Tài liệu Nghiên cứu cấu trúc mặt phẳng đất khuyết dgs cho thiết kế anten băng tần milimet trong truyền thông di động 5g

Đồ án tốt nghiệp đại học MỤC LỤC MỤC LỤC HÌNH ẢNH................................................................................................. i MỤC LỤC BẢNG........................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................... iv LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................1 LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................2 CHƢƠNG 1: TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG THẾ HỆ 5 (5G) ..................................3 1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động ....................................................3 1.1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................ 3 1.1.2 Các hệ thống thông tin di động .................................................................... 3 1.2 Tổng quan về 5G ..................................................................................................8 1.2.1 Khái niệm....................................................................................................... 8 1.2.2 Các công nghệ hệ thống then chốt ............................................................... 9 1.2.3 Kiến trúc cơ bản hệ thống thu phát 5G ................................................... 11 1.2.4 Băng tần hoạt động và các yêu cầu kỹ thuật cho anten .......................... 15 1.3 Kết luận chƣơng 1 ..............................................................................................21 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ ANTEN PATCH ..................................................22 2.1 Lý thuyết anten ...................................................................................................22 2.1.1 Định nghĩa ................................................................................................... 22 2.1.2 Các tham số cơ bản ..................................................................................... 22 2.2 Anten patch .........................................................................................................23 2.2.1 Định nghĩa ................................................................................................... 23 2.2.2 Cấu trúc ....................................................................................................... 23 2.2.3 Đặc điểm ...................................................................................................... 24 2.2.4 Hoạt động..................................................................................................... 26 2.2.5 Các kỹ thuật tiếp điện cho anten patch .................................................... 27 2.2.6 Ứng dụng ..................................................................................................... 30 2.3 Kết luận chƣơng 2 ..............................................................................................30 CHƢƠNG 3: CẤU TRÚC MẶT PHẲNG ĐẤT KHUYẾT DGS............................31 3.1 Giới thiệu.............................................................................................................31 Phạm Đình Sơn – D13VT6 Đồ án tốt nghiệp đại học 3.2 Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết (DGS) ............................................................31 3.3 Các đặc tính cơ bản của cấu trúc DGS. ...........................................................32 3.3.1 Nguyên lý hoạt động ................................................................................... 32 3.3.2 Mô hình mạch cộng hƣởng cho cấu trúc DGS ......................................... 33 3.4 Ứng dụng của DGS ............................................................................................35 3.4.1 Bộ lọc thông thấp DGS ............................................................................... 35 3.4.2 Ống dẫn sóng đồng phẳng .......................................................................... 37 3.4.3 Ứng dụng vào Anten Patch ........................................................................ 38 3.5 Kết luận chƣơng 3 ..............................................................................................41 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ ANTEN BĂNG TẦN MILIMET CHO TRUYỀN THÔNG 5G SỬ DỤNG CẤU TRÚC DGS ................................................................42 4.1 Tiến trình thiết kế...............................................................................................42 4.2 Phần mềm CST (Computer Simulation Technology) .....................................43 4.3 Anten 5G sử dụng cấu trúc DGS tại băng tần milimet ..................................45 4.3.1 Giới thiệu ..................................................................................................... 45 4.3.2 Thiết kế ........................................................................................................ 45 4.3.3 Kết quả ......................................................................................................... 48 4.4 Kết luận chƣơng 4 ..............................................................................................52 KẾT LUẬN ..................................................................................................................53 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................54 Phạm Đình Sơn – D13VT6 Đồ án tốt nghiệp đại học MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Kiến trúc cơ bản của hệ thống truyền thông 5G.............................................11 Hình 1.2 Transmission Lines (a) Microstrip (b) Stripline (c) CPW (d) CBCPW (e) SIW................................................................................................................................13 Hình 1.3 Các cấu hình triển khai massive MIMO.........................................................17 Hình 1.4 Chùm bức xạ của anten mảng........................................................................18 Hình 1.5 Các dạng hình học của anten mảng................................................................19 Hình 1.6 Cấu hình anten MIMO mô phỏng và trên điện thoại di động........................20 Hình 1.7 Đồ thị bức xạ của anten MIMO......................................................................20 Hình 2.1 Mô hình truyền sóng......................................................................................22 Hình 2.2 Một số hình dạng patch thông dụng...............................................................23 Hình 2.3 Cấu trúc đơn giản của anten patch..................................................................24 Hình 2.4 Mật độ dòng và phân bố điện tích của anten patch........................................25 Hình 2.5 Phân bố từ trường của patch ở mode TM 100...............................................26 Hình 2.6 Anten patch với khe bức xạ tương đương......................................................26 Hình 2.7 Hoạt động của anten patch.............................................................................27 Hình 2.8 Sóng phản xạ của anten patch........................................................................27 Hình 2.9 Cấp nguồn dùng đường truyền vi dải.............................................................21 Hình 2.10 Cấp nguồn dùng cáp đồng trục.....................................................................21 Hình 2.11 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép khe-Aperture coupled.........................22 Hình 2.12 Cấp nguồn dùng phương pháp ghép tần-proximity coupled........................22 Hình 3.1 Một số khuôn mẫu DGS................................................................................32 Hình 3.2 DGS chuông..................................................................................................33 Hình 3.3 Sơ đồ tương đương của bộ lọc thông thấp DGS............................................33 Hình 3.4 Mạch tương đương hình π cho cấu trúc DGS (a) Mạch tương đương; (b) Mạch hình π...................................................................................................................34 Hình 3.5 RC bộ lọc thông thấp......................................................................................36 Hình 3.6 Đáp ứng tần số của một bộ lọc thông thấp....................................................37 Hình 3.7 Hướng dẫn sóng đồng trục với công nghệ SIW gắn với DGS.......................38 Hình 3.8 Hình học của anten microstrip hình tam giác đều..........................................39 Hình 3.9 Hình học của anten microstrip phân cực tròn phân cực tròn với DGS...........39 Hình 3.10 Cấu hình Anten ba khe với nhiều tần số cộng hưởng...................................40 Phạm Đình Sơn – D13VT6 i Đồ án tốt nghiệp đại học Hình 3.11 Hình học và kích thước của anten khe vuông vuông in hình chữ nhật với khe quay (a) và (b) Khe quay có vạch trung tâm..........................................................40 Hình 3.12 Dây Microstrip với mô hình DGS trên mặt phẳng mặt đất..........................41 Hình 4.1 Lưu đồ tiến trình thiết kế................................................................................42 Hình 4.2 Giao diện chào mừng CST STUDIO SUITE.................................................43 Hình 4.3 Giao diện chào mừng CST MICROWAVE STUDIO...................................44 Hình 4.4 Giao diện công cụ History list........................................................................44 Hình 4.5 Giao diện hướng dẫn sử dụng.........................................................................45 Hình 4.6 Cấu trúc anten không có DGS........................................................................47 Hình 4.7 Cấu trúc DGS.................................................................................................47 Hình 4.8 Cấu trúc anten có DGS...................................................................................48 Hình 4.9 Đồ thì S11 của anten......................................................................................48 Hình 4.10 Đồ thị bức xạ 3D và 2D của anten tại băng tần 38 Ghz...............................49 Hình 4.11 Đồ thì S11 của anten.....................................................................................49 Hình 4.12 Đồ thị bức xạ 3D và 2D của anten tại băng tần 28 Ghz...............................50 Hình 4.13 Đồ thị bức xạ 3D và 2D của anten tại băng tần 38 Ghz...............................50 Hình 4.14 Anten 5G milimet chế tạo thực tế.................................................................51 Hình 4.15 Đồ thị tham số S11 đo kiểm........................................................................51 Phạm Đình Sơn – D13VT6 ii Đồ án tốt nghiệp đại học MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1 So sánh truyền thông 5G với các công nghệ truyền thông trước đó............... 9 Bảng 1.2 Đặc tính suy hao của một số bước sóng milimet...........................................21 Bảng 3.1 So sánh PBG, EBG và DGS..........................................................................32 Bảng 4.1 Nguyên liệu chế tạo anten .............................................................................46 Bảng 4.2 Kích thước anten............................................................................................46 Bảng 4.3 Tham số của cấu trúc DGS............................................................................47 Bảng 4.4 Tổng hợp tham số của anten không có DGS..................................................49 Bảng 4.5 Tổng hợp tham số của anten có DGS.............................................................50 Bảng 4.6 So sánh tham số của anten không có DGS và có DGS..................................51 Phạm Đình Sơn – D13VT6 iii Đồ án tốt nghiệp đại học DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4G 4th Generation Thế hệ mạng di động thứ 4 5G 5th Generation Thế hệ mạng di động thứ 5 CBCPW Conductorbacked coplanar waveguide CPW Coplanar waveguide Ống dẫn sóng đồng phẳng DGS International Telecommunications Union Liên minh Viễn Thông Quốc Tế EBG Electronmagnetic Band Gap Dải chắn điện từ GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu FDTD Finite Difference Time Domain Phương pháp sai phân hữu hạn miền thời gian FEM Finite element Method Phương pháp phần tử hữu hạn LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MIMO Multi Input, Multi Output Nhiều đầu vào, nhiều đầu ra MoM Method of Moment Phương pháp momen PCB Printed circuit board Bảng mạch in QoS Quality of service Chất lượng dịch vụ RF Radio frequency Tần số vô tuyến RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng tần số vô tuyến SMD Surface Mount Device Thiết bị lắp đặt trên bề mặt SMT Surface Mount Technology Công nghệ dán bề mặt VR Virtual Reality Thực tế ảo Phạm Đình Sơn – D13VT6 iv Đồ án tốt nghiệp đại học LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm những năm gần đây, nghiên cứu về thế hệ mạng di dộng thứ 5 (5G) là một trong những hướng đề tài được các nhà khoa học chú trọng. Đây là thế hệ tiếp theo của công nghệ thông tin di động sau thế hệ 4G, đang còn trong giai đoạn phát triển và hứa hẹn sẽ ứng dụng rộng rãi trong tương lai gần. 5G sẽ khắc phục những nhược điểm của 4G-LTE và các thế hệ trước đó, đặc biệt là tốc độ truyền tải vượt trội của nó. Trong truyền thông vô tuyến nói chung và thông tin di động nói riêng, anten là một thành phần quan trọng không thể thiếu đối với sự vận hành của toàn hệ thống. Nghiên cứu, phát triển các mẫu anten sử dụng băng tần minimet trong 5G là điều tất yếu do những ưu điểm nổi trội mà dải tần này có thể mang lại. Một thách thức đặt ra là các thiết bị di động càng ngày càng nhỏ vì vậy các phương pháp cải tiến các thông số của anten vi dải đã được nghiên cứu, một trong những phương pháp đó là thay đổi cấu trúc mặt phẳng đất khuyết Defected Ground Structure (DGS). Kỹ thuật này đơn giản là tạo các dị tật trên mặt phẳng đất của các anten vi dải nhưng lại mang lại nhiều hiệu quả cho anten. Chính vì thế em đã chọn đề tài “Nghiên cứu cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS cho thiết kế anten băng tần milimet trong truyền thông di động 5G”. Nội dung báo cáo gồm: Chương 1: Truyền thông di động thế hệ thứ 5 (5G). Chương 2: Nghiên cứu anten vi dải. Chương 3: Cấu trúc mặt phẳng đất khuyết DGS. Chương 4: Thiết kế anten băng tần milimet cho truyền thông di động 5G sử dụng cấu trúc DGS. Mặc dù đã cố gắng hết sức, nhưng thời gian và kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình nghiên cứu và trình bày đồ án này không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được những ý kiến đánh giá hữu ích của các thầy cô để hoàn thiện kiến thức, khả năng của bản thân. Xin trân trọng cảm ơn! Hà Nội, Tháng 11 năm 2017 Sinh viên thực hiện đề tài: Phạm Đình Sơn Phạm Đình Sơn – D13VT6 1 Đồ án tốt nghiệp đại học LỜI CẢM ƠN Sau quá trình học tập, tích lũy kiến thức tại Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn thông, dưới sự chỉ đạo của Khoa Viễn Thông 1, em được nhận cơ hội làm đồ án để hoàn thành khối kiến thức tốt nghiệp. Đây không chỉ là cột mốc đánh dấu kết thúc cho một quá trình học tập lâu dài tại giảng đường đại học, mà còn là một cơ hội để lớp sinh viên chúng em vận dụng những điều đã được học vào giải quyết các bài toán thực tế, đây cũng là giai đoạn quan trọng để sinh viên hoàn thiện kỹ năng trước khi bước vào môi trường làm việc thực tế đầy khó khăn. Để hoàn thành đồ tốt án này, chỉ sự cố gắng từ bản thân người là chưa đủ, chất lượng hoàn thiện của đồ án bị ảnh hưởng rất lớn từ những người xung quanh, đặc biệt những người thân, người thầy trực tiếp hướng dẫn chỉ dạy. Em xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Viễn Thông 1 đã truyền dạy kiến thức và tạo điều kiện cho chúng em tham gia các hoạt động nghiên cứu trong suốt quá trình học tập tại Học viện. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến cô giáo ThS. Dương Thị Thanh Tú, nếu không có sự dẫn dắt tận tình của cô trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thì em khó có thể có được kết quả học tập tốt và hoàn thành đồ án này. Xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ, các anh chị, và những người bạn đã luôn ở bên, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành nhiệm vụ. Phạm Đình Sơn Phạm Đình Sơn – D13VT6 2 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động thế hệ 5 (5G) CHƢƠNG 1: TRUYỀN THÔNG DI ĐỘNG THẾ HỆ 5 (5G) Trong khi các thiết bị di động hỗ trợ mạng 4G đang thống trị thị trường thì các nhà sản xuất bắt đầu chuẩn bị cho cuộc đua 5G – thế hệ mạng không dây đánh bại WIFI trong tương lai. Mới đây, Liên minh Viễn Thông Quốc Tế (ITU - International Telecommunications Union) đã đưa ra những thông tin về bản dự thảo về công nghệ vô tuyến IMT-2020, khẳng định công nghệ mạng mới nhất, 5G, đạt tốc độ vượt trội của thế hệ mạng không dây của tương lai. 1.1 Sự phát triển của hệ thống thông tin di động 1.1.1 Giới thiệu chung Thông tin di động luôn không ngừng phát triển và ngày càng đòi hỏi các kỹ thuật tiên tiến và công nghệ cao. Ý tưởng về sự liên lạc tức thời mà không quan tâm đến khoảng cách địa lý là một ý tưởng lớn của loài người và ý tưởng đó đã trở thành hiện thực nhờ sự trợ giúp của kỹ thuật và công nghệ. Việc sử dụng sóng vô tuyến để truyền thông tin diễn ra lần đầu tiên vào cuối thế kỷ 19. Kể từ đó nó trở thành một công nghệ được ứng dụng rộng rãi trong thông tin quân đội và sau này là thông tin vô tuyến công cộng. Sau nhiều năm phát triển, thông tin di động đã trải qua những giai đoạn phát triển quan trọng. Từ hệ thống thông tin di động tương tự- thế hệ thứ nhất đến hệ thống thông tin di động số- thế hệ thứ hai, hệ thống thông tin di động băng rộng- thế hệ thứ ba đang được triển khai trên phạm vi toàn cầu và hệ thống thông tin di động đa phương tiện- thế hệ thứ tư. Dịch vụ chủ yếu của hệ thống thông tin di động thứ nhất và thứ hai chủ yếu là thoại còn dịch vụ thế hệ thứ ba và thứ tư phát triển về dịch vụ dữ liệu và đa phương tiện. 1.1.2 Các hệ thống thông tin di động  Thế hệ thứ nhất (1G) Mạng thông tin di động thế hệ thứ nhất là mạng thông tin di động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới. Nó là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết nối tín hiệu analog được giới thiệu lần đầu tiên vào những năm đầu thập niên 80s. Nó sử dụng các ăng-ten thu phát sóng gắn ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lý thoại thông qua các module gắn trong máy di động. Chính vì thế mà các thế hệ máy di động đầu tiên trên thế giới có kích thước khá to và cồng kềnh do tích hợp cùng lúc 2 module thu tín hiện và phát tín hiệu. Các đặc trưng của hệ thống mạng 1G là: dung lượng thấp, kỹ thuật chuyển mạch tương tự, xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng handoff (chuyển cuộc gọi giữa các tế bào) không tin cậy, chất lượng âm thanh thấp, không có cơ chế bảo mật… Mặc dù là thế hệ mạng di động đầu tiên với tần số chỉ từ 150MHz nhưng mạng 1G cũng phân ra khá nhiều chuẩn kết nối theo từng phân vùng riêng trên thế giới: NMT (Nordic Mobile Telephone) là chuẩn dành cho các nước Bắc Âu và Nga; AMPS (Advanced Mobile Phone System) tại Hoa Kỳ; TACS (Total Access Communications System) tại Anh; JTAGS tại Nhật; C-Netz tại Tây Đức; Radiocom 2000 tại Pháp; RTMI tại Ý. Phạm Đình Sơn – D13VT6 3 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động thế hệ 5 (5G)  Thế hệ thứ hai (2G) Mạng thông tin di động 2G là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn toàn so với thế hệ đầu tiên. Nó sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu analog của thế hệ 1G và được áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja (hiện là nhà cung cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj) trong năm 1991. Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS. Theo đó, các tín hiệu thoại khi được thu nhận sẽ đuợc mã hoá thành tín hiệu kỹ thuật số dưới nhiều dạng mã hiệu (codecs), cho phép nhiều gói mã thoại được lưu chuyển trên cùng một băng thông, tiết kiệm thời gian và chi phí. Song song đó, tín hiệu kỹ thuật số truyền nhận trong thế hệ 2G tạo ra nguồn năng lượng sóng nhẹ hơn và sử dụng các chip thu phát nhỏ hơn, tiết kiệm diện tích bên trong thiết bị hơn… Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: nền TDMA (Time Division Multiple Access) và nền CDMA cùng nhiều dạng kết nối mạng tuỳ theo yêu cầu sử dụng từ thiết bị cũng như hạ tầng từng phân vùng quốc gia: - GSM (Global System Mobile) Ra đời năm 1988 GSM là chuẩn phổ biến nhất cho thông tin di động tế bào, trên 2 tỉ người trên thế giới sử dụng các loại hình dịch vụ của chuẩn này và nó phủ sóng ở trên 200 quốc gia trên toàn thế giới. Chuẩn này cho phép roaming toàn cầu với các mạng cùng chuẩn mang lại tiện ích rất lớn cho người sử dụng, họ có thể mang máy tới bất kỳ nơi đâu chỉ cần các nhà điều hành mạng kết nối mạng lưới sử dụng của họ với nhau. Sử dụng kết hợp hai phương pháp đa truy cập theo thời gian TDMA và theo tần số FDMA nhờ đó tại một thời điểm có thể có 8 thuê bao cùng sử dụng chung một kênh toàn tốc (Full Rate) 13Kbps và 16 thuê bao cùng dùng chung một kênh bán tốc (Haft Rate) 6Kbps. Điện thoại GSM sử dụng SIM - CARD do nhà điều hành cấp, SIM như một máy tính nhỏ lưu trữ danh bạ và các thông tin từ nhà điều hành mạng, thuê bao có thể liên kết với mạng nhờ thẻ SIM này. GSM khai thác băng tần 900MHz và 1800MHz, một số ít nơi khai thác băng tần 850MHz và 1900MHz như Mỹ và Canada do băng 900MHz và 1800MHz đã bị khai thác hết. Công suất của MS tối đa với GSM900 là 2.5W, đối với GSM1800 là 1W. Bán kính phủ sóng của GSM phụ thuộc vào độ cao, tăng ích của ăng-ten và điều kiện truyền sóng. Bán kính tối đa cho vùng phủ sóng của nó là 35Km. Ở Việt Nam hiện có 3 nhà điều hành mạng khai thác băng tần GSM900: Viettel, Vinaphone, MobiPhone. Riêng có MobiPhone, Viettel đang triển khai và khai thác băng tần GSM1800. - IS95 (CDMA ONE) IS95 là mạng tế bào số đầu tiên sử dụng phương pháp đa truy nhập kiểu CDMA nên còn được gọi là CDMA ONE do Qualcom đề suất và được triển khai đầu tiên ở Mỹ. Phạm Đình Sơn – D13VT6 4 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động thế hệ 5 (5G) Dung lượng kênh của CDMA là lớn gấp khoảng 6 lần so với dung lượng kênh của GSM dó đó một số lượng lớn thuê bao có thể được phục vụ bởi số tế bào ít hơn, nhờ đó mà đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với GSM. Đặc biệt với hạ tầng và công nghệ của nó dễ dàng để nâng cấp lên chuẩn cao hơn với tốc độ truyền dữ liệu cao hơn. Sử dụng đa truy nhập thep phương pháp CDMA (Code Division Multi Access), trong đó mỗi thuê bao sử dụng mạng sẽ được cung cấp một mã trải phổ PN (Pseudo Noise). Khác với GSM các thuê bao sử dụng phương pháp đa truy nhập kiểu CDMA có thể truy nhập mạng cùng một lúc và các thuê bao có thể sử dụng chung tần số sóng mang trong cùng một tế bào. Các thuê bao chỉ phân biệt nhau ở mã trải phổ mà nó được cấp.  Thế hệ 2.5G Là thế hệ kết nối thông tin di động bản lề giữa 2G và 3G. Chữ số 2.5G chính là biểu tượng cho việc mạng 2G được trang bị hệ thống chuyển mạch gói bên cạnh hệ thống chuyển mạch theo kênh truyền thống. Nó không được định nghĩa chính thức bởi bất kỳ nhà mạng hay tổ chức nào và chỉ mang mục đích duy nhất là tiếp thị công nghệ mới theo mạng 2G. Mạng 2.5G cung cấp một số lợi ích tương tự mạng 3G và có thể dùng cơ sở hạ tầng có sẵn của các nhà mạng 2G trong các mạng GSM và CDMA. Và tiến bộ duy nhất chính là GPRS - công nghệ kết nối trực tuyến, lưu chuyển dữ liệu được dùng bởi các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM. Bên cạnh đó, một vài giao thức, chẳng hạn như EDGE cho GSM và CDMA2000 1x-RTT cho CDMA, có thể đạt được chất lượng gần như các dịch vụ cơ bản 3G (bởi vì chúng dùng một tốc độ truyền dữ liệu chung là 144 kbit/s), nhưng vẫn được xem như là dịch vụ 2.5G (hoặc là nghe có vẻ phức tạp hơn là 2.75G) bởi vì nó chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thực sự. - GPRS (General Packet Radio Service) GPRS là một hệ thống được nâng cấp lên từ hệ thống GSM. Nó sử dụng phương thức chuyển mạch gói, người dùng sẽ nhận thông tin dưới dạng gói dữ liệu, cũng chính vì thế mà giá cước cũng tính theo dung lượng mà người dùng nhận và gửi, khác với GSM là tính cước dựa trên thời gian đàm thoại của người sử dụng. Cũng nhờ phương pháp này mà tốc độ truyền dẫn tăng lên và giá thành sử dụng lại kinh tế hơn. GPRS cho phép cung cấp các dịch vụ kết nối ảo, truyền số liệu lên đến 171.2Kbps cho mỗi người sử dụng nhờ có thể sử dụng cùng một lúc nhiều khe thời gian để truyền dẫn. Bên cạnh mục đích nâng cao dung lượng và chất lượng phục vụ, GPRS còn được xem là bước đệm để tiến lên 3G. Với việc xây dựng hệ thống GPRS, các nhà khai thác đã xây dựng một cấu trúc mạng lõi dựa trên IP (Internet Protocol) để hỗ trợ cho các ứng dụng về số liệu, cũng như tạo ra môi trường để thử nghiệm và khai thác các dịch vụ tích hợp giữa thoại và số liệu của thế hệ 3G sau này. Trong hệ thống tập trung hỗ trợ cho dịch vụ thoại là chủ yếu như GSM thì mục đích chính của GPRS là cung cấp các tiện ích truy nhập mạng sử dụng chuẩn TCP/IP. - EDGE (Data rates for GSM Evolution) EDGE hay còn gọi là E-GPRS, có thể coi là một sản phẩm cải tiến của GPRS .Cũng giống như GPRS, EDGE là một sản phẩm được nghiên cứu và triển khai trên nền GSM để tiến lên 3G. Sử dụng dịch vụ chuyển mạch gói với tốc độ cao gấp 3 lần so Phạm Đình Sơn – D13VT6 5 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động thế hệ 5 (5G) với GPRS nhờ đó mà EDGE có thể cung cấp các dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao, ngoài truyền thoại còn có thể truyền video với chất lượng tương đối tốt, ngoài ra còn có thể kết nối Internet. EDGE sử dụng phương thức điều chế, phương thức mã hóa và cơ chế thích ứng đuờng truyền mới để đạt được tốc độ truyền dữ liệu tối đa (với MCS-9) gấp 3 lần tốc độ tối đa của GPRS (với CS4). Trong khi GSM, GPRS sử dụng điều chế GMSK, thì EDGE sử dụng thêm điều chế 8-PSK cho mã hóa tốc độ cao MCS5-MCS9, bên cạnh GMSK cho mã hóa tốc độ thấp MCS1-MCS4.  Thế hệ thứ ba (3G) 3G là thế hệ truyền thông di động thứ ba, tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó. Nó cho phép người dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips...). Trong số các dịch vụ của 3G, điện thoại video thường được miêu tả như là lá cờ đầu. Giá tần số cho công nghệ 3G rất đắt tại nhiều nước, nơi mà các cuộc bán đầu giá tần số mang lại hàng tỷ Euro cho các chính phủ. Bởi vì chi phí cho bản quyền về các tần số phải trang trải trong nhiều năm trước khi các thu nhập từ mạng 3G đem lại, nên một khối lượng vốn đầu tư khổng lồ là cần thiết để xây dựng mạng 3G. Nhiều nhà cung cấp dịch vụ viễn thông đã rơi vào khó khăn về tài chính và điều này đã làm chậm trễ việc triển khai mạng 3G tại nhiều nước ngoại trừ Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi yêu cầu về bản quyền tần số được bỏ qua do phát triển hạ tâng cơ sở IT quốc gia được đặt lên làm vấn đề ưu tiên nhất. Và cũng chính Nhật Bản là nước đầu tiên đưa 3G vào khai thác thương mại một cách rộng rãi, tiên phong bởi nhà mạng NTT DoCoMo. Tính đến năm 2005, khoảng 40% các thuê bao tại Nhật Bản là thuê bao 3G, và mạng 2G đang dần dần đi vào lãng quên trong tiềm thức công nghệ tại Nhật Bản. Công nghệ 3G cũng được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễn thông Thế giới (ITU). Ban đầu 3G được dự kiến là một chuẩn thống nhất trên thế giới, nhưng trên thực tế, thế giới 3G đã bị chia thành 4 phần riêng biệt: - WCDMA (Wideband-CDMA) Được nghiên cứu và phát triển bởi tập đoàn viễn thông NTT DOCOMO và sau đó đã được đề xuất lên tổ chức viễn thông quốc tế ITU làm chuẩn cho thế hệ thứ 3 và được biết đến với một tên khác là IMT-2000. Phát triển lên trên nền chuẩn CDMA, độ phân cách sóng mang cho các kênh truyền là 5MHz trong khi của CDMA2000 là 1.25MHz qua đó có thể thấy dung lượng của WCDMA là rất lớn, do đó nó cho phép hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ cao, hỗ trợ truyền thoại, hình ảnh và video chất lượng cao. - UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) UMTS là một trong những mạng di động thuộc thế hệ 3G. Nó là sự kết hợp các công nghệ của thế hệ 3G kết hợp với chuẩn GSM vì thế mà đôi khi người ta còn gọi UMTS là 3GSM. Hỗ trợ truyền dữ liệu với tốc độ lên đến 2Mbps cho phép truyền hình ảnh và đa phương tiện chất lượng cao. 3.5G: là hệ thống mạng di động truyền tải tốc độ cao HSDPA (High Speed Downlink Packet Access), phát triển từ 3G và hiện đang được 166 nhà mạng tại 75 nước đưa vào cung cấp cho người dùng. Nó đuợc kết hợp từ 2 công nghệ kết nối không dây hiện đại HSPA và HSUPA, cho phép tốc độ truyền dẫn lên đến 7.2Mbp/s. Phạm Đình Sơn – D13VT6 6 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động thế hệ 5 (5G)  Thế hệ thứ tƣ (4G) 4G là công nghệ truyền thông không dây thế hệ thứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1 - 1,5 Gbit/s. Các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 Mbit/s khi di chuyển và tới 1 Gbit/s khi đứng yên, cũng như cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên các hình ảnh, video clips chất lượng cao. Trong mạng 4G có thể roaming từ mạng di động này sang mạng di động khác và từ các công nghệ không dây khác nhau. Mạng lõi hoàn toàn ứng dụng trên nền IP, khác với các thế hệ trước là sử dụng phương thức chuyển mạch gói. Các công nghệ ứng dụng cho thế hệ 4G đó là: - OFDM Một trong những công nghệ chính của mạng 4G là ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). OFDM là một dạng của điều chế đa sóng mang, làm việc theo nguyên tắc phân chia dòng bit truyền tại dải thông B thành nhiều dòng bit song song N với khoảng cách B/N. Các sóng mang con trực giao N điều chế dòng bit song song, sau đó được tổng hợp lại trước khi truyền dẫn. Một bộ phát OFDM chấp nhận dữ liệu từ mạng IP, biến đổi và mã hoá dữ liệu trước khi điều chế. Một bộ IFFT (biến đổi ngược Fourier nhanh) biến đổi tín hiệu OFDM thành tín hiệu tương tự IF và được gửi tới bộ thu RF. Mạch thu khôi phục lại dữ liệu bằng cách đảo chiều chu trình này. Với các sóng mang con trực giao, bộ thu có thể tách biệt và xử lý mỗi sóng mang con mà không có nhiễu từ các sóng mang con khác. Không bị pha-đinh và trễ đa đường như các công nghệ truyền dẫn khác, OFDM cung cấp liên kết và chất lượng thông tốt hơn. - Công nghệ MIMO Hệ thống MIMO (Multi Input Multi Output) sử dụng hệ thống ăng-ten dàn ở cả phần phát và phần thu. Tín hiệu cần gửi được tách ra thành N luồng nhỏ và được phát đi trên N ăng-ten qua các môi trường có đặc tính pha-đinh khác nhau. Về lý thuyết thì có nghĩa ta đã tăng hiệu suất sử dụng phổ tần lên gấp N lần và tỉ lệ lỗi bit cho ảnh hưởng của pha-đinh và điều kiện kênh truyền sẽ giảm đi. Khi truyền qua các kênh không tương quan giữa hệ thống phát và thu, tín hiệu từ mỗi ăng-ten phát tại vị trí thu có sự khác nhau về tham số không gian. Hệ thống máy thu có thể sử dụng sự khác biệt này để tách các tín hiệu có cùng tần số được phát đồng thời từ các ăng-ten khác nhau. - Công nghệ Wimax WiMax di động là một giải pháp vô tuyến băng rộng cho phép hội tụ các mạng băng rộng cố định và di động thông qua một công nghệ truy nhập vô tuyến băng rộng diện rộng và kiến trúc mạng mềm dẻo. Giao diện không gian WiMax di động thông qua công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) để cải thiện hiệu suất đa đường trong môi trường tầm nhìn không thẳng NLOS. OFDMA theo tỷ lệ (SOFDMA) được giới thiệu trong bổ sung IEEE 802.16e để hỗ trợ các băng tần kênh truyền theo tỷ lệ từ 1.25 đến 20MHz. Nhóm kỹ thuật di dộng (Mobile Technical Group) trong diễn đàn WiMax đang phát triển các tham số hệ thống cho WiMax di động qua đó xác định các đặc tính bắt buộc và tùy chọn của chuẩn IEEE mà cần thiết để xây dựng giao diện không gian tuân theo WiMax di động có thể được chứng nhận bởi diễn đàn WiMax. Các tham số hệ thống WiMax di động cho phép các hệ thống di Phạm Đình Sơn – D13VT6 7 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động thế hệ 5 (5G) động được cấu hình dựa trên một tập hợp đặc tính cơ bản phổ biến do đó đảm bảo các chức năng cơ bản nhất cho các thiết bị đầu cuối và các trạm gốc có thể tương tác hoàn toàn. Một số các phần tử của tham số trạm gốc được đưa ra như một tùy chọn để cung cấp thêm tính linh hoạt cho việc triển khai, dựa trên các điều kiện triển khai cụ thể mà có thể yêu cầu các cấu hình khác nhau là dung lượng tối ưu hay độ bao phủ tối ưu. Các tham số WiMax di động phiên bản 1 sẽ bao phủ các băng tần kênh là 5, 7, 8.75 và 10MHz cho các ấn định phổ cấp phép toàn cầu trong các băng tần 2.3, 3.3 và 3.5 GHz. Nhóm làm việc diễn đàn WiMax đang phát triển các đặc điểm kỹ thuật mạng mức cao hơn cho các hệ thống WiMax di động dựa trên những gì được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.16 mà chỉ đơn giản gọi tên các đặc điểm kỹ thuật giao diện vô tuyến. Sự cố gắng kết hợp của IEEE 802.16 và diễn đàn WiMax giúp định nghĩa giải pháp hệ thống đầu cuối-đầu cuối (end-to-end) cho một mạng WiMax di động. Các hệ thống WiMax di động đề xuất khả năng thay đổi được cho cả công nghệ truy nhập vô tuyến và kiến trúc mạng, vì vậy nó cung cấp tính linh hoạt lớn cho các lựa chọn triển khai mạng và các đề xuất dịch vụ.  LTE-Advance LTE phát hành 10, còn được gọi là LTE-Advanced, là tuyên bố là một bước tiến hóa của 4G. Các đặc điểm kỹ thuật yêu cầu chính cho LTE tiên tiến được chấp thuận là: - Tốc độ dữ liệu đỉnh đường xuống: 1 Gbps, tốc độ dữ liệu đỉnh đường lên: 500 Mbps - Băng thông truyền tải: rộng hơn khoảng 70 MHz cho đường xuống và 40 MHz cho đường lên. - Người sử dụng thông lượng tại cạnh cell cao hơn 2 lần so với LTE - Người sử dụng thông lượng trung bình cao hơn 3 lần so với LTE - Phổ tần hiệu quả cao hơn 3 lần so với LTE: Hiệu quả phổ đường xuống là 30 bps/Hz, đường lên 15 bps/Hz. - Vùng phủ sóng nên được tối ưu hóa hoặc triển khai tại các khu vực cục bộ / môi trường tế bào nhỏ với Inter Site Distance (ISD) lên đến 1 km. 1.2 Tổng quan về 5G 1.2.1 Khái niệm 5G là viết tắt của 5th Generation (thế hệ mạng di động thứ 5 hoặc hệ thống không dây thứ 5), là thế hệ tiếp theo của công nghệ truyền thông di động sau thế hệ 4G. Hiện 5G còn đang trong giai đoạn phát triển và hứa hẹn sẽ ứng dụng rộng rãi trong tương lai gần nhưng là sản phẩm mới nhất, 5G sẽ khắc phục những khuyết điểm của 4G-LTE, đặc biệt là tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh hơn gấp 20 lần, đạt 20 Gbps mỗi cell đơn tải về. Người dùng có thể xem trực tuyến video “8K” ở định dạng 3D, kết nối thiết bị VR và chơi game mà gần như không có độ trễ. 5G sử dụng sóng milimét (millimetre wave). Sóng milimét đại diện cho phổ tín hiệu RF giữa các tần số 20GHz và 300GHz với bước sóng từ 1~15mm, nhưng xét về khía cạnh mạng vô tuyến và các thiết bị thông tin, tên gọi sóng milimét tương ứng với các dải tần 28Hz, 38GHz, 60GHz. Phạm Đình Sơn – D13VT6 8 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động thế hệ 5 (5G) Bảng 1.1 So sánh truyền thông 5G với các công nghệ truyền thông trước đó. Công nghệ di động hiện tại Dải tần số 300 MHz đến 3 GHz Băng thông khả dụng 700 MHz Băng thông cực đại mỗi kênh truyền 100 MHz Tốc độ dữ liệu trung bình 30 Mb/s Bước sóng trong không khí 21.3 cm (ở 700 MHz) Công nghệ millimeter-wave trong tương lai 10 GHz đến 300 GHz 100 GHz 1 Gb/s 0.5 cm (ở 28 GHz) Khoảng cách truyền tối đa trong đô thị 3 km (ở 700 MHz) 300 m (ở 28 GHz) Mức suy hao tín hiệu (ở 700 MHz) (ở 28 GHz) Trong không khí: 0.005 dB/km Trong không khí: 0.1 dB/km Khi có mưa lớn: 10 dB/km Khi có mưa lớn: 0.02 dB/km Bên cạnh đó, các dải tần 70GHz, 80GHz gần đây cũng đã được sử dụng công cộng cho mục đích thiết lập mạng và truyền thông vô tuyến. Những dải tần này được tận dụng có thể cải thiện rất nhiều tốc độ và băng thông không dây. Cụ thể hơn, bảng 1.1 đưa ra so sánh một số tiêu chí cơ bản trong truyền thông 5G với các cộng nghệ mạng trước đó. 1.2.2 Các công nghệ hệ thống then chốt  Truyền thông di động và truyền thông Wi-Fi Các hệ thống di động trong công nghệ 5G đang trong giai đoạn phát triển ban đầu của nó với những gã khổng lồ công nghệ đang hướng tới việc giới thiệu các modem và các thiết bị truyền thông tương tự trên thị trường. Tại Hoa Kỳ, băng tần thử nghiệm cho truyền thông di động 5G là 28 GHz ở Hoa Kỳ trong khi đó băng tần 39 GHz được lựa chọn tại Châu Âu. Các dải tần số của hai băng tần này chạy từ 24,5 đến 29,5 GHz và 37,0 đến 43,5 GHz tương ứng cho dải tần số 28 và 39 GHz. Cải thiện tốc độ dữ liệu lên đến 2,5 Gbps với độ trễ giảm, hỗ trợ nhiều kết nối. Chuẩn Wi-Fi IEEE 802.11ad hoạt động tại dải tần số 60 GHz vớit tốc độ truyền dữ liệu 7 Gbps cũng là một công nghệ 5G đã và đang được phát triển. Dải này có thể được sử dụng mà không có giấy phép trong truyền thông tầm ngắn. Nó đã được đưa ra bởi Liên minh Không dây Gigabit năm 2009 và sẵn sàng đáp ứng sự gia tăng nhu cầu Phạm Đình Sơn – D13VT6 9 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động thế hệ 5 (5G) về băng thông cho các ứng dụng như chơi game và xem video HD. Nó thường được gọi là Wi-Gig do tốc độ dữ liệu của nó rất nhanh so với các tiêu chuẩn Wi-Fi hiện tại hoạt động ở 2,4 và 5 GHz. Các dải khác như 71-76GHz, 81-86GHz và 92-95GHz cũng được sử dụng cho các liên kết truyền thông băng thông rộng vì tần số này không bị ảnh hưởng bởi sự hấp thụ môi trường. Trong đó băng tần 92-95 GHz, 100 MHz đã được dành riêng cho các đài phát thanh không gian với tốc độ truyền dẫn là vài gigabit/s.  Truyền thông xe cộ (V2X) cho hệ thống trợ giúp người lái xe nâng cao (ADAS) Ngành công nghiệp ô tô hiện đang trải qua những chuyển đổi công nghệ quan trọng khi xu hướng đang chuyển hướng sang các loại xe tự lái đòi hỏi phải có nhiều xe hơn để kết nối internet và với nhau. Để đối phó với các tình huống đường phức tạp theo thời gian thực, phương tiện tự động phải dựa vào cảm biến của chính nó và làm việc với các bộ cảm biến xung quanh cho dù đó là cảm biến có trên những chiếc xe khác hay những con đường. Những xu hướng này là một thách thức đáng kể đối với hệ thống truyền thông cơ sở vì thông tin phải đến đích một cách đáng tin cậy trong khung thời gian rất ngắn. Nó vượt quá khả năng của công nghệ không dây hiện tại để thực hiện việc này. Tuy nhiên, thế hệ tiếp theo của công nghệ truyền thông di động hứa hẹn sẽ đáp ứng được những thách thức về độ trễ, độ tin cậy, thông lượng di động và mật độ kết nối. Trên thiết bị và cấp độ gói, công nghệ 5G đã đẩy các thiết kế và kĩ sư vào quy trình điều tra các phương pháp mới để thu nhỏ các cảm biến và các thiết bị khác để hoạt động hoàn hảo với hiệu suất và độ tin cậy cao trong một môi trường khắc nghiệt như xe. Internet of Things đòi hỏi sự hợp nhất của các công nghệ và tiêu chuẩn như thiết bị truyền động và cảm biến, thiết bị đeo, truyền thông và các giao thức, cơ sở hạ tầng lưu trữ và máy tính, mạng và các dữ liệu và phân tích khác nhau. Tự động hoá và tích hợp mọi thứ từ toàn bộ nhà máy đến các thiết bị gia dụng phổ biến như lò vi sóng gây ra sự truyền tải các gói tin dữ liệu đến và đi từ các thiết bị đầu cuối. Các khía cạnh chính của truyền thông máy-máy (M2M) trên truy cập mạng là: - Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QoS) có thể thích ứng - Tính toàn vẹn cao và tiết kiệm năng lượng - Giảm độ trễ - Phạm vi băng thông truyền thông thấp đến cao - Sự gia tăng đáng kể hiệu suất mạng và quang phổ - Năng lực hệ thống cao, khả năng kết nối thiết bị lớn - Xử lý các thiết bị nhỏ đến lớn với các đặc điểm lưu lượng khác nhau Tất cả các đặc tính trên của truyền thông M2M sẽ được đề cập đến trong thế hệ mạng không dây tiếp theo (NGN), dự kiến đưa ra vào năm 2020. Nó hỗ trợ nhu cầu mật độ cao của thiết bị dựa trên cấu hình tế bào nhỏ và truy cập vào mạng dựa trên các giao thức khác nhau và các loại công nghệ. IoT với công nghệ 5G cung cấp giải pháp với băng thông tăng lên và hiệu quả quang phổ cao hơn để đáp ứng được độ kết nối yêu cầu của các yêu cầu của các hệ thống truyền thông gần tương lai.  Internet of Things (IoT) Phạm Đình Sơn – D13VT6 10 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động thế hệ 5 (5G) Internet of Things đòi hỏi sự hợp nhất của các công nghệ và tiêu chuẩn như thiết bị truyền động và cảm biến máy tính, truyền thông và các giao thức, cơ sở hạ tầng lưu trữ và máy tính, mạng và các dữ liệu phân tích khác nhau. Tự động hoá và tích hợp mọi thứ từ toàn bộ nhà máy đến các thiết bị gia dụng phổ biến như lò vi sóng gây ra sự truyền tải của các gói tin dữ liệu đến và đi từ các thiết bị đầu cuối.  Massive MIMO Massive MIMO là công nghệ nhiều đầu vào, nhiều đầu ra (MIMO) với một số lượng rất lớn các anten có thể nhằm phục vụ nhiều người dùng đồng thời cùng một lúc. Với massive MIMO, nhiều bản tin cho một số người dùng có thể được truyền trên cùng một tài nguyên tần số, tăng tối đa hiệu năng hệ thống đồng thời giảm thiểu sự can thiệp không cần thiết. Do tần số sóng mm chịu sự suy giảm nghiêm trọng trong môi trường trong nhà, cần phải có các điểm truyền ăng ten MIMO lớn để bao phủ mật độ người dùng trên một đơn vị diện tích. Một số anten truyền có thể tạo thành một tế bào nhỏ, còn được gọi là microcell, trong khoảng vài chục hoặc hàng trăm mét để cung cấp tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn các chuẩn 4G và LTE hiện tại. Vì sự suy giảm là trở ngại rất lớn của sóng mm, sẽ không thể tránh được khi sử dụng các kỹ thuật chùm tia (beamforming) để sử dụng hàng trăm trên anten tại trạm gốc. Đây là kỹ thuật 3DBF, sẽ được sử dụng để điều khiển các chùm anten định hướng, nhằm tối ưu hóa hiệu suất của mạng. 1.2.3 Kiến trúc cơ bản hệ thống thu phát 5G Kiến trúc hệ thống thu phát nền tảng của 5G sẽ được tích hợp cao cùng với các mô đun truyền thống nhằm tăng độ linh hoạt, được thể hiện trong hình 1.1 dưới đây với các thành phần quan trọng không thể tách rời trong hệ thống 5G: Hình 1.1 Kiến trúc cơ bản của hệ thống truyền thông 5G - Mạch tích hợp (ICs) - Anten - Đường truyền - Kết nối - Các thành phần thụ động - Chất nền Phạm Đình Sơn – D13VT6 11 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động thế hệ 5 (5G)  Mạch tích hợp (IC) cho một hệ thống 5G Một số công nghệ bán dẫn tiên tiến được dự kiến đi vào hoạt động cho các ứng dụng sóng mm và do đó là lựa chọn phù hợp cho các hệ thống 5G. Hầu hết các mạch sóng mm đã được thực hiện trong các công nghệ bán dẫn dựa trên công nghệ bóng bán dẫn dựa trên Indium Phosphide (InP) hoặc Gallium Arsenide (GaAs). Các bóng bán dẫn vận chuyển điện tử cao (HEMT) đã được sử dụng trong lịch sử cho các ứng dụng tốc độ cao do tần số cắt giảm hiện tại tương đối cao và tần số dao động lớn nhất. Trong những năm gần đây, các Transitor lưỡng cực hai chiều dựa trên InP (HBTs) dẫn đến hiệu năng cao hơn bất kỳ bóng bán dẫn nào. Tuy nhiên, Silicon Germanium (SiGe) và BiCMOS (tích hợp bóng bán dẫn lưỡng cực và bóng bán dẫn CMOS trong một thiết bị tích hợp duy nhất) đang thử thách các bóng bán dẫn dựa trên InP cho thị trường sóng mm và có khả năng tích hợp mức độ cao của chức năng trong một chip. Sau năm 2000, các công nghệ dựa trên silic dần dần chiếm được công nghệ GaAs. Đó là bởi vì chúng có khả năng tích hợp tốt hơn so với GaAs. Dễ dàng hơn để tích hợp các mạch số baseband vào một con chip đơn với các mạch sóng mm trong các công nghệ dựa trên Si hơn là trong các công nghệ dựa trên GaAs. Các công nghệ của Infineon đã đề xuất SiGe BiCMOS cho các giải pháp radar ô tô trong dải tần 76-81GHz. Radar này được dựa trên công nghệ vi mạch tích hợp sóng siêu cao tần (MMIC). Hiệu suất hoạt động tốt hơn của HBT SiGe, để cải thiện hiệu năng vì công nghệ này có tần số hoạt động trong khoảng từ 200-300 GHz, cao hơn tần số ứng dụng 3 lần, dẫn đến việc giảm biên độ cho thiết kế RF. Công nghệ SiGe BiCMOS của Infineon có thể cải thiện hiệu năng RF và giải quyết những hạn chế trong các HBT SiGe. Các hệ thống với tiêu chuẩn 5G đã thử thách các công ty thiết bị hàng đầu để sản xuất ra các IC có chi phí thấp. Qualcomm, một tổ chức hàng đầu trong lĩnh vực truyền thông, vừa công bố chip 28GHz 5G. Đây là modem hoạt động ở tốc độ 28GHz và nó sẽ được sử dụng để thử nghiệm các thử nghiệm di động 5G chuẩn của Verizon và Korea Telecom. Điều này cho thấy tốc độ tung ra của một số nhà cung cấp để đẩy tiêu chuẩn 5G thậm chí còn gần hơn trong thời gian. Snapdragon X50 có khả năng cung cấp đường truyền tải 5 Gigabit/giây (Gbps) và nhiều luồng gigabit cho mạng di động và cố định. Nó cũng có một kết nối LTE riêng biệt như một neo cho tín hiệu điều khiển, trong khi liên kết 28 GHz có thể cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn hàng chục đến hàng trăm mét. Nó có tám kênh 100 MHz, mảng anten MIMO 2 x 2 đầu vào, kỹ thuật mạch thích ứng và điều chế QAM 64. Nó tương thích với các chip Qualcomm khác như bộ thu phát sóng SDR05x mm và chip quản lý năng lượng PMX50. Các máy thu phát này đã phát triển theo thời gian để đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn và quản lý năng lượng tuyệt vời. Với những tiến bộ trong công nghệ, hầu hết các passives hỗ trợ cũng được bao gồm trong IC để tiết kiệm gói realestate và sử dụng nó cho một số mục đích khác như quản lý nhiệt hoặc tăng mật độ của các thành phần trên nó. Điều này mang lại một quan điểm rất thú vị trong miền mạng lõi 5G.  Đường truyền và các thành phần thụ động - Đường truyền tải Đối với dữ liệu 5G, các đường truyền dẫn điển hình như microstrip, stripline và conductorbacked coplanar waveguide (CBCPW) là phổ biến. Stripline thường tránh Phạm Đình Sơn – D13VT6 12 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động thế hệ 5 (5G) được do tổn thất cao hơn. CBCPW và biến thể không có mặt đất, CPW, được triển khai rất nhiều do đặc tính che chắn vốn có của nó và tổn thất so sánh với các đường truyền microstrip. Các đường truyền này với các mặt cắt ngang của chúng được thể hiện trong hình 1.2 dưới đây. Hình 1.2 Transmission Lines (a) Microstrip (b) Stripline (c) CPW (d) CBCPW (e) SIW. Trong trường hợp các gói nhiều lớp có ít hoặc không có che chắn giữa các lớp, CPW là dòng được lựa chọn. Thông thường, các tín hiệu công suất cao trong hệ thống được định tuyến qua các đường CBCPW để tránh bất kỳ sự kết hợp với các đường liền kề và ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của tín hiệu. Tại tần số trên 30 GHz và ở tần số sóng mm, microstrip bị tăng tổn thất bức xạ và các vấn đề với chế độ truyền giả không mong muốn để duy trì tính toàn vẹn tín hiệu. Thông thường, các nhà thiết kế chọn chuyển đổi từ microstrip sang CBCPW càng sớm càng tốt về thể chất để tránh bị mất bức xạ và được hưởng lợi từ chế độ giả mạo tối thiểu lan truyền. Một ưu điểm khác của việc sử dụng microstrip và CBCPW là tiếp xúc của chúng giúp lắp ráp các thiết bị gắn trên bề mặt (SMDs) trên chúng. Những đường truyền này cũng dễ kiểm tra cùng với chi phí chế tạo thấp hơn. Striplines trở nên kém hấp dẫn do kích thước nhỏ của nó, tổn thất cao hơn và khó khăn trong việc định tuyến và sử dụng Vias. Hơn nữa, rất khó để tạo ra so với microstrip và CPW, và thường tránh ở tần số sóng mm. Đạt được sự chuyển tiếp gần như lý tưởng từ đường dây cáp tới cáp đồng trục hoặc tới đường truyền khác cũng là một thách thức lớn trong thiết kế mạch cho công nghệ 5G băng tần mm. Tuy nhiên, stripline không phải là một kĩ thuật làm mất vì nó có thể được sử dụng ở tần số sóng mm khi kết hợp với các vật liệu thích hợp. Các cấu trúc Stripline bị treo có thể là một lựa chọn phù hợp cho các hệ thống nền hai lớp nhưng nó có các ứng dụng hạn chế trong các hệ thống 5G. Phạm Đình Sơn – D13VT6 13 Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 1: Truyền thông di động thế hệ 5 (5G) Substrate Integrated Waveguide (SIW) là một ống dẫn sóng nhúng được tạo ra trong vòng một chất nền. Về cơ bản, nó là một ống dẫn sóng hình chữ nhật có đầy đủ lớp điện môi với chiều cao giảm, nghĩa là chiều cao của bề mặt. Các bức tường phía của ống dẫn sóng này được tạo ra với mảng các lỗ mạ. Nó được thể hiện trong hình 1.3 (e) trên . Điều này làm cho nó một lựa chọn rất hấp dẫn cho các thiết bị thụ động và định tuyến tín hiệu với đặc tính là ít tốn kém để chế tạo. Hơn nữa, nó có các đặc tính giống như một ống dẫn hình chữ nhật thông thường. SIW là một đường dây truyền tải tương đối mới so với các đường chuyền khác với nhiều kỹ thuật tiên tiến để phát triển các thành phần thụ động sử dụng nó đã được xuất bản, đặc biệt là các bộ lọc do sự linh hoạt về cấu trúc vốn có của nó trong thiết kế ghép nối và sắp xếp topo.  Các thành phần thụ động và thiết bị Các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện và cuộn cảm thường được tìm thấy trong mỗi PCB. Ban đầu, các thành phần thụ động có kích thước lớn hơn được sử dụng trong bảng mạch nhưng với sự tiến bộ trong công nghệ để sử dụng các tần số cao hơn cho các mạch, các thành phần thụ động cần được phát triển. Một khi bước sóng hoạt động của hệ thống trở nên tương đương với kích thước của các thành phần, một số parasitics đi vào bị thừa. Điện trở có thể mô tả các tính chất điện dung do vỏ của nó, gây ra điện dung không cần thiết trong hệ thống. Để tránh những parasitics, kích thước thành phần được thực hiện nhỏ hơn λ / 10 của tần số hoạt động. Vì các thành phần ở tần số RF (tối đa 20 GHz) rất nhỏ, công nghệ xuyên lỗ không còn phù hợp với chúng nữa. Công nghệ Surface Mount (SMT) là phương pháp sản xuất linh kiện điện tử, trong đó các linh kiện được gắn trực tiếp lên bề mặt của PCBs. Các thành phần SMT thụ động thuộc loại thiết bị gắn bề mặt (SMDs). Quá trình hàn reflow được sử dụng để gắn SMD trên PCB. Vì các SMD thích hợp cho việc sản xuất với số lượng lớn với chi phí thấp nên chúng rất phổ biến trong số các nhà thiết kế PCB vì chi phí lắp ráp cũng giảm với khối lượng sản xuất tăng lên của các thiết bị này. Ở tần số sóng mm, thậm chí SMT bị ngắn như parasitics áp đảo các thuộc tính thực tế của thành phần. Một tụ điện có thể đóng vai trò như một cuộn cảm ở tần số hoạt động cao hơn. Ở tần số mm, thông thường các phần tử chủ động thường được tránh hoặc được thực hiện bằng các thiết bị hoạt động như một bóng bán dẫn kết nối diode hoạt động như một điện trở. Cách tiếp cận khác là các phần tử chủ động nhúng, nơi các thành phần thụ động được tạo ra bằng cách sử dụng các mẫu dây dẫn và được nhúng trong một gói đa lớp.  Anten Anten là một phần rất quan trọng trong một hệ thống truyền thông vì nó là giao diện giữa môi trường giữa sóng điện từ ràng buộc và sóng điện từ tự do. Một anten thiết kế tốt có thể tăng độ linh hoạt, tạo ra sự cân bằng giữa các tham số khác nhau trong một hệ thống truyền thông. Các công nghệ MIMO và sóng mm được coi là các công nghệ chủ chốt cho truyền thông không dây 5G. Hơn nữa, các anten cho 5G sẽ được kết hợp dưới dạng các mảng để đạt được độ lợi cao hơn và tính định hướng cao hơn và sẽ có khả năng phân bố để sắp xếp các chùm của chúng theo hướng thu công suất lớn nhất. Các thông số thiết kế chính cho anten hoạt động ở băng tần 5G là độ lợi cao, định hướng cao, MIMO, có bản chất phẳng, kích thước nhỏ và khả năng chịu được các môi trường khắc nghiệt với sự thay đổi tối thiểu về hiệu năng trong một phạm vi rộng thay đổi các điều kiện xung quanh. Phạm Đình Sơn – D13VT6 14