Luận văn Thạc sĩ Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Quản lý nhiễu truyền thông D2D trong mạng thông tin di động 5G

Chia sẻ: Nhân Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:59

Thêm vào BST

Báo xấu

94
lượt xem 19
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn tập trung đi sâu vào hai phương pháp quản lý nhiễu là ISA và ILA. khác với các nghiên cứu trước, luận văn đã tổng quát hóa và mô hình hóa một hệ thống mạng di động có nhiều cặp d2d cùng thực hiện truyền thông và đánh giá xem xét hiệu năng của hệ thống dưới ảnh hưởng của pha đinh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Công nghệ kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Quản lý nhiễu truyền thông D2D trong mạng thông tin di động 5G

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HÀ THẾ LUÔN QUẢN LÝ NHIỄU TRUYỀN THÔNG D2D TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội – 2020
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HÀ THẾ LUÔN QUẢN LÝ NHIỄU TRUYỀN THÔNG D2D TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 8510302.02 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. ĐINH THỊ THÁI MAI Hà Nội – 2020 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi, dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Đinh Thị Thái Mai. Các kết quả nêu trong Luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các số liệu trong Luận văn là trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, được trích dẫn đúng theo quy định. Tôi xin chịu trách nhiệm về tính chính xác và trung thực của Luận văn này. Hà Nội, ngày tháng năm 2020. Tác giả Luận văn Hà Thế Luôn GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Công Nghệ- Đại học Quốc gia Hà Nội nói chung, các thầy cô trong khoa Điện tử- Viễn thông nói riêng đã tận tâm dạy dỗ, truyền đạt cho tôi kiến thức về các môn học giúp tôi tích lũy được những kiến thức quan trọng trong suốt quá trình học tập, rèn luyện tại trường. Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên Tiến sĩ Đinh Thị Thái Mai, người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện Luận văn. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ động viên tôi trong quá trình học tập và hoàn thành Luận văn. Dù đã cố gắng hết sức để hoàn thành Luận văn, nhưng chắc chắn sẽ không tránh khỏi những sai sót. Kính mong nhận được sự góp ý chân thành của quý thầy cô và bạn bè. Luận văn này được hỗ trợ bởi Đại học Quốc gia Hà Nội, thông qua Đề tài QG.18.35 "Nghiên cứu giải pháp loại bỏ nhiễu, nâng cao hiệu năng mạng và phát triển phần mềm mạng truyền thông ánh sáng nhìn thấy sử dụng các chùm sáng định hướng". Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Hà Thế Luôn GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................. ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .................................................................................................. v DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU .............................................................................. vii MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG D2D ....................................................... 2 1.1 Giới thiệu ..................................................................................................................... 2 1.2 Những thách thức kỹ thuật của truyền thông D2D trong mạng tế bào ........................ 3 1.2.1 Phát hiện thiết bị ................................................................................................... 3 1.2.2 Lựa chọn chế độ giao tiếp..................................................................................... 4 1.2.3 Bảo mật ................................................................................................................. 6 1.2.4 Quản lý nhiễu ....................................................................................................... 6 1.3 Quản lý nhiễu trong truyền thông D2D ....................................................................... 6 1.3.1 Các loại nhiễu trong kiến trúc mạng hai tầng............................................................ 7 1.3.2 Mức kiểm soát nhiễu ................................................................................................. 9 1.4 Tính toán ........................................................................................................................ 10 1.4.1 Hình học ngẫu nhiên ............................................................................................... 10 1.4.2 Lý thuyết đồ thị ....................................................................................................... 10 1.4.3 Lý thuyết tiến hóa.................................................................................................... 11 1.4.4 Lý thuyết hàng đợi .................................................................................................. 11 1.5 Các công nghệ tiên tiến trong quản lý nhiễu trong mạng di động hỗ trợ D2D .............. 11 1.5.1 Tách phổ .................................................................................................................. 12 1.5.2 Điều khiển công suất ............................................................................................... 13 1.5.3 Phân bổ tài nguyên vô tuyến ................................................................................... 14 1.6 Thách thức quản lý nhiễu trong mạng 5G hỗ trợ D2D .................................................. 17 1.6.1 D2D trong giao tiếp mmWave ................................................................................ 17 1.6.2 Mật độ cell và giảm tải ............................................................................................ 17 1.7 Kết luận .......................................................................................................................... 18 CHƯƠNG 2: QUẢN LÝ NHIỄU TRONG TRUYỀN THÔNG D2D..................................... 19 2.1. Giới thiệu ....................................................................................................................... 19 2.2 Phương pháp quản lý nhiễu ISA cho truyền thông D2D Underlay ............................... 20 2.2.1 Mô hình hệ thống .................................................................................................... 20 2.2.2 Các công thức tính toán ........................................................................................... 21 2.2.3 Xây dựng khu vực ngăn chặn nhiễu (ISA) .............................................................. 24 2.2.4 Điều khiển công suất ............................................................................................... 25 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
iv 2.2.5 Phân bổ tài nguyên ................................................................................................ 26 2.3 Phương pháp vùng hạn chế nhiễu ILA cho truyền thông D2D ..................................... 27 2.3.1 Giới thiệu................................................................................................................. 27 2.3.2 Mô hình hệ thống .................................................................................................... 28 2.3.3 Đánh giá hiệu năng hệ thống trong đường xuống ................................................... 29 2.3.4 Hạn chế nhiễu từ truyền thông D2D ....................................................................... 31 2.3.5 Hạn chế nhiễu từ truyền thông di động ................................................................... 32 2.3.6 Phân bổ tài nguyên .................................................................................................. 33 2.4 Kết luận .......................................................................................................................... 35 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ NHIỄU DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH PHA ĐINH RAYLEIGH. ................................. 36 3.1. Ảnh hưởng của pha đinh trong quản lý nhiễu ................................................................ 36 3.2 Đánh giá hiệu năng của hệ thống dựa trên phương pháp ISA (khu vực ngăn chặn nhiễu) .............................................................................................................................................. 38 3.2.1 Mô hình mô phỏng .................................................................................................. 38 3.2.2 Kết quả mô phỏng ................................................................................................... 40 3.3 Đánh giá hiệu năng của hệ thống dựa trên phương pháp ILA (vùng hạn chế nhiễu) .... 42 3.3.1 Mô hình mô phỏng .................................................................................................. 42 3.3.2 Kết quả mô phỏng ................................................................................................... 43 3.5 Kết luận .......................................................................................................................... 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................................. 46 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 47 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt AP Access Point Điểm truy cập BS Base Station Trạm cơ sở Close Loop Power control Sơ đồ điều khiển công suất CLPS Scheme vòng đóng CSI Channel State Information Thông tin tình trạng kênh CUE Cellular User Equipment Thiết bị người dùng di động CU Cellular User Người dùng di động D2D Device to Device Thiết bị - Thiết bị DSR Dynamic Source Routing Định tuyến nguồn động DUE D2D User Equipment Thiết bị người dùng D2D Institute of Electrical and Viện công nghệ Điện và Điện IEEE Electronics Engineers tử FFR Fractional Frequency Reuse Tái sử dụng tần số phân số Global mobile Suppliers Hiệp hội các nhà cung cấp di GSA Association động toàn cầu ILA Interference Limited Area Vùng hạn chế nhiễu IoT Internet of Things Internet vạn vật ISA Interference Suppression Area Khu vực ngăn chặn nhiễu LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn LTE-A Long Term Evolution Advance Tiến hóa dài hạn phát triển MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào- đa đầu ra MNO Mobile Network Operator Nhà khai thác mạng di động Orthogonal Frequency- Đa truy nhập phân chia theo OFDMA Division Multiplexing Access tần số trực giao Open Loop fraction Power Sơ đồ điều khiển công suất OLPS control Scheme vòng mở PC Power Control Điều khiển công suất PFR Partial Frequency Reuse Tái sử dụng tần số một phần GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
vi QoS Quality of Sevice Chất lượng dịch vụ RRA Radio Resource Allocation Phân bổ tài nguyên vô tuyến RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô tuyến RUE Receiver User Equipment Thiết bị người nhận Single-Carrier Frequency Đơn sóng mang đa truy cập SC - FDMA Division Multiplexing Access phân chia theo tần số Signal to Interference-plus- Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng SINR Noise Ratio tạp âm SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm TUE Transmitter User Equipment Thiết bị người truyền UE User Equipment Thiết bị người dùng UL/DL Uplink/Downlink Đường lên/Đường xuống GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1. 1. Truyền thông D2D trong các multi-tier cells trong HetNets. .................................... 3 Hình 1. 2. Phân loại truyền thông D2D (theo phổ tần số). ......................................................... 5 Hình 1. 3. Sơ đồ phân loại chi tiết truyền thông D2D. ............................................................... 5 Hình 1. 4. Các loại nhiễu trong mạng di động D2D hai tầng ..................................................... 8 Hình 1. 5.Các kịch bản nhiễu cho tài nguyên tái sử dụng khác nhau. ........................................ 8 Hình 1.6. Mức độ kiểm soát nhiễu trong truyền thông D2D. ..................................................... 9 Hình 1. 7. Phân loại các kỹ thuật quản lý nhiễu trong D2D. .................................................... 12 Hình 1. 8. Chia phổ................................................................................................................... 12 Hình 1. 9. Phân bổ băng tần dựa trên FFR. .............................................................................. 15 Hình 2. 1. Mô hình hệ thống của truyền thông D2D trong phương pháp ISA. ........................ 21 Hình 2. 2. Khu vực ngăn chặn nhiễu ........................................................................................ 25 Hình 2. 3. Mô hình hệ thống của truyền thông D2D trong phương pháp ILA ......................... 28 Hình 2.4. Kịch bản mô phỏng ILA. ......................................................................................... 29 Hình 3. 1. PDF của biến ngẫu nhiên Rayleigh. ........................................................................ 37 Hình 3. 2. Phân bố của các CUE và cặp D2D trong mạng. ...................................................... 39 Hình 3. 3. Các CUE nằm trong vùng gây nhiễu lên truyền thông D2D ................................... 40 Hình 3. 4 Dung lượng hệ thống thay đổi khi ngưỡng nhiễu thay đổi. ...................................... 41 Hình 3. 5 Phân bố của các CUE và cặp D2D trong mạng. ....................................................... 42 Hình 3. 6 Dung lượng hệ thống thay đổi khi ngưỡng nhiễu c thay đổi. ................................ 43 Hình 3. 7 Dung lượng hệ thống với trường hợp có một cặp và hai cặp D2D. ......................... 44 Bảng 3. 1. Tham số mô phỏng .................................................................................................. 38 GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
1 MỞ ĐẦU Truyền thông giữa thiết bị với thiết bị (D2D) cho phép tăng cường hiệu suất của các thiết bị bằng cách cho phép truyền trực tiếp giữa các cặp thiết bị có vị trí gần nhau. Các nghiên cứu ban đầu đã chứng minh rằng, giao tiếp trực tiếp sẽ cải thiện việc tái sử dụng phổ, thông lượng, tiêu thụ năng lượng, vùng phủ sóng và giảm độ trễ đầu cuối đến đầu cuối. Do đó, xu hướng nghiên cứu hiện tại cho thấy rằng D2D sẽ là một trong những công nghệ ứng dụng trong mạng di động thế hệ tiếp theo - tức mạng 5G. Tuy nhiên, việc giới thiệu D2D cho mạng di động đặt ra những thách thức kỹ thuật khác nhau. Quản lý nhiễu giữa người dùng di động và người dùng D2D được coi là một trong những vấn đề quan trọng nhất khi D2D được đưa vào mạng di động vì người dùng D2D chia sẻ cùng dải phổ được cấp phép với người dùng di động. Từ những lý do trên, tôi đã chọn đề tài: “Quản lý nhiễu truyền thông D2D trong mạng thông tin di động 5G”. Trong luận văn này, tôi hướng đến việc tìm hiểu một số nghiên cứu được tìm thấy trong các khảo sát trước đó bằng cách tập trung vào các kỹ thuật quản lý nhiễu được đề xuất trong những năm gần đây cho LTE/LTE-A HetNets. Trong đó, luận văn tập trung đi sâu vào hai phương pháp quản lý nhiễu là ISA và ILA. Khác với các nghiên cứu trước, luận văn đã tổng quát hóa và mô hình hóa một hệ thống mạng di động có nhiều cặp D2D cùng thực hiện truyền thông và đánh giá xem xét hiệu năng của hệ thống dưới ảnh hưởng của pha đinh. Kết cấu luận văn được chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về truyền thông D2D. Chương 2: Quản lý nhiễu trong truyền thông D2D. Chương 3: Mô phỏng, đánh giá hiệu năng của phương pháp quản lý nhiễu dưới ảnh hưởng của kênh pha đinh Rayleigh. GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG D2D 1.1 Giới thiệu Sự phát triển liên tục của mạng di động từ 2G đến 3G và 4G đã thay đổi căn bản thế giới. 2G đã giới thiệu một tiêu chuẩn kỹ thuật số hài hòa cho giọng nói và cho phép chuyển vùng và tin nhắn SMS đã trở nên phổ biến sau đó. Cuộc cách mạng sang 3G mang đến trải nghiệm đầu tiên về di động băng rộng và các cải tiến trong giai đoạn này. 4G mở ra kỷ nguyên di động băng rộng cực nhanh thúc đẩy sự phát triển lớn của người dùng điện thoại thông minh. Theo dự báo của Hiệp hội các nhà cung cấp di động toàn cầu (GSA), vào năm 2020, khoảng 90% dân số thế giới sẽ được bao phủ bởi các mạng di động băng rộng. Lưu lượng dữ liệu di động trong Q1 2015 cao hơn 55% so với Q1 2014. Đến năm 2020, 80% lưu lượng dữ liệu di động sẽ đến từ điện thoại thông minh với mức tiêu thụ nội dung dựa trên video, trình điều khiển chính. 5G sẽ trở thành công nghệ truyền thông di động thống trị trong năm 2020 về số lượng thuê bao, thu hút 3,6 tỷ người dùng tại thời điểm đó [6]. Giao tiếp D2D đại diện cho một loại công nghệ mô hình giao tiếp không dây mới, cho phép giao tiếp trực tiếp giữa các thiết bị không dây gần đó trong khi vẫn được điều khiển trong các trạm gốc macro [7]. Với giao tiếp D2D, dữ liệu giữa một cặp UE không cần phải đi qua mạng lõi như các điểm truy cập (AP) hoặc trạm gốc (BS) miễn là chúng ở gần nhau. Hình 1.1 minh họa giao tiếp D2D trong các mạng small cell dày đặc trong tương lai với các macro-cells, micro-cells, pico-cells và femto-cells. Đặc biệt, truyền thông của D2D gần đây đã thu hút sự quan tâm từ các học viện và ngành công nghiệp do sự gần gũi, tái sử dụng và tăng số chặng [8]. Mặc dù giao tiếp D2D cung cấp nhiều lợi thế cho các hệ thống LTE/LTE-A nhưng nó cũng gặp phải một số thách thức nảy sinh về vấn đề nhiễu, sự phát hiện và đồng bộ hóa thiết bị, lựa chọn chế độ, bảo mật và QoS. Các thách thức này sẽ được trình bày chi tiết trong các phần sau. GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
3 Hình 1.1. Truyền thông D2D trong các multi-tier cells trong HetNets [8]. 1.2 Những thách thức kỹ thuật của truyền thông D2D trong mạng tế bào Mặc dù giao tiếp D2D đang được nghiên cứu trong 3GPP- Dự án đối tác thế hệ thứ 3, nhưng D2D vẫn chưa hoàn thiện và phải đối mặt với nhiều thách thức và vấn đề kỹ thuật liên quan đến các khía cạnh như phát hiện thiết bị, lựa chọn chế độ, bảo mật và giảm thiểu nhiễu. Trọng tâm chính của chương này là quản lý nhiễu nhưng những thách thức khác mà truyền thông D2D phải đối mặt cũng được thảo luận ngắn gọn. 1.2.1 Phát hiện thiết bị Trước khi hai thiết bị có thể giao tiếp trực tiếp với nhau, trước tiên chúng phải biết được rằng chúng ở gần nhau. Trong giai đoạn phát hiện thiết bị, các thiết bị tìm kiếm sự hiện diện cùng cấp trong phạm vi của chúng để liên lạc với D2D [8]. Phát hiện này được thực hiện bằng cách gửi tín hiệu khám phá để xác định sự hiện diện của các thiết bị có thể ở gần nhau và sau đó nhận dạng của các thiết bị có thể được trao đổi giữa cặp mới. Khi hai UE tìm thấy nhau trong giai đoạn phát hiện thiết bị, chúng được coi là ứng viên của D2D. Cuối cùng, một loạt các thông báo về chất lượng liên kết được truyền giữa các thiết bị và BS. Thông tin này đóng vai trò là đầu vào cơ bản cho lựa chọn chế độ và các ứng viên D2D không thể giao tiếp trực tiếp cho đến khi tiêu chí lựa chọn chế độ được thỏa mãn. GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
4 1.2.2 Lựa chọn chế độ giao tiếp Truyền thông thiết bị - thiết bị (D2D) có thể sử dụng dải tần số được cấp phép (Inband), hoặc không được cấp phép (Outband) để tạo liên kết trực tiếp. Có hai loại chính trong truyền thông thiết bị - thiết bị (D2D). Đó là In-band và Out-band. Truyền thông D2D ở chế độ Inband được định nghĩa là truyền thông D2D và truyền thông di động thông thường sử dụng chung một dải tần số của truyền thông di động, và mức độ ưu tiên cho truyền thông di động là cao hơn và nó được chia làm hai loại chính: Underlay và Overlay. Lựa chọn chế độ giao tiếp được thực hiện sau khi cặp ứng viên D2D tìm thấy nhau để liên lạc trong tương lai. Mặc dù các ứng viên D2D nằm trong phạm vi giao tiếp trực tiếp với nhau, nhưng có thể không tối ưu để chúng làm việc ở chế độ D2D từ góc độ hiệu suất. Lựa chọn chế độ có nghĩa là mạng các ứng viên D2D quyết định liệu chúng nên giao tiếp trực tiếp hoặc qua mạng như mạng di động thông thường. Chế độ giao tiếp được phân loại thành các chế độ được mô tả như Hình 1.2 và Hình 1.3. - Chế độ dành riêng (Dedicated mode)/Overlay mode: Trong chế độ này, mạng di động có tài nguyên kênh phong phú để các DUE có thể sử dụng các tài nguyên chuyên dụng trực giao với các thiết bị người dùng tế bào (CUE). - Chế độ tái sử dụng (Reuse mode)/Underlay mode: Trong chế độ này, giao tiếp D2D sẽ chia sẻ cùng một tài nguyên với các CUE hiện có và do đó có thể gây nhiễu cho CUE. - Chế độ di động (Cellular mode): Hai UE sẽ giao tiếp dưới dạng CUE truyền thống, nghĩa là giao tiếp với nhau thông qua thiết bị trung gian BS. Truyền thông D2D ở chế độ Outband được định nghĩa là truyền thông D2D sử dụng dải tần số khác với truyền thông di động thông thường, có thể là dải tần số của sóng vô tuyến, … GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
5 Truyền thông D2D Inband Outband Underlay Overlay Controlled Autonomous Hình 1.2. Phân loại truyền thông D2D (theo phổ tần số). Hình 1.3 mô tả phân loại chi tiết truyền thông D2D theo phổ tần số. Underlay Overlay In band D2D D2D D2D Di động Di động Phổ di động Phổ di động Thời gian Out band Truyền thông di động Truyền thông D2D Phổ di động Phổ ISM Hình 1.3. Sơ đồ phân loại chi tiết truyền thông D2D. Chế độ Tái sử dụng Reuse mode/Underlay đạt được hiệu quả phổ cao hơn so với các chế độ giao tiếp khác, nhưng giao tiếp D2D trong chế độ chia sẻ tài nguyên này có thể gây nhiễu cho các UE di động và các UE D2D khác sử dụng tài nguyên vô tuyến di động. Mặt khác, chế độ Dedicated mode/Overlay mode hoàn toàn có thể tránh nhiễu do một số tài nguyên được dành riêng cho truyền thông D2D. Tuy nhiên, việc sử dụng phổ có thể rất kém trong chế độ chia sẻ tài nguyên này. Các chế độ giao tiếp của D2D có tác động trực tiếp đến nhiễu trong mạng và do đó, nên lựa chọn chế độ giao tiếp cẩn thận sau nhiều phân tích. Trong giới hạn của Luận văn, ở đây luận văn chỉ tập trung nghiên cứu vấn đề nhiễu trong chế độ tái sử dụng của truyền thông D2D. GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
6 1.2.3 Bảo mật Cung cấp bảo mật hiệu quả là một vấn đề lớn trong giao tiếp D2D. Mạng truyền thông D2D có nhiều rủi ro bảo mật do việc định tuyến dữ liệu người dùng thông qua các thiết bị khác của người dùng. Dữ liệu này có thể bị xâm nhập và đánh cắp, vi phạm quyền riêng tư và bảo mật. Vì giao tiếp của D2D có thể dễ bị tấn công bởi các cuộc tấn công độc hại (ví dụ: giả mạo, nghe lén, tấn công trung gian, v.v.), nên cần có các cơ chế xác thực và thỏa thuận chính để tăng cường bảo mật thông tin liên lạc của D2D trong các mạng di động. Bảo mật của thiết bị có thể được đảm bảo nếu truy cập đóng được áp dụng cho các thiết bị. Khi truy cập gần, một thiết bị sẽ có một danh sách các thiết bị đáng tin cậy nhất định như người dùng ở gần, nếu không, người dùng đã được hợp pháp hóa thông qua một bên đáng tin cậy như một hiệp hội, có thể giao tiếp với nhau một cách tình cờ khác, duy trì một mức độ tùy ý, trong khi các thiết bị không có trong danh sách này cần sử dụng cấp độ macro cell để liên lạc với nó. Thay vì điều này, trong truy cập mở, mỗi thiết bị có thể bật để chuyển tiếp cho các thiết bị khác bị tước bỏ mọi giới hạn. Khai thác nhiễu có thể được sử dụng như một trợ giúp để cung cấp thông tin liên lạc bí mật trong giao tiếp D2D, được giải thích trong [9]. 1.2.4 Quản lý nhiễu Quản lý nhiễu là một trong những thách thức quan trọng nhất đối với giao tiếp D2D trong các mạng di động. Như được mô tả trước đây, các nhà khai thác thích chế độ chia sẻ để tăng hiệu quả phổ, nhưng điều này gây ra vấn đề nhiễu. Vì nhiều người dùng D2D và người dùng di động đang sử dụng cùng một phần phổ, những điều này có thể gây ra sự gián đoạn cho nhau. Quản lý nhiễu trong giao tiếp D2D và các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để giảm nhiễu được giải thích chi tiết trong phần tiếp theo. 1.3 Quản lý nhiễu trong truyền thông D2D Do sự xuất hiện của truyền thông D2D vào mạng di động tế bào, kiến trúc tế bào thay đổi và hiện bao gồm hai tầng [10]. Tầng thứ nhất là lớp macrocell thông thường, liên quan đến giao tiếp giữa BS và thiết bị. Tầng mới, được gọi là tầng thiết bị liên quan đến giao tiếp D2D. Hệ thống như vậy được gọi là kiến trúc hệ thống hai lớp hoặc di động. Kiến trúc mới có sự cải thiện đáng kể về thông lượng, độ bao phủ, độ trễ end- to-end nếu được thiết kế cẩn thận [11]. Tuy nhiên, sẽ nảy sinh ra một số thách thức và vấn đề kỹ thuật cho cả thiết bị người dùng D2D (DUE) và thiết bị người dùng di động (CUE). Trong số những thách thức này, việc quản lý nhiễu giữa CUE và DUE trở GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
7 thành một trong những vấn đề quan trọng nhất đối với giao tiếp của D2D trong chế độ chia sẻ mà ở đó cùng một tài nguyên vô tuyến được sử dụng cho cả giao tiếp di động và D2D. Nên ưu tiên triển khai giao tiếp D2D trong chế độ chia sẻ để nâng cao hiệu quả phổ. Tuy nhiên, điều này đổi lại, dẫn đến những thách thức quản lý nhiễu nghiêm trọng do liên quan đến các tình huống giao tiếp di động, hệ thống yêu cầu quản lý các tình huống nhiễu mới. Nếu nhiễu được tạo ra không được kiểm soát tốt, nó sẽ làm giảm lợi ích tiềm năng của truyền thông D2D do năng lực và hiệu quả chung của cell bị suy giảm. Phần này của nghiên cứu giải thích việc quản lý nhiễu trong kiến trúc mạng hai lớp về loại nhiễu, mức điều khiển nhiễu và kỹ thuật quản lý nhiễu. 1.3.1 Các loại nhiễu trong kiến trúc mạng hai tầng Trong kiến trúc mạng hai tầng, hai loại nhiễu: co-tier và cross-tier được giới thiệu như trong Hình 1.4. Tất cả các kịch bản nhiễu có thể có trong Hình 1.4 được giải thích trong phần này và được minh họa trong Hình 1.5. 1.3.1.1 Nhiễu đồng tầng (Co-tier interference) Kiểu nhiễu này được tạo ra giữa các thành phần mạng thuộc cùng một tầng trong mạng. Trong trường hợp mạng di động được bật, nhiễu đồng tầng xảy ra giữa người dùng D2D và người dùng D2D khác trong cùng tầng. Người dùng D2D gây nhiễu cho nhau là người dùng D2D lân cận vì chúng nằm gần nhau. Để thiết lập một liên kết trực tiếp giữa những người dùng D2D, giá trị tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SINR) phải cao hơn tham số ngưỡng được xác định trước. Mặt khác, nếu DUE SINR giảm xuống dưới tham số ngưỡng được xác định do nhiễu đồng tầng, liên kết truyền thông không thể được thiết lập [8]. Trong các hệ thống OFDMA, nhiễu đồng tầng được tạo ra khi cùng một tập hợp các khối tài nguyên được phân bổ cho nhiều DUE. Trong trường hợp này, nhiễu luôn được tạo ra từ máy phát D2D đến máy thu D2D trong một cặp D2D được gán cùng một tài nguyên di động bất kể hướng tái sử dụng tài nguyên (UL/DL). Hơn nữa, nhiễu đồng tầng phát sinh tại máy thu D2D từ máy phát D2D lân cận có thể được giảm thiểu thông qua các kỹ thuật ghép tần số phù hợp của người dùng. GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
8 Loại nhiễu Nhiễu đồng tầng Nhiễu chéo (Co-tier) (Cross-tier) DUE-DUE Uplink Downlink DUE-BS BS-DUE CUE-DUE DUE-CUE Hình 1.4. Các loại nhiễu trong mạng di động D2D hai tầng Uplink Downlink Liên kết D2D Liên kết di động Nhiễu đồng tầng Nhiễu chéo Hình 1.5. Các kịch bản nhiễu cho tài nguyên tái sử dụng khác nhau. 1.3.1.2 Nhiễu chéo (cross-tier interference) Loại nhiễu này được tạo ra giữa các thành phần mạng thuộc các tầng khác nhau, tức là nhiễu giữa DUE và CUE. Nhiễu giữa các lớp có thể nằm giữa (i) CUE với một DUE và giữa (ii) CUE và nhiều DUE. Kịch bản nhiễu này xảy ra khi các khối tài nguyên được phân bổ cho người dùng di động được sử dụng lại bởi một (hoặc nhiều) GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
9 người dùng D2D. Trong loại nhiễu này, nguồn gây nhiễu và nạn nhân của nhiễu là khác nhau tùy thuộc vào hướng tái sử dụng tài nguyên (UL/DL). Trường hợp 1: Nhiễu từ D2D sang mạng di động: Khi các liên kết D2D sử dụng cùng một tài nguyên tần số như CUE theo hướng đường lên, máy phát D2D sẽ gây nhiễu vào eNB và người sử dụng đường lên di động sẽ gây nhiễu vào máy thu D2D. Trường hợp 2: Nhiễu từ mạng di động đến người dùng D2D: Mặt khác, khi tài nguyên đường xuống của băng tần được cấp phép được sử dụng lại cho các liên kết D2D, eNB sẽ gây nhiễu vào máy thu D2D và máy phát D2D sẽ gây nhiễu vào người dùng đường xuống di động. 1.3.2 Mức kiểm soát nhiễu Nói chung, các sơ đồ quản lý nhiễu có thể được phân loại thành các cách tiếp cận tập trung, phân tán và bán phân tán tùy thuộc vào hoạt động của thuật toán như trong Hình 1.6. MỨC KIỂM SOÁT Tập trung Bán phân tán Phân tán Bộ điều khiển Có thể xác định DUE trung tâm các mức độ thực hiện thực hiện tham gia mạng quản lý nhiễu quản lý nhiễu khác nhau Hình 1.6. Mức độ kiểm soát nhiễu trong truyền thông D2D. 1.3.2.1 Mức kiểm soát nhiễu tập trung Theo cách tiếp cận tập trung, eNB quản lý hoàn toàn sự can nhiễu giữa người dùng di động và người dùng D2D. Thực thể trung tâm này thu thập thông tin như thông tin trạng thái kênh (CSI), chất lượng kênh, mức độ nhiễu cho từng người dùng trong mạng, quyết định các kênh để gán cho từng người dùng với định dạng và mức công suất phù hợp. Dựa trên thông tin thu được, thực thể trung tâm phân bổ tài nguyên cho từng CUE hoặc DUE. Vấn đề chính với các sơ đồ tập trung là lượng tín hiệu quá lớn cần thiết để trao đổi CSI và phản hồi. Hơn nữa, độ phức tạp quản lý nhiễu tăng theo cấp số nhân với số lượng người dùng trong mạng do hoạt động được thực hiện bởi một thực thể duy nhất, phải xử lý một lượng lớn dữ liệu. Do đó, các sơ đồ tập trung chỉ có thể được áp dụng cho các mạng D2D cỡ nhỏ [8]. GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
10 1.3.2.2 Mức kiểm soát nhiễu phân tán Trong sơ đồ phân tán, hoạt động quản lý nhiễu không yêu cầu thực thể trung tâm và được thực hiện tự động bởi chính DUEs. Sơ đồ phân tán làm giảm chi phí kiểm soát và tính toán, do CSI và phản hồi hạn chế. Tuy nhiên, nhiễu rất khó phối hợp. Cách tiếp cận này phù hợp hơn với các mạng D2D kích thước lớn [8]. 1.3.2.3 Mức kiểm soát nhiễu bán phân tán Mặc dù cả hai phương pháp tập trung và phân tán đều có những ưu điểm và nhược điểm, nhưng sự đánh đổi có thể đạt được giữa chúng. Các chương trình quản lý nhiễu như vậy được cho là của bán phân tán hoặc lai (hybrids). Trong các sơ đồ quản lý nhiễu bán phân tán, các mức độ tham gia khác nhau có thể được xác định. Đề án như vậy có thể phù hợp cho các mạng lớn vừa phải [8]. 1.4 Tính toán Để phân tích và thiết kế các sơ đồ quản lý nhiễu trong D2D, nghiên cứu mở rộng mạng di động đã được thực hiện bằng các lý thuyết toán học bao gồm hình học ngẫu nhiên, lý thuyết đồ thị, lý thuyết tiến hóa, lý thuyết hàng đợi và lý thuyết tối ưu hóa. 1.4.1 Hình học ngẫu nhiên Hình học ngẫu nhiên là một nhánh của xác suất ứng dụng cho phép nghiên cứu các hiện tượng ngẫu nhiên trên mặt phẳng. Về bản chất nó liên quan đến lý thuyết về các quá trình điểm. Nó đã được sử dụng như một công cụ để mô tả nhiễu trong các mạng không dây trong một thời gian dài. Các công cụ mạnh mẽ từ hình học ngẫu nhiên đã được áp dụng thành công vào mô hình không gian và phân tích hiệu suất của cả mạng không dây và mạng ad hoc và di động [12]. Gần đây, các công cụ này đã được sử dụng để mô tả các khía cạnh khác nhau của mạng D2D, chẳng hạn như lựa chọn chế độ trong giao tiếp D2D làm nền tảng cho các mạng di động [13], quản lý nhiễu của D2D [14] truyền phát đa hướng [15] và bộ nhớ đệm phân tán trong các mạng D2D [30]. 1.4.2 Lý thuyết đồ thị Lý thuyết đồ thị là một công cụ hiệu quả để mô hình hóa và phân tích các loại tương tác, quan hệ và động lực khác nhau trong các mạng khác nhau. Một biểu đồ có thể được sử dụng để biểu diễn các mối quan hệ nhiễu giữa các liên kết truyền thông D2D khác nhau và các liên kết giao tiếp di động, và vấn đề chia sẻ tài nguyên có thể được giải quyết bằng lý thuyết biểu đồ. Lý thuyết đồ thị đã được sử dụng để quản lý nhiễu trong lớp underlay D2D trong một số công trình gần đây [31], [32]. GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn
11 1.4.3 Lý thuyết tiến hóa Trong [33] lý thuyết về trò chơi tiến hóa được áp dụng cho một mạng di động nhận thức với truyền thông D2D. Một kế hoạch lựa chọn chế độ và phân bổ tài nguyên phân tán được đề xuất cho người dùng thứ cấp để tối đa hóa tiện ích phổ. Người dùng có thể chọn để hoạt động ở chế độ di động (chế độ BS) hoặc chế độ D2D. Các tác giả cố gắng tối ưu hóa tiêu chí MS với một bộ tiện ích xem xét tốc độ dữ liệu, công suất truyền và nhiễu chéo cho các chế độ được đề cập ở trên, sau đó sử dụng trò chơi tiến hóa để có được MS. Thông qua mô phỏng, các tác giả cho thấy sơ đồ được đề xuất cải thiện hiệu năng hệ thống so với giao tiếp lớp overlay D2D. 1.4.4 Lý thuyết hàng đợi Lý thuyết hàng đợi là một công cụ phân tích hữu ích để mô hình hóa một loạt các vấn đề và kịch bản trong các mạng truyền thông [34]. Theo truyền thống, các mô hình dựa trên lý thuyết hàng đợi đã được sử dụng rộng rãi để dự đoán QoS của các mạng truy cập. Trong các nghiên cứu trước đây, các mô hình xếp hàng được sử dụng để đánh giá các tham số QoS như xác suất chặn gói, độ trễ và thông lượng gói trung bình. Các tác giả của [35] xây dựng một khung phân bổ nguồn lực và phân bổ nguồn lực nhận biết độ trễ tập trung bằng mô hình hàng đợi để tối ưu hóa hoạt động kiểm soát tài nguyên. 1.5 Các công nghệ tiên tiến trong quản lý nhiễu trong mạng di động hỗ trợ D2D Việc phân loại quản lý nhiễu trong mạng hai tầng do bổ sung tầng thiết bị mới đã được giải thích từ các quan điểm khác nhau trong Phần 1.3. Công việc nghiên cứu về quản lý nhiễu trong mạng di động cho phép D2D vẫn đang tiếp tục và nhiều đề án đã được đề xuất. Trong phần này, các kế hoạch quản lý nhiễu chính sẽ được xem xét. Có nhiều phương án khác nhau để quản lý nhiễu giữa các tầng và nhiễu giữa các tầng được tạo ra bởi truyền thông D2D nhưng nguyên tắc làm việc hoặc công nghệ của chúng rất khác nhau. Do đó, có thể phân loại sơ đồ quản lý nhiễu dựa trên các nguyên tắc làm việc cơ bản hoặc các công nghệ cho phép chính được minh họa trong Hình 1.7 Trường quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) chỉ định kỹ thuật quản lý tài nguyên vô tuyến mà phương pháp được đề cập xem xét xem đó là điều khiển công suất, lựa chọn chế độ hoặc phân bổ tài nguyên. Trường độ phức tạp của mạng cho biết số lượng cell, tức là một/nhiều cell, số cặp D2D và CUE, tức là một/nhiều cặp D2D, một/nhiều CUE. GVHD: TS. Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn