Tài liệu Phân tích và thiết kế anten mimo quy mô lớn, băng thông rộng cho thiết bị đầu cuối di động 5g

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Phân tích và thiết kế anten MIMO quy mô lớn, băng thông rộng cho thiết bị đầu cuối di động 5G ĐỖ THÀNH HƯNG [email protected] Ngành Kỹ thuật Viễn Thông Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Khắc Kiểm Trường: Điện – Điện tử HÀ NỘI - 2022 Chữ ký của GVHD CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Đỗ Thành Hưng Đề tài luận văn: Phân tích và thiết kế anten MIMO quy mô lớn, băng thông rộng cho thiết bị đầu cuối di động 5G Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông Số hiệu học viên: CB190163 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày …………………. với các nội dung sau: - Bổ sung quá trình đưa ra thiết kế anten. - Bổ sung so sánh các nghiên cứu khác so với thiết kế hiện nay trong mục 2.1. - Bổ sung tiêu chí kỹ thuật trước khi thiết kế trong muc 1.4 - Bổ sung từ ngữ viết tắt, giải thích rõ nghĩa (tiếng Anh), đơn vị đo trong Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt. - Làm rõ hơn đóng góp của luận văn. - Bổ sung rõ nghĩa về thiết bị đầu cuối cho mạng di động. Ngày …… tháng …… năm …… Giáo viên hướng dẫn Chủ tịch hội đồng Tác giả luận văn ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Họ và tên học viên: Đỗ Thành Hưng Số hiệu học viên: CB190163 Khóa: 2019B Trường: Điện – Điện tử Ngành: Kỹ thuật Viễn thông 1. Tên đề tài: Phân tích và thiết kế anten MIMO quy mô lớn, băng thông rộng cho thiết bị đầu cuối di động 5G 2. Họ và tên cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Khắc Kiểm 3. Ngày giao đề tài luận văn: ……………………………………………………… 4. Ngày hoàn thành luận văn: ……………………………………………………… Hà Nội, ngày …… tháng …… năm …… Cán bộ hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ, tên) Học viên đã hoàn thành và nộp luận văn ngày ……. tháng …… năm …… Người duyệt Học viên (Ký, ghi rõ họ, tên) (Ký, ghi rõ họ, tên) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học của tôi và tập thể nghiên cứu, không sao chép nguyên bản từ công trình nghiên cứu hay luận văn của người khác. Tất cả những tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ. Hà Nội, ngày …… tháng …… năm …… Học viên thực hiện Đỗ Thành Hưng LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Khắc Kiểm, người thầy đã hướng dẫn trực tiếp về mặt khoa học đồng thời hỗ trợ tôi về nhiều mặt để tôi có thể hoàn thành đề tài luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn Trường Điện – Điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin cảm ơn các thành viên trong CRD Lab, phòng 607&608, thư viện Tạ Quang Bửu, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã có những góp ý và giúp đỡ tôi nhiệt tình trong thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Cuối cùng, tôi dành những lời yêu thương nhất đến mọi thành viên trong gia đình, cơ quan công tác và bạn bè đã luôn bên tôi. Sự động viên, giúp đỡ của họ là động lực mạnh mẽ giúp tôi vượt qua mọi khó khăn để hoàn thành luận văn này. TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Mạng di động thế hệ tiếp theo 5G đã và đang được triển khai thử nghiệm và thương mại hóa trên toàn thế giới. Số lượng thiết bị đầu cuối hỗ trợ 5G đang ngày càng phổ biến trên thoàn thế giới kéo theo yêu cầu cực kỳ lớn về tốc độ dữ liệu, độ trễ, băng thông hoạt động. Đối với hệ thống thiết bị của mạng thông tin di động thế hệ 5G, anten cho trạm gốc là một thành phần rất quan trọng giúp hệ thống đáp ứng được các yêu cầu về băng thông, tốc độ, khả năng chống can nhiễu, … Nhờ đó, công nghệ 5G thỏa mãn nhu cầu sử dụng các dịch vụ băng rộng di động tốc độ cao, có khả năng hỗ trợ video đạt chuẩn HD, 4K UHD và các dịch vụ nội dung phong phú khác. Nhìn chung việc thiết kế tối ưu anten MIMO quy mô lớn vừa có khả năng hoạt động tốt ở dải tần 5G, có độ tăng ích phù hợp với ứng dụng, vừa đảm bảo các đặc tính MIMO như độ cách ly, tính tương quan bức xạ, … sẽ là những thách thức lớn đối với các nhà nghiên cứu hiện nay. Mục tiêu đặt ra của luận văn là hướng đến thiết chế, chế tạo anten MIMO quy mô lớn, băng thông rộng phục vụ cho thiết bị đầu cuối di động 5G. Luận văn gồm 2 chương. Chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống MIMO quy mô lớn, các ưu điểm và thách thức khi triển khai thực tế; anten của các trạm thu phát gốc phục vụ cho thiết bị đầu cuối di động 5G trong đó bao gồm các tham số đặc trưng, đặc tính phân tập anten và hệ anten MIMO. Tiếp theo là nội dung chính của đề tài luận văn, Chương 2 sẽ trình bày thiết kế, mô phỏng chế tạo và đo đạc hệ anten MIMO quy mô lớn băng thông rộng cho băng tần N78 với anten phần tử đơn có kích thước nhỏ gọn, tương hỗ thấp. Hệ anten MIMO có kích thước phù hợp với các trạm thu phát phục vụ cho đầu cuối di động 5G, chi phí thấp, hiệu suất bức xạ cao, có khả năng triển khai cho các sản phẩm thương mại. MỤC LỤC CHƯƠNG 1. ANTEN MIMO QUY MÔ LỚN CHO MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ TIẾP THEO ............................................................................................................ 1 1.1. Giới thiệu chung .......................................................................................... 1 1.2. MIMO quy mô lớn: lợi thế và thách thức ................................................... 4 1.2.1. Khái niệm chung và cách thức hoạt động ............................................ 4 1.2.2. Tiền mã hóa và phát hiện ..................................................................... 6 1.2.2.1. Bộ lọc thích ứng ............................................................................ 7 1.2.2.2. ZF – Zero Forcing ......................................................................... 8 1.2.2.3. Lọc sai số trung bình bình phương tối tiểu MMSE ...................... 9 1.2.3. Dung lượng và tốc độ tổng ................................................................. 10 1.2.4. Ưu điểm hệ thống ............................................................................... 11 1.2.4.1. Tăng dung lượng hệ thống .......................................................... 11 1.2.4.2. Hệ số tăng ích mảng lớn.............................................................. 11 1.2.4.3. Giảm thiểu nhiễu giữa người dùng ............................................. 12 1.2.4.4. Tiền mã hóa và phát hiện tín hiệu đơn giản ................................ 13 1.2.4.5. Cường hóa kênh truyền ............................................................... 14 1.2.4.6. Định dạng búp sóng số ................................................................ 15 1.2.5. Thách thức trong triển khai thực tế .................................................... 15 1.2.5.1. Điều kiện truyền sóng ................................................................. 16 1.2.5.2. Độ phức tạp của phần cứng ......................................................... 16 1.2.5.3. Sai hỏng phần cứng ..................................................................... 17 1.2.5.4. Tương hỗ trong các mảng anten.................................................. 17 1.2.5.5. Ước lượng kênh........................................................................... 17 1.3. Hệ thống anten MIMO .............................................................................. 18 1.3.1. Phân tập anten .................................................................................... 18 1.3.1.1. Phân tập không gian .................................................................... 18 1.3.1.2. Phân tập phân cực ....................................................................... 18 1.3.1.3. Phân tập đồ thị bức xạ ................................................................. 20 1.3.2. Tham số đánh giá anten MIMO ......................................................... 20 1.3.2.1. Tương hỗ ..................................................................................... 20 1.3.2.2. Hệ số tương quan tín hiệu ........................................................... 21 1.3.2.3. Hệ số tăng ích phân tập ............................................................... 22 1.4. Anten trạm gốc di động thế hệ mới .......................................................... 23 1.4.1. Các thông số kỹ thuật......................................................................... 23 1.4.2. Anten trạm gốc đặt ngoài trời ............................................................ 24 1.4.2.1. Đồ thị bức xạ phương vị (Azimuth)............................................ 24 1.4.2.2. Độ nghiêng (elevation) của đồ thị bức xạ ................................... 26 1.4.2.3. Hệ số tăng ích ............................................................................. 27 1.4.2.4. Sự phân tập và hệ số cách ly ....................................................... 28 1.4.2.5. Xử lý công suất ........................................................................... 29 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 30 CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ ANTEN MIMO QUY MÔ LỚN, BĂNG THÔNG RỘNG CHO TRẠM GỐC DI ĐỘNG 5G................................ 31 2.1. Giới thiệu chung........................................................................................ 31 2.2. Thiết kế phần tử đơn ................................................................................. 33 2.2.1. Mô hình thiết kế và nguyên lý hoạt động .......................................... 33 2.2.2. Thiết kế mạng tiếp điện ..................................................................... 37 2.2.3. Kết quả mô phỏng .............................................................................. 38 2.2.4. Chế tạo và đo đạc ............................................................................... 41 2.3. Thiết kế mảng anten con và mảng anten MIMO quy mô lớn ................... 44 2.3.1. Mảng anten con 4 × 1 ........................................................................ 44 2.3.2. Mảng anten MIMO quy mô lớn ......................................................... 52 Kết luận chương 2 ........................................................................................ 54 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 56 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5G Fifth Generation Mạng di động thế hệ 5 ADC Analog-To-Digital Converter Bộ chuyển đổi tương tự - số CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lỹ CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DAC Digital-to-Analog Converter Bộ chuyển đối số - tương tự dBi Decibels per Isotropic Đơn vị đo hệ số tăng ích anten so với anten đẳng hướng DoF Degree of Freedom Bậc không gian tự do ECC Envelop Correlation Coefficient Hệ số tương quan đường bao FDD Frequency-Division Duplexing Song công theo tần số FD-MIMO Full-Dimension Multiple-Input MIMO toàn phần Multiple-Output HPBW Half Power Beamwidth Độ rộng búp sóng nửa công suất HSPA High Speed Packet Access Truy nhập gói tốc độ cao MF Matched Filtering Lọc thích ứng MIMO Multiple-Input Multiple-Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MMSE Minimum Mean-Squared Error Lọc sai số trung bình bình phương tối thiểu MRT Maximum Ratio Transmission Tỉ số truyền dẫn tối đa MU-MIMO Multi User – Multiple - Input MIMO nhiều người dùng Multiple - Output OFDM Orthogonal Frequency Division Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Multiplexing PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in RF Radio Frequency Tần số vô tuyến Rx Receiver Máy thu SINR Signal-to-Interference-PlusNoise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu công SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SU-MIMO Single User - Multiple - Input MIMO một người dùng Multiple - Output TDD Time-Division Duplexing i Song công theo thời gian Tx Transmitter Máy phát WLAN Wireless Local Area Network Mạng cục bộ không dây XPD Cross Polarization Discrimination Ratio Mức chéo phân cực ZF Zero Forcing Lọc không cưỡng bức ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Ví dụ về công nghệ MIMO sử dụng trong cuộc sống hàng ngày: (a) Ảnh chụp một tháp di động nhiều anten và (b) Bộ định tuyến không dây TP Link Archer AX6000 (nguồn: tp-link.com/vn)........................................................................... 1 Hình 1.2: Hệ thống MIMO: (a) Một người dùng và (b) Nhiều người dùng. ......... 2 Hình 1.3: Mô hình triển khai các mảng anten MIMO quy mô lớn trong đô thị. ... 3 Hình 1.4: Mô hình hệ thống MU-MIMO trong: (a) Tuyến xuống và (b) Tuyến lên. Trạm gốc M-anten phục vụ K người dùng anten đơn theo cách ghép kênh không gian. Tính thuận nghịch của kênh được giả định, vì vậy mối quan hệ giữa ma trận kênh tuyến xuống và tuyến lên chỉ đơn giản là ma trận chuyển vị. [6] ................. 4 Hình 1.5: Minh họa cơ chế ZF và MF trong các kênh truyền, với 100 anten trạm gốc, 5 người dùng và 400 bộ tán xạ xung quanh [13]. (a) Với MF, cường độ trường đạt cực đại tại ví trí của người dùng dự định. (b) Với ZF, cường độ trường bằng 0 tại các vị trí của những người dùng không mong muốn. Các cơ chế truyền sóng giống nhau khi số lượng anten khác nhau, đỉnh ở (a) cao hơn, và năng lượng phân bố trong (b) trở nên nhỏ hơn. ................................................................................. 9 Hình 1.6: Các kỹ thuật phân tập anten phổ biến: (a) Phân tập không gian, (b) Phân tập phân cực và (c) Phân tập đồ thị phương hướng bức xạ. ................................. 18 Hình 1.7: Mô hình phân tập không gian. ............................................................. 19 Hình 1.8: Mô hình anten phân tập phân cực. ....................................................... 19 Hình 1.9: Mô hình anten phân tập đồ thị bức xạ.................................................. 20 Hình 1.10: CDF của ngưỡng SNR cho N nhánh phân tập khác nhau [37]. ......... 22 Hình 1.11: Các cell lục giác trong hệ thống thông tin di động. ........................... 25 Hình 1.12: Minh họa về độ nghiêng trong anten trạm gốc (a) Cơ học (b) Điện. . 26 Hình 1.13: Mẫu đồ thị búp sóng điển hình của anten trạm gốc trong mặt phẳng nghiêng sau khi áp dụng mô hình nghiêng. ......................................................... 28 Hình 1.14: Mô hình anten phân cực kép (a) Tấm bức xạ mạch in (b) Lưỡng cực chéo. ..................................................................................................................... 28 Hình 1.15: Sự cố của anten trạm gốc khi bị quá tải công suất. ............................ 29 Hình 2.1: Mảng anten MIMO quy mô lớn 64 kênh RF, 256 phần tử anten cho ứng dụng 5G Sub-6 GHz. [53] .................................................................................... 31 Hình 2.2: Anten thấu kính EM MIMO quy mô lớn. [54] .................................... 32 Hình 2.3: Mảng anten mạch in cho hệ thống FD-MIMO. [55]............................ 32 Hình 2.4: Mảng anten mạch in phân cực kép, cách ly cao cho mạng GSM 1800 MHz. ..................................................................................................................... 32 iii Hình 2.5: Cấu trúc anten phần tử đơn: (a) Mặt bên, (b) Mặt dưới Sub#1 và (c) Mặt trên Sub#2 và Sub#3. ........................................................................................... 34 Hình 2.6: Phân bố dòng mặt trên các tấm bức xạ: (a) Phân cực ngang khi kích thích cổng 1 và (b) Phân cực thẳng đứng khi kích thích cổng 2................................... 35 Hình 2.7: Mạch tương đương của anten cho mỗi cổng đầu vào. ......................... 35 Hình 2.8: Mô hình thiết kế mạch tiếp điện Wilkinson. ....................................... 37 Hình 2.9: Kết quả mô phỏng tham số tán xạ S của mạch chia Wilkinson........... 37 Hình 2.10: Mô hình thiết kế anten đơn trong phần mềm HFSS. ......................... 38 Hình 2.11: Kết quả mô phỏng tham số tán xạ S của anten phần tử đơn. ............. 38 Hình 2.12: Hệ số tăng ích thực và hiệu suất bức xạ của phần tử đơn theo tần số. .............................................................................................................................. 39 Hình 2.13: Đồ thị bức xạ 2D của anten khi tiếp điện cổng 1 và cổng 2 ở ba tần số 3,5 GHz; 3,6 GHz và 3,7 GHz. ............................................................................ 40 Hình 2.14: Đồ thị bức xạ 3D của anten đơn ở ba tần số 3,5 GHz; 3,6 GHz và 3,7 GHz khi: (a) Tiếp điện cổng 1 và (b) Tiếp điện cổng 2. ...................................... 41 Hình 2.15: (a) Layout mạch in trong phần mềm Altium và (b) Ảnh chụp PCB thực tế. .......................................................................................................................... 42 Hình 2.16: Ảnh chụp mối hàn đầu nối SMA tiếp điện cho cổng 1...................... 42 Hình 2.17: Ảnh chụp anten thực tế: (a) Mặt trên, (b) Mặt dưới và (c) Mặt bên. . 43 Hình 2.18: Đo đạc tham số tán xạ S của anten đơn bằng máy phân tích mạng cao tần. ........................................................................................................................ 43 Hình 2.19: Kết quả đo đạc và mô phỏng tham số tán xạ S của anten đơn. ......... 44 Hình 2.20: (a) Mô hình thiết kế mảng anten con MIMO quy mô lớn và (b) Mô hình mô phỏng mảng anten con trong phần mềm HFSS. ............................................ 45 Hình 2.21: Băng thông trở kháng đầu vào của 8 cổng anten mảng con 4 × 1. .... 45 Hình 2.22: (a) Kết quả mô phỏng cách ly giữa các cổng anten đơn và (b) Tương hỗ giữa các cổng anten liền kề cùng mode kích thích. ........................................ 46 Hình 2.23: Tương hỗ giữa các cổng anten trong mảng còn 4 × 1 so với cổng 1: (a) Đồng phân cực và (b) Chéo phân cực. ................................................................. 47 Hình 2.24: Kết quả mô phỏng hệ số tăng ích thực đồng phân cực và phân cực chéo khi tiếp điện đơn lẻ từng anten đơn trong mảng: (a) Kích thích phân cực ngang, (b) Kích thích phân cực đứng. ................................................................................... 48 Hình 2.25: Hệ số tăng ích thực đồng phân cực và chéo phân cực của mảng con khi kích thích phân cực ngang và phân cực đứng đồng thời cả 4 anten đơn. ............ 49 Hình 2.26: Đồ thị bức xạ 2D của mảng con khi kích thích phân cực ngang và kích thích phân cực đứng. ............................................................................................ 50 iv Hình 2.27: Mô hình mô phỏng mảng anten con 4 × 1 kết hợp với đồ thị bức xạ 3D theo mode phân cực ngang: (a) Tiếp điện đơn lẻ từng anten, (b) Tiếp điện tất cả các anten. .............................................................................................................. 51 Hình 2.28: Hệ số tương quan đường bao ECC giữa các cổng anten trong mảng con: (a) Đồng phân cực và (b) Chéo phân cực. ........................................................... 52 Hình 2.29: Mô hình thiết kế mảng anten MIMO quy mô lớn 4 × 8. ................... 53 Hình 2.30: Đồ thị bức xạ 3 chiều của mảng anten MIMO quy mô lớn khi kích thích mode phân cực ngang và phân cực đứng tất cả các anten đơn. ........................... 53 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Bảng tham số kích thước tối ưu anten phần tử đơn. (Đơn vị: mm) .... 33 vi