 26500 MHz – 29500 MHZ TDD
n258 24250 MHz – 27500 MHZ 24250 MHz – 27500 MHZ TDD
n260 37000 MHz – 40000 MHZ 37000 MHz – 40000 MHZ TDD
n261 27500 MHz – 28350 MHZ 27500 MHz – 28350 MHZ TDD
Việc đánh số và đặt các sóng mang được thực hiện như sau. Các tần số
tham chiếu RF được thiết kế bởi một số kênh tần số vô tuyến tuyệt đối NR (NR-
ARFCN) trong phạm vi (0 đến 2016666 cho FR1 và 2016667 đến 3279165 cho
FR2) trên bộ quét tần số toàn cầu. Bộ quét kênh tần số toàn cầu định nghĩa là
một tập các tần số tham chiếu RF được sử dụng trong báo hiệu để xác định vị trí
của các kênh RF, các khối SS và các phần tử khác. Do đó, Giá trị NR-ARFCN là
NREF có thể được ánh xạ tới tần số tham chiếu RF là FREF theo MHz như:
FFFNN ()
REF REFoO ffs GLOBAL REF REF ffs
trong đó, độ phân giải bộ quét tần số toàn cầu FGLOBAL là 5 kHz ở FR1 và 15
kHz ở FR2; F = 3 GHz và N = 600000 ở FR2 và bằng không.
REFo ffs REFffsO
Bộ quét kênh và bộ quét đồng bộ hoàn thành việc sắp xếp kênh. Bộ quét
kênh định nghĩa là một tập con các tần số tham chiếu RF từ bộ quét tần số toàn
cầu có thể được sử dụng để xác định vị trí kênh RF trong đường lên và đường
73
xuống. Độ phân giải của bộ quét kênh là bội số của FG LO BA L , ví dụ độ phân giải
của 15 kHz, 30 kHz và 100 kHz được định nghĩa trong FR1.
Hình 3.10. Băng thông truyền dẫn lớn nhất và băng thông kênh.
3.4 Lớp MAC
Lớp MAC NR được cấu hình bởi RRC và tương tác chặt chẽ với lớp vật lý.
Một thực thể MAC được định nghĩa cho mỗi nhóm tế bào UE (tức là hai thực
thể MAC có mặt trong trường hợp kết nối kép) và xử lý tất cả các chức năng
MAC cho các tế bào trong nhóm. Ví dụ cấu trúc MAC được thể hiện trong Hình
3.11. Giống như trong LTE, phân lớp MAC hỗ trợ các chức năng sau:
Ánh xạ giữa các kênh logic và các kênh vận chuyển;
Ghép kênh/tách kênh SDUs MAC giữa một hoặc các kênh logic khác nhau và
các khối vận chuyển khác nhau để được chuyển đến/từ lớp vật lý trên các kênh
vận chuyển;
Lập lịch báo cáo thông tin;
Sửa lỗi thông qua HARQ;
Sự ưu tiên kênh logic.
Thực thể MAC xác định các kênh logic nào được ánh xạ tới kênh vận
chuyển nào và chuyển thông tin này đến PHY. Một loại kênh logic được xác
định bởi loại thông tin gì được truyền; ví dụ: kênh điều khiển tìm gọi, kênh điều
khiển quảng bá và kênh lưu lượng chuyên dụng. Chúng được ánh xạ tới các
kênh vận chuyển thích hợp: điều khiển tìm gọi trên kênh tìm gọi (PCH), điều
74
khiển quảng bá trên kênh quảng bá (PBCH), kênh lưu lượng chuyên dụng trên
kênh chia sẻ UL hoặc DL (PUSCH hoặc PDSCH), v.v. như trong Hình 2.12.
Lớp vật lý cung cấp một kênh vận chuyển đến MAC. Kênh vận chuyển được
đặc trưng bởi cách thông tin được truyền qua giao diện vô tuyến. RACH cũng
được MAC sử dụng nhưng không được ánh xạ tới bất kỳ kênh logic nào, nó
hoàn toàn được sử dụng để kiểm soát truy cập ngẫu nhiên (RA).
Hình 3.11. Ví dụ về cấu trúc MAC NR.
3.5 Lớp RLC
Phân lớp RLC hỗ trợ ba chế độ truyền dẫn cho truyền dữ liệu: Chế độ trong
suốt (TM), Chế độ không báo nhận (UM), và chế độ báo nhận (AM). Trong chế
độ AM, một giao thức yêu cầu tự động phát lại (ARQ) có sẵn để truyền lại SDU
lớp RLC từ một thực thể RLC sang ngang hàng với nó. Ở phía phát, lớp RLC
cung cấp các gói cho lớp MAC bên dưới. Các gói này là các PDU RLC từ
phương diện RLC và các SDU MAC từ phương diện MAC.
Thực thể RLC được phân loại là TM, UM hoặc AM tùy thuộc vào chế độ
truyền và thường được cấu hình bởi RRC. Các dịch vụ và chức năng chính của
phân lớp RLC phụ thuộc vào chế độ truyền và bao gồm:
Chuyển giao PDU lớp trên;
Đánh số thứ tự độc lập với số thứ tự trong PDCP (UM và AM);
75
Sửa lỗi thông qua ARQ (chỉ AM);
Phân đoạn (AM và UM) và không phân đoạn (chỉ AM) của RLC SDU;
Sự lắp ghép lại của SDU (AM và UM);
Phát hiện sự trùng lặp (chỉ AM);
Loại bỏ SDU RLC (AM và UM);
Tái thiết lập RLC;
Phát hiện lỗi giao thức (chỉ AM).
Một minh họa về tổng quan lớp RLC và các tương tác giữa truyền và nhận
các thực thể RLC được thể hiện trong Hình 3.12. Người ta thấy rằng một thực thể
UM hoặc TM nhất định có thể được cấu hình là một thực thể truyền hoặc nhận,
trong khi một thực thể AM duy nhất có thể được cấu hình cho cả truyền và nhận.
Hình 3.12. Mô hình tổng quan của phân lớp RLC.
Trong chế độ TM, dữ liệu được truyền và nhận mà không có bất kỳ sự thay
đổi nào đối với các lớp dưới và trên và việc đánh số thứ tự không được áp dụng.
Ứng dụng của TM được giới hạn bởi một tập nhỏ các thông báo RRC, chẳng
hạn như khối thông tin chính, thông tin hệ thống, thông báo tìm gọi và thông báo
quản lý kết nối RRC. Trong chế độ UM, việc đánh số thứ tự chuỗi 6 bit hoặc 12
bit được áp dụng tại thực thể truyền và máy thu duy trì một cửa sổ ghép lại cho
76
các PDU với số thứ tự cụ thể (SN) và đặt chúng vào bộ đệm nhận. Trong chế độ
AM, thực thể phát duy trì một cửa sổ truyền dựa trên SN 12 bit hoặc 18 bit và
không gửi đến lớp dưới và PDU dữ liệu mà SN của nó nằm ngoài cửa sổ phát.
Thực thể AM nhận duy trì một cửa sổ nhận để xác định PDU nào được đặt trong
bộ đệm nhận để xử lý tiếp. Một thực thể RLC AM gửi các PDU STATUS đến
thực thể RLC AM ngang hàng với nó để cung cấp các xác nhận tích cực và/hoặc
tiêu cực của các SDU RLC.
3.6 Lớp PDCP
Phân lớp PDCP xử lý các thông báo RRC trong mặt phẳng điều khiển và
các gói IP trong mặt phẳng người dùng. Phân lớp PDCP được sử dụng cho
một thiết bị vô tuyến được ánh xạ trên loại kênh logic DCCH và DTCH và
không được sử dụng cho bất kỳ loại kênh logic nào khác. Một thiết bị vô
tuyến được sử dụng để vận chuyển mặt phẳng người dùng hoặc dữ liệu báo
hiệu từ mạng lõi và được ánh xạ tới một dòng QoS bởi lớp SDAP.
Sự tương tác giữa các lớp RLC và PDCP được thể hiện trong Hình 3.13.
Mỗi thực thể PDCP được liên kết với một, hai hoặc bốn thực thể RLC tùy thuộc
vào đặc tính RB (ví dụ: đơn hướng/hai chiều hoặc tách/không tách) hoặc chế độ
RLC. Đối với những kênh mang không tách, mỗi thực thể PDCP được liên kết
với một thực thể RLC UM, hai thực thể RLC UM (cho cùng một hướng) hoặc
một thực thể RLC AM. Đối với các phần tử phân tách, mỗi thực thể PDCP được
liên kết với hai thực thể RLC UM (cho cùng một hướng), bốn thực thể RLC UM
(hai thực thể cho mỗi hướng) hoặc hai thực thể RLC AM (cho cùng một hướng).
Một sự biểu diễn chức năng của lớp PDCP được thể hiện trong Hình 3.14.
Lớp PDCP hỗ trợ các chức năng sau:
Truyền dữ liệu (mặt phẳng người dùng hoặc mặt phẳng điều khiển);
Bảo trì của SN PDCP;
Nén và giải nén tiêu đề bằng giao thức ROHC;
Mã hóa và giải mã;
Sự bảo vệ tính toàn vẹn và xác minh tính toàn vẹn;
77
Loại bỏ SDU dựa trên bộ định thời;
Định tuyến cho các thiết bị tách;
Hình 3.13. Cấu trúc của lớp PDCP.
Hình 3.14. Chức năng của lớp PDCP.
Sự sao chép;
Sắp xếp lại và chuyển giao theo thứ tự;
78
Chuyển giao không thứ tự;
Loại bỏ trùng lặp.
3.7 Điều khiển tài nguyên vô tuyến
Điều khiển tài nguyên vô tuyến lớp 3 chịu trách nhiệm vận chuyển các
thông báo NAS và cấu hình các tham số kết nối vô tuyến UE, trong số các thông
số khác. Các dịch vụ và chức năng chính của phân lớp RRC bao gồm:
Quảng bá thông tin hệ thống liên quan đến AS và NAS;
Tìm gọi được bắt đầu bởi 5GC hoặc NG-RAN;
Thiết lập, bảo trì và phát hành kết nối RRC giữa UE và NG-RAN, bao gồm:
Bổ sung, sửa đổi và giải phóng tập hợp sóng mang;
Bổ sung, sửa đổi và giải phóng kết nối kép trong NR hoặc giữa E-UTRA và
NR.
Chức năng bảo mật bao gồm sự quản lý khóa;
Thiết lập, cấu hình, bảo trì và giải phóng các thiết bị vô tuyến báo hiệu (SRBs)
và các thiết bị vô tuyến dữ liệu (DRBs);
Các chức năng di động bao gồm:
Chuyển giao và truyền nội dung;
Lựa chọn tế bào UE và tái lựa chọn và kiểm soát sự lựa chọn và tái lựa chọn tế
bào;
Tính di động giữa các RAT.
Chức năng quản lý QoS;
Báo cáo đo lường UE và kiểm soát báo cáo;
Phát hiện và phục hồi từ lỗi liên kết vô tuyến;
Truyền tin nhắn NAS đến/từ NAS từ/đến UE.
Một UE ở trạng thái RRC_CONNECTED hoặc ở trạng thái
RRC_INACTIVE khi một kết nối RRC được thiết lập. Nếu đây không có kết nối
RRC nào được thiết lập, thì UE ở trạng thái RRC_IDLE. Các trạng thái RRC có
thể được mô tả thêm như sau:
RRC_IDLE:
79
- Một DRX UE riêng biệt có thể được cấu hình bởi các lớp trên. UE điều
khiển tính di động dựa trên cấu hình mạng. UE giám sát kênh tìm gọi cho tìm
gọi CN bằng cách sử dụng nhận dạng di động S-tremporary 5G (5G-S-TMSI),
thực hiện các phép đo tế bào lân cận và (tái) lựa chọn tế bào, và nhận được
thông tin hệ thống và có thể gửi yêu cầu SI (nếu được cấu hình).
RRC_INACTIVE:
- Việc tiếp nhận không liên tục (DRX) của UE riêng biệt để tiết kiệm công
suất có thể được cấu hình bởi các lớp trên. UE điều khiển tính di động dựa
trên cấu hình mạng. UE lưu trữ nội dung AS và một khu vực thông báo dựa
trên RAN được cấu hình bởi lớp RRC. UE giám sát kênh tìm gọi cho tìm gọi
CN bằng cách sử dụng 5G-S-TMSI, thực hiện các phép đo tế bào lân cận và
(tái) lựa chọn tế bào, thực hiện cập nhật khu vực thông báo dựa trên RAN
theo định kỳ và khi di chuyển ra ngoài khu vực thông báo dựa trên RAN được
cấu hình, và nhận được thông tin hệ thống và có thể gửi yêu cầu SI (nếu được
cấu hình).
Hình 3.15. Cơ cấu trạng thái UE và chuyển tiếp trạng thái giữa NR/5GC, E-
UTRA/EPC và UTRA/5GC.
RRC_CONNECTED:
- Áp dụng khi kết nối 5GC-NG-RAN (cả hai mặt phẳng C/U) được thiết
lập cho UE, nội dung AS UE được lưu trữ trong NG-RAN và UE và NG-
80
RAN biết tế bào thuộc về UE nào. UE giám sát kênh tìm gọi, nếu được cấu
hình, giám sát các kênh điều khiển được liên kết với kênh dữ liệu chia sẻ để
xác định xem dữ liệu có được lập lịch cho nó hay không, cung cấp thông tin
phản hồi và chất lượng kênh, thực hiện báo cáo đo đạc và đo đạc tế bào lân
cận và nhận thông tin hệ thống. Các chuyển đổi trạng thái RRC khác nhau
cho một UE NR được kết nối với NR RAN hoặc E-UTRA được thể hiện
trong Hình 3.15.
3.8 Kết luận chương 3
Chương này đã tóm tắt các chức năng ngăn xếp giao thức của các thực thể
RAN chính, UE và gNB. Chẳng hạn như xem xét việc truyền dữ liệu DL, các
bước xử lý của các phân lớp khác nhau có thể được tóm tắt là:
Lớp SDAP ánh xạ các gói IP tới các thiết bị vô tuyến dữ liệu trong các luồng
QoS;
Lớp PDCP thực hiện nén và mã hóa tiêu đề và thêm số thứ tự;
Lớp RLC thực hiện phân đoạn và đánh số thứ tự bổ sung;
Lớp MAC thực hiện sửa lỗi thông qua HARQ và ánh xạ các kênh logic sang
các kênh vận chuyển;
Lớp vật lý truyền khối vận chuyển MAC qua không gian sau khi thực hiện mã
hóa kênh, điều chế và tiền mã hóa MIMO.
Các thực thể tương ứng trong các hoạt động trên tại phía đối diện UE cung cấp
các gói IP được giải mã một cách chính xác đến các lớp cao hơn.
81
KẾT LUẬN
Qua nghiên cứu đồ án về nội dung công nghệ truy cập vô tuyến mới trong
mạng 5G, với công nghệ truy cập vô tuyến mới và quy trình truy cập được cải
tiến, cùng với đó là phát triển phần cứng, phần mềm đã giải quyết được những
nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về tốc độ dữ liệu, độ trễ, số lượng kết
nối,...
Chương 1 đồ án đã chỉ ra sự phát triển của các mạng tế bào 1G đến 5G.
Các kỹ thuật đa truy cập trực giao, không trực giao và kiến trúc mạng trong các
thế hệ tế bào khác nhau cũng đã được đề cập đến trong chương này.
Trong chương 2, chúng ta đã thấy được tổng quan của mạng 5G và các yêu
cầu IMT-2020 cho 5G và một vài thành phần kỹ thuật chính cho mạng không
dây 5G đã được thảo luận. Qua đó là tiền đề để chúng ta nghiên cứu công nghệ
truy cập vô tuyến mới trong 5G ở chương tiếp theo.
Chương 3 đã đi sâu tìm hiểu về mạng truy cập vô tuyến mới NR cũng như
các chức năng ngăn xếp giao thức của các thực thể RAN chính, UE và gNB.
Như việc truyền dữ liệu UL, DL và các bước xử lý của các phân lớp khác nhau.
Từ việc nghiên cứu mạng truy cập vô tuyến mới trong mạng 5G, chúng ta
thấy được hiệu quả của giải pháp mới đã giải quyết được vấn đề mà các mạng di
động tế bào thế hệ trước chưa khắc phục được. Đảm bảo phục vụ tốt các nhu cầu
của người dùng ngày càng tăng.
82
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Đỗ Quốc Trinh, “Hệ thống di động băng thông rộng LTE-ADVANCED”,
Học viện Kỹ thuật Quân sự, 2015.
2. Đỗ Quốc Trinh, “Những kiến thức cơ bản về hệ thống di động 4G LTE và
LTE-ADVANCED”, Học viện Kỹ thuật Quân sự, 2016.
Tiếng Anh
3. The story behind the first cell phone call ever made (Online).
4. J. Boccuzzi, Signal Processing for Wireless Communications (McGraw-Hill,
2008).
5. X. Lin et al., “5G New Radio: Unveiling the essentials of the next generation
wireless access technology,” 2018 (Online).
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- do_an_nghien_cuu_cong_nghe_truy_cap_vo_tuyen_moi_trong_5g.pdf