Luận án tiến sĩ kỹ thuật lập lịch mạng 5G - Nghiên cứu sinh Phạm Hùng, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG -------------------- PHẠM HÙNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LẬP LỊCH CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9.08 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Hà nội - 2021 1 luan an BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG -------------------- LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT LẬP LỊCH CHO MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ MỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 9.08 Nghiên cứu sinh: Phạm Hùng Giảng viên hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tiến Ban PGS. Đặng Hoài Bắc Hà nội - 2021 1 luan an LỜI CẢM ƠN Trải qua 4 năm học ở Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, được tiếp nhận những kiến thức và kinh nghiệm quý báu của các thầy cô đã giúp em có được ngày hôm nay, trưởng thành hơn và có kiến thức vững vàng hơn. Em xin trân thành cảm ơn khoa Viễn Thông và khoa Sau Đại Học, Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập cũng như làm luận án tốt nghiệp.

Em cũng xin gửi lời cảm ơn trân thành tới các thầy cô trong Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông đã tận tình giảng dạy và trang bị cho em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua. Và đặc biệt em xin trân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tiến Ban và thầy Đặng Hoài Bắc về những hỗ trợ quý báu giúp em vượt qua những giai đoạn khó khăn trong quá trình học tập, cung cấp nhiều kiến thức để em có thể hoàn thành xong luận án này. Cảm ơn các anh chị đồng nghiệp và bạn bè đã góp ý và giúp đỡ tận tình trong quá trình thực hiện luận án này. Em xin trân thành cảm ơn! Hà Nội, tháng năm 2021 Nghiên cứu sinh Phạm Hùng luan an Mục lục Danh sách hình vẽ.

iv Danh sách bảng. iv Danh mục từ viết tắt. viii Từ điển chú giải. xi Mở Đầu 1 1 Tính cấp thiết của luận án.

1 2 Những vấn đề còn tồn tại. 4 3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 5 4 Mục tiêu nghiên cứu. 5 5 Đối tượng nghiên cứu.

6 6 Phương pháp nghiên cứu. 7 7 Phạm vi nghiên cứu. 7 8 Những đóng góp của luận án. 7 9 Bố cục luận án.

9 1 Tổng quan về kỹ thuật lập lịch 12 1.1 Hệ thống thông tin di động 5G .2 Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống thông tin di động 5G .3 Hệ thống thông tin di động nhiều ăng ten đa người dùng MU-MIMO 15 i luan an 1.1 Ước lượng kênh truyền theo chiều lên .2 Truyền dữ liệu chiều xuống .3 Xử lý tuyến tính .4 Hệ thống thông tin nhiều ăng ten cỡ rất lớn Massive MIMO .1 Ưu điểm của hệ thống thông tin nhiều ăng ten cỡ rất lớn .2 Thách thức của hệ thống thông tin nhiều ăng ten cỡ rất lớn 21 1.5 Hệ thống thông tin nhiều ăng ten cỡ rất lớn mmWave Massive MIMO .1 Các thách thức của bước sóng cỡ mmWave Massive MIMO .2 Mảng ăng ten cho mmWave Massive MIMO .3 Kiến trúc bộ RF .4 Ước lượng kênh truyền trong hệ thống mmWave Massive MIMO .5 Mô hình kênh truyền .6 Các giải pháp tiền mã hóa .6 Kỹ thuật lập lịch .1 Cấu trúc khung của mạng vô tuyến .2 Kỹ thuật lập lịch ở mạng vô tuyến .3 Thách thức .4 Một số kỹ thuật lập lịch .7 Kết luận chương 1. 37 2 Kỹ thuật lập lịch đảm bảo tốc độ tối thiểu của thuê bao dựa trên thông tin lão hóa kênh truyền 39 ii luan an 2.1 Ý tưởng kỹ thuật lập lịch đảm bảo tốc độ tối thiểu cho thuê bao khi sử dụng thông tin lão hóa kênh truyền .2 Mô hình hệ thống .3 Ước lượng kênh truyền .4 Truyền dữ liệu chiều xuống .6 Tốc độ tổng có thể đạt được với hiện tượng lão hóa kênh truyền .7 Kỹ thuật lập lịch đề xuất QoS-Aware .8 Kết quả mô phỏng .9 Kết luận chương 2. 57 3 Kỹ thuật lập lịch cho hệ thống ăng ten cỡ rất lớn đảm bảo đa tốc độ tối thiểu 59 3.1 Ý tưởng về kỹ thuật lập lịch đảm bảo đa tốc độ tối thiểu cho người dùng .2 Mô hình hệ thống .3 Ước lượng kênh truyền .4 Truyền tín hiệu chiều xuống .5 Bài toán tối ưu của kỹ thuật lập lịch .1 Các tiêu chí tối ưu .2 Xây dựng hàm mục tiêu .6 Giải pháp đề xuất .7 Kết quả mô phỏng. 69 iii luan an 3.8 Kết luận chương 3.

75 4 Kỹ thuật lập lịch cho hệ thống ăng ten bước sóng mm sử dụng các bộ ADC phân giải thấp 76 4.1 Ý tưởng kỹ thuật lập lịch cho hệ thống ăng ten cỡ rất lớn bước sóng mm khi sử dụng các bộ ADC phân giải thấp .2 Mô hình hệ thống .1 Truyền dẫn chiều xuống .2 Mô hình lượng tử hóa .3 Tiền mã hóa lai đa người dùng hai giai đoạn cho kênh truyền một đường .3 Kỹ thuật lập lịch đề xuất .4 Kết quả mô phỏng .5 Kết luận chương 4. 87 Kết luận 89 Danh mục các công trình nghiên cứu khoa học. 91 Tài liệu tham khảo. 91 iv luan an Danh sách hình vẽ 1 Lưu lượng sử dụng di động mỗi tháng .1 Các thành phần mạng vô tuyến 5G.2 Mô hình hệ thống thông tin nhiều ăng ten đa người dùng .3 Mô hình xử lý tuyến tính tại trạm gốc .4 Kiến trúc của mạng 5G dựa trên bước sóng cỡ mm .5 Kiến trúc của mảng ăng ten lai bước sóng cỡ mm .6 Kiến trúc của bộ RF .7 Cấu trúc tiền mã hóa kĩ thuật số cho một thuê bao của hệ thống mmWave .8 Cấu trúc tạo búp sóng tương tự .9 Cấu trúc tạo búp sóng lai cho hệ thống một thuê bao .10 Cấu trúc khung của mạng vô tuyến NR .11 Cấu trúc khung con mạng vô tuyến NR .12 So sánh hiệu quả sử dụng phổ .13 Nhóm các ăng ten sử dụng .1 So sánh dung lượng hữu ích khi sử dụng MRT .2 So sánh dung lượng không hữu ích khi sử dụng MRT .3 Dung lượng hữu ích của hệ thống khi sử dụng MRT và M = 128 .4 So sánh dung lượng hữu ích khi sử dụng tiền mã hóa ZF và Ka = 40 55 v luan an 2.5 So sánh lưu lượng không hữu ích khi sử dụng tiền mã hóag ZF với Ka = 40 .6 Số thuê bao được phục vụ khi sử dụng ZF và MRT .1 Tốc độ mỗi thuê bao khi sử dụng kỹ thuật QoS-Assurance .2 Tốc độ tổng của hệ thống .3 So sánh tổng tốc độ .4 So sánh dung lượng hữu ích giữa hai kỹ thuật .5 So sánh về dung lượng giữa ba kỹ thuật .1 Hiệu quả sử dụng phổ theo SNR .2 So sánh hiệu quả sử dụng phổ giữa bộ ADC phân giải thấp và No-ADC .3 Hiệu quả sử dụng phổ theo KS.

87 vi luan an Danh sách bảng 3.1 Tham số mô phỏng. 70 vii luan an Danh mục từ viết tắt ADC Analog To Digital Converter - bộ biến đổi tương tự số AAU Active Antenna Unit - Đơn vị ăng ten chủ động BS Base Station - trạm gốc BB Baseband - băng cơ sở BBU Baseband Unit - Đơn vị băng cơ sở BPF Bandpass Filter - bộ lọc thông dải CSI Channel State Information - thông tin trạng thái kênh truyền CU Central Unit - Đơn vị tập trung DPC Dirty Paper Coding - mã hóa thuật toán giấy bẩn DU Distributed Unit - Đơn vị phân tán FDD Frequency Division Duplex - ghép kênh phân chia theo tần số GFBR Guaranteed Flow Bit Rate - tốc độ luồng bit được đảm bảo GBR Guaranteed Bit Rate- tốc độ bit được đảm bảo gNB Next Generation NodeB - trạm gốc thế hệ tiếp theo IoT Internet of Things - kết nối vạn vật IP Internet Protocol - giao thức internet OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing - ghép kênh phân chia theo tần số trực giao LNA Low Noise Amplifier - bộ khuếch đại nhiễu thấp viii luan an LTE Long Term Evolution - mạng tiến hóa dài hạn LOS Line-of-Sight - truyền sóng trong tầm nhìn thẳng MRT Maximum Ratio Transmission - truyền dẫn tốc độ cực đại MU-MIMO Multi-user MIMO - hệ thống nhiều ăng ten nhiều người dùng MIMO Multiple Input Multiple Output - nhiều ăng ten thu nhiều ăng ten phát Massive MIMO hệ thống ăng ten nhiều ăng ten đầu vào và nhiều ăng ten đầu ra cỡ rất lớn MR Maximum Rate - tối đa tốc độ MMSE Minimum Mean Square Error - Lỗi bình phương trung bình nhỏ nhất MS Mobile Subscriber - thuê bao N-LOS Non-Line-of-Sight - truyền sóng không trong tầm nhìn thẳng NR New Radio - Mạng vô tuyến thế hệ mới ZF Zero Forcing - cưỡng bức bằng không PF Proportional Fair - công bằng giữa các thuê bao QoS Quality of Service - chất lượng dịch vụ RF Radio Frequency - tần số vô tuyến điện RRH Remote Radio Head - Khối vô tuyến từ xa SNR Signal-To-Noise Ratio - tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SDAP Service Data Adaptation Protocol - giao thức thích nghi dữ liệu dịch vụ TDD Time Division Duplex - ghép kênh phân chia theo thời gian ix luan an ULA Uniform Linear Array - mảng tuyến tính đồng nhất x luan an Từ điển chú giải M Số ăng ten. x T Chu kỳ khung. x βk Hệ số fa đinh chậm của kênh truyền.

x E[·] Phép toán kỳ vọng. x H Ma trận kênh truyền. x Ka Tập thuê bao trong tế bào gồm Ka thuê bao. x Kp Tập thuê bao được ướng lượng kênh gồm Kp thuê bao.

x Ks Tập thuê bao được phục vụ gồm Ks thuê bao. x A∗ Ma trận chuyển vị liên hợp của ma trận A. x AT Ma trận chuyển vị của ma trận A. x F Ma trận tiền mã hóa.

x IN Ma trận đơn vị kích thước N × N. x g Véc tơ kênh truyền Rayleigh fa đinh. x h Véc tơ kênh truyền. x CN (0, σr2 ) Phân bố chuẩn trung bình không, phương sai σr2.

x σ Công suất nhiễu đường xuống. x σr Công suất nhiễu đường lên. x τp Khoảng thời gian ước lượng kênh. x xi luan an Mở Đầu 1 Tính cấp thiết của luận án Hiện nay nhu cầu sử dụng dịch vụ di động ngày càng lớn do tính phổ biến và tiện dụng của các thiết bị đầu cuối di động.

Theo dự báo của Cisco năm 2019, lưu lượng di động được dự báo tiếp tục tăng đều qua các năm từ mức 10 exabytes một tháng trong năm 2017 lên mức hơn 80 exabytes một tháng trong năm 2022, như trong hình 1 [24].