Nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên mạng mật độ siêu cao trong hệ thống 5g thông qua tối ưu hóa bản tin paging TT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - PHẠM THANH BÌNH NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO TRONG HỆ THỐNG 5G THÔNG QUA TỐI ƯU HÓA BẢN TIN PAGING Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thơng Mã số: 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - NĂM 2022 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS.Nguyễn Ngọc Minh Phản biện 1: TS DƯ ĐÌNH VIÊN Phản biện 2: TS NGUYỄN CHIẾN TRINH Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày 15 tháng 01 năm 2022 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Gần đây, nhu cầu sử dụng liệu người máy móc đạt đến giới hạn cơng nghệ mạng không dây Mức sử dụng liệu di động trung bình tăng đặn hàng tháng kể từ năm 2014 Lưu lượng truy cập di động thiết lập tăng gấp lần trước năm 2021 băng thông người dùng dự kiến tăng gần 50% năm theo Quy luật tăng trưởng băng thông Internet Nielsen (Tỷ lệ tăng trưởng băng thông Internet hàng năm người dùng 50%, đánh giá kiểm nghiệm số liệu thống kê 36 năm qua, từ 1983 - 2019) [1] Vì vậy, cần có giải pháp cơng nghệ mạng không dây để đáp ứng nhu cầu băng thông, tốc độ sử dụng công nghệ 5G giải pháp cho vấn đề Nhu cầu băng thông rộng di động tăng nhanh hết động lực thúc đẩy chuyển dịch từ công nghệ 4G lên 5G Các mục tiêu, hiệu suất mạng không dây 5G dự báo làm lu mờ toàn thành đạt hệ mạng không dây trước Mạng không dây 5G mang lại gần 100% độ khả dụng mạng lưới, độ trễ ms, băng thông gấp 1.000 lần tốc độ từ 10 Gbps, khả kết nối lên đến hàng triệu thiết bị 〖km〗^2 5G có khả cho phép bạn tải xuống phim thời lượng 30 giây, với dung lượng liệu công nghệ 4G phải thực khoảng phút Tương lai 5G bùng nổ lưu lượng liệu mạng truyền thông di động Sẽ khó để đáp ứng yêu cầu dung lượng 5G thông qua việc tăng hiệu suất phổ hay sử dụng phổ tần khác hệ mạng trước làm Khái niệm mạng mật độ siêu cao (Ultra dense network – UDN) đời để đáp ứng kịch sử dụng tòa văn phòng, khu hộ, sân vận động hay tàu điện ngầm, nơi có mật độ thiết bị di động tăng đột biến Trong UDN, hạ tầng mạng thiết kế hướng đến người dùng với điểm truy cập hay trạm phát sóng triển khai dày đặc với phạm vi phủ sóng hẹp hơn, giúp cải thiện dung lượng hệ thống Nhưng điều đặt nhiều thách thức cho việc thiết kế kiến trúc mạng, quản lý tính di động, quản lý nhiễu đặc biệt việc sử dụng tài nguyên cách hợp lý Nhiều định hướng nghiên cứu đặt để giải trở ngại thiết kế hệ thống mạng tự tổ chức linh hoạt, xây dựng hệ thống mạng trục nhiều lớp có dây không dây, hay phối hợp nhiều kĩ thuật truy nhập vơ tuyến Việc quản lý tính di động định hướng lại, lấy người dùng làm trung tâm, tích hợp lập trình phần mềm nhiều dựa phát triển hệ thống xử lí mạng lõi Việc quản lý tài nguyên vô tuyến phải đối mặt với phức tạp dày đặc môi trường truyền thông phải đáp ứng yêu cầu tăng vọt thông lượng Điều thúc đẩy nghiên cứu để tiết kiệm tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên lượng Sự khác biệt 5G so với hệ mạng trước việc thiết lập kết nối vô tuyến cách sử dụng giao tiếp dựa búp sóng đẳng hưởng (beamforming) Truyền tin có tính định hướng thay đổi cách giao diện vô tuyến vận hành Vì phạm vi phủ sóng búp sóng bị giới hạn, việc phát quảng bá tin nhắn paging trở nên phức tạp 5G Để bao phủ diện tích toàn cell, tin paging cần truyền qua tất búp sóng Tuy nhiên, việc truyền đồng thời tất búp sóng lúc giới hạn phần cứng, cụ thể số lượng bảng anten bị hạn chế gNB (trạm gốc) Do đó, tin paging phát theo hướng số búp sóng thời điểm chiếm dụng nhiều khe thời gian để bao phủ toàn cell, phát sóng vơ hướng 4G cần phát khe thời gian PO Việc phát quảng bá tin Paging tất búp sóng làm tăng số bit dành cho tin Paging tăng lên đột biến số lượng búp sóng lớn Đây thách thức lớn cho việc quản lý tài nguyên, cụ thể băng thông hệ thống bị chiếm dụng nhiều tin Paging, so với mạng 4G Nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan mạng mật độ siêu cao Chương 2: Kiến trúc mạng mật độ siêu cao UDN mạng 5G Chương 3: Tối ưu tài nguyên Paging 5G UDN 3 CHƯƠNG - TỔNG QUAN MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO 1.1 Giới thiệu chung mạng 5G 1.1.1 Lịch sử đời Từ tháng năm 2008, Machine to Machine Intelligence (M2Mi) Corp - tổ hợp NASA Research Park - lãnh đạo Geoff Brown - bắt đầu phát triển công nghệ thông tin liên lạc 5G Các hệ điện thoại di động thường dựa yêu cầu tiêu chuẩn di động khơng tương thích ngược theo ITU-R, IMT-2000 cho 3G IMTAdvanced cho 4G Song song với phát triển hệ điện thoại di động ITU-R, IEEE quan tiêu chuẩn hóa khác phát triển công nghệ truyền thông không dây, thường cho tốc độ liệu cao tần số cao hơn, phạm vi truyền ngắn Các tiêu chuẩn Gigabit IEEE IEEE 802.11ac, đưa vào thương mại từ năm 2013, gần tiếp nối tiêu chuẩn đa gigabit khác WiGig hay IEEE 802.11ad 5G không tốc độ liệu cao hay dung lượng mạng cao Nó nhắm đến kiểu dịch vụ với độ tin cậy cực cao để xử lý tác vụ quan trọng 5G hướng đến mục tiêu ảo hóa kết nối vạn vật cách hiệu quả, từ cảm biến đơn giản robot phức tạp, tất dựa vào việc nâng cấp tốt dịch vụ thông tin di động băng rộng truyền thống Điều đồng nghĩa hệ ứng dụng, dịch vụ kịch sử dụng đặt yêu cầu đa dạng Để vượt qua thử thách này, 5G cần có kiến trúc hồn toàn mới, lấy người dùng làm trung tâm Kiến trúc cần linh hoạt để tiếp nhận quản lý hàng tỉ kết nối, đem đến giải pháp để kết nối vạn vật, đồng thời lại tối ưu chi phí hiệu sử dụng lượng 1.1.2 Cấu trúc đặc điểm 5G Mạng di động 5G phát triển để đáp ứng nhu cầu người dùng ngày cao như: tốc độ truyền liệu cao, hiệu suất sử dụng tốt, người dùng nhiều, lượng tiêu thụ chi phí thấp tảng cho cách mạng công nghiệp lần thứ Mạng 5G hoạt động kết hợp tần số thấp mạng tần số cao Cấu trúc mạng 5G gồm nhiều tầng khác nhau, khơng gian mạng liệu độ phủ sóng rộng nhờ trạm trung gian (femtocells) Với mơ hình cấu trúc tầng sử dụng dãi phổ tần cao hơn, tốc độ truyền tín hiệu mạnh lớn hơn, gần đến người dùng phổ tần giảm xuống Mạng di động 5G phát triển theo cấu trúc với tính sau đây: - Tốc độ liệu độ trễ: Mạng di động 5G cho phép truyền liệu với tốc độ cao, lên đến vài Gbp/s độ trễ khoảng đến mili giây - Thiết bị kiểu máy giao tiếp đa thiết bị: Khác với mạng di động trước đây, mạng di động 5G cho phép kết nối nhiều thiết bị lúc chia sẻ liệu trùng từ thiết bị điện thoại thông minh, thiết bị gia dụng, tivi, xe ôtô, thiết bị cảm ứng - Phổ tần 5G: Sự gia tăng nhu cầu kết nối thiết bị đòi hỏi lưu lượng, số lượng phổ tần cho hệ thống 5G tăng lên - Kết hợp nhiều công nghệ: Mạng 5G khơng phải thay đổi cơng nghệ mới, mà hỗ trợ phát triển thêm nhiều công nghệ Nó kết hợp nhiều hệ thống GSM, HSPA (Phương thức kết nối gói tốc độ cao), LTE hệ thống hỗ trợ truy cập với hiệu suất cao - Mạng di động 5G hoạt động gồm nhiều tầng gồm trạm phát sóng gốc/nền (macrocell), trạm trung gian (femtocells) kết nối từ thiết bị đến thiết bị - Hỗ trợ tối đa khai thác liệu - Hiệu suất hiệu sử dụng tài nguyên 1.1.3 Thuận lợi thách thức di động 5G Thách thức: - Sự kết nối dày đặc, số lượng kết nối nhiều thiết bị di động - Phạm vi truy cập lưu lượng truy cập khác vị trí khác nhau, điều làm cân hiệu suất quyền hạn truy cập thiết bị - Những giới hạn truy cập riêng chung tầng khác tạo nhiều mức nhiễu giao thoa khác - Vấn đề ưu tiên truy cập kênh tần số khác ưu tiên chiến lược phân bổ tài nguyên Sự giao tiếp D2D ảnh hưởng nhau, làm nhiều gián đoạn trình truy cập Để khắc phục thách thức đó, mạng 5G phải thiết kế xây dựng đảm bảo yếu tố sau: - Thiết kế tối ưu hóa hệ thống mạng di động đa tầng - Thiết kế phương pháp hiệu để hỗ trợ đồng thời nhiều thiết bị kết nối - Thiết kế phương pháp hợp tác hiệu tầng - Quản lý giao thoa mạng đa tầng 5G cho người dùng khác tần số khác khoảng thời gian khác đảm bảo linh hoạt, không trùng lặp liệu tải điểm (tại femtocell người dùng cuối) 1.2 Khái niệm chung mạng mật độ siêu cao UDN Mạng Ultra Dense Network (UDN) lên giải pháp bật để đáp ứng thách thức việc đáp ứng yêu cầu mật độ dung lượng cực cao IMT-2020 (5G) lên đến 10 Mbps/𝑚2 Về mặt định tính, UDN mạng có mật độ tài ngun vơ tuyến cao nhiều so với mạng tại, tức mạng tế bào nhỏ dày đặc nhiều mật độ tương đối mật độ tuyệt đối BS UDN định nghĩa mạng mà mật độ BS (hoặc AP) có khả đạt đến chí vượt mật độ người dùng, điều phù hợp để mơ tả tình lưu lượng truy cập người dùng tăng lên số lượng người dùng không thay đổi Các mạng siêu dày đặc phát sinh không từ sở người dùng mở rộng liên kết ngắn hơn, mà từ cấu trúc liên kết phong phú, bao gồm công nghệ khác hoạt động dải phổ khác Mục đích họ cung cấp thêm dung lượng thông qua việc giảm tải cần thiết, chẳng hạn kiện thể thao lớn (trên sở cần thiết, thời lượng tương đối ngắn), nơi cơng cộng có nhiều người sử dụng sân bay, khuôn viên trường đại học, trung tâm mua sắm, nhà, nơi mà hấp thụ tường làm giảm đáng kể biên độ liên kết đó, thơng lượng Với đời mạng siêu dày đặc kết hợp với vai trò giảm dần macrocell kế thừa, thiết bị cầm tay gần giao tiếp trực tiếp thơng qua liên kết thiết bị với thiết bị Nhiều lợi mở rộng từ việc giảm phát xạ nhiễu điện, đến phát sóng nhóm kết nối mạng lưới, đến bảo mật nâng cao cung cấp khơng có định tuyến mạng trung gian Tuy nhiên, mạng siêu dày đặc đặt thách thức riêng mà chúng phải giải để giúp chúng đạt mức tăng gấp 1000 lần dung lượng cần thiết cho mạng 5G 6 1.3 Thách thức định hướng kỹ thuật UDN 5G đặt mục tiêu tăng tổng dung lượng mạng 4G gấp 1000 lần để đáp ứng nhu cầu giao tiếp liệu không dây Do cao chia tách độ lợi ô nhỏ dày đặc, mạng siêu dày đặc (UDN) coi thành phần quan trọng việc đạt mục tiêu Phần đề cập, phác thảo thách thức với mật độ dày đặc triển khai, bao gồm giao thoa, tính di động, tiêu thụ điện backhaul Mối quan hệ mật độ tế bào dung lượng hệ thống không tỷ lệ thuận mật độ dày đặc mang lại số thách thức, bao gồm can thiệp, tính di động, backhaul tiêu thụ lượng Với TP dày đặc hơn, phạm vi phủ sóng TP lân cận có nhiều khả chồng chéo hơn, dẫn đến nhiễu liên ô đáng kể suy giảm SINR cạnh Người dùng di động gặp phải tình trạng chuyển giao thường xuyên phạm vi phủ sóng nhỏ hơn, phải chịu chi phí truyền tín hiệu cao tốc độ liệu dao động mạnh Vì số lượng lớn cell nhỏ triển khai, nên chiến lược triển khai cung cấp backhaul cần phải linh hoạt tiết kiệm chi phí để làm cho UDN hiệu mặt kinh tế Tiêu thụ lượng yếu tố quan trọng, bối cảnh trái đất nóng lên hóa đơn lượng tăng vọt nhà khai thác 1.3.1 Sự giao thoa Là vấn đề lâu năm mà hệ di động phải đối mặt hệ thống thông tin liên lạc, can thiệp nghiêm trọng LTE kể từ ô liền kề sử dụng lại tài nguyên tần số Để đối phó với giao thoa ô macro, tĩnh bán tĩnh phương thức đề xuất Release Phương thức tĩnh bao gồm ô lập kế hoạch tái sử dụng phần tần số (PFR) Đối với bán tĩnh phương pháp, Evolved Node B (eNB) trao đổi thông tin để can thiệp điều phối thông qua giao diện X2 với khoảng thời gian từ 20ms đến 200ms Với tế bào dày đặc hơn, điều kiện giao thoa chí cịn phức tạp UDN so với LTE HetNet Khi khoảng cách BS trở thành nhỏ hơn, nhiều ô lân cận gây giao thoa Có thể nhận thấy UDN, thường có hai nhiều yếu tố gây nhiễu vượt trội có nhiễu quan sát mạng macro Điều có nghĩa phối hợp với nhiều ô liên quan mạng cần thiết UDN HetNet bao gồm ô macro nhiều loại ô nhỏ khác Do mật độ tế bào tăng lên công suất phát đa dạng, phạm vi phủ sóng tế bào nhiều có khả chồng chéo, dẫn đến tỷ lệ phần trăm cạnh lớn khu vực có tỷ lệ thấp Vì phục vụ số người dùng tỷ lệ cao khoảng cách ngắn, biến động di động can thiệp dự kiến với đến đột ngột người dùng Do can thiệp phối hợp cần phải có thời gian chi tiết phối hợp bán tĩnh LTE khơng cịn đủ Vì giao diện X2 có độ trễ điển hình 20 ms, quy trình giao tiếp liên cần thiết để hỗ trợ điều phối nhanh chóng phát tín hiệu qua mạng phương pháp đầy hứa hẹn Hình 1.3 vẽ biểu đồ mối quan hệ hiệu mật độ phổ tế bào theo chiến lược điều phối nhiễu LTE Sự suy giảm đáng kể hiệu suất phổ cho thấy cần có sơ đồ phối hợp giao thoa sáng tạo UDN 1.3.2 Tính di động Tính di động thường xử lý cách chuyển giao hệ thống thông tin di động Được thiết kế ban đầu cho macro có phạm vi phủ sóng lớn LTE, việc chuyển giao dự kiến khơng xảy q thường xun Vì vậy, thủ tục phức tạp với chi phí tín hiệu lớn thơng qua Hơn nữa, chế chuyển giao cứng có nghĩa kết nối đến nguồn giải phóng trước kết nối với đích Các gián đoạn q trình truyền kích hoạt kiểm sốt tắc nghẽn quy trình TCP, dẫn đến biến động tốc độ liệu Như minh họa Hình 1.4, liên kết đạt công suất tối đa chất lượng liên kết trở nên tốt Kết nối kép đề xuất Release 12 làm giảm bớt gián đoạn truyền dẫn mức độ cách trì kết nối với macro di chuyển qua small cell [10] Tuy nhiên, tỷ lệ liên kết macro nhìn chung cạnh, có nghĩa điều khiển tín hiệu thơng tin liên lạc trì Sự thay đổi lớn người dùng thông lượng xảy trình chuyển giao Với phạm vi phủ sóng nhỏ UDN, việc chuyển giao dự kiến xảy thường xuyên nhiều Rõ ràng cần có giải pháp để giải vấn đề di động, để trải nghiệm người dùng quán Trong trường hợp lý tưởng, giải pháp phải minh bạch với UE để giảm thiểu biến động chi phí tỷ lệ báo hiệu 1.3.3 Backhaul Vì số lượng small cell lớn, chi phí thiết bị đại tu, chi phí triển khai bảo trì phải đủ thấp để tạo ứng dụng thương mại UDN khả thi Dự kiến triển khai kế hoạch cho UDN khó để có vị trí địa điểm thuận lợi cho tế bào 8 Backhaul có dây bao gồm cáp quang cáp, khơng chịu chi phí triển khai bảo trì đắt đỏ mà cịn thiếu tính linh hoạt để lấp đầy lỗ hổng phạm vi phủ sóng Do luồng lưu lượng small cell thường ngắn, nên backhaul có dây thiết kế cho tốc độ cao trở nên không đáp ứng yêu cầu kinh tế Sóng ngắn (microwave) có cơng suất lớn dễ bị cản trở yêu cầu đường truyền, hạn chế đáng kể trường hợp sử dụng Tính khả dụng yếu tố cân nhắc mạng backhaul nào, dịch vụ backhaul không hoạt động, hiệu suất hệ thống bị ảnh hưởng lớn Trong trường hợp hệ thống cáp quang, có gián đoạn đường dẫn tại, hệ thống tự động chuyển sang hướng bảo vệ vòng < 50 ms Ngay backhaul khơng dây (ví dụ: sóng micromet sóng milimet), liên kết backhaul bị ảnh hưởng điều kiện thời tiết không tốt Để khắc phục điều này, kỹ thuật điều chế thích ứng sử dụng để giảm tốc độ đường truyền để trì tính khả dụng Mặc dù yêu cầu mạng 5G chưa phải tiêu chuẩn, để cung cấp dịch vụ mong đợi xe tự hành/lái xe tự hành, nhận diện khuôn mặt nhiều ứng dụng máy với máy cần tính sẵn sàng cao độ trễ thấp 1.3.4 Tiêu thụ lượng Thống kê cho thấy ngành truyền thông di động sản xuất 86 triệu CO2 năm 2007, chiếm 0,2% lượng khí thải carbon tồn cầu Vì UDN có ý nghĩa lớn nhiều tế bào nhỏ hơn, có mối quan tâm sâu sắc tiêu thụ lượng hiệu suất lượng UDN giống 4G Tiêu thụ lượng lớn không gây hại cho mơi trường mà cịn gây áp lực lên hóa đơn lượng cho nhà khai thác Do đó, màu xanh giao tiếp trở thành chủ đề nghiên cứu nóng năm gần mục tiêu quan trọng 5G cải thiện lượng hiệu 4G gấp 100 lần 1.4.Kết luận Như vậy, Chương giới thiệu sơ lược công nghệ 5G: lịch sử đời, cấu trúc, đặc điểm mạng 5G, nêu thuận lợi thách thức triển khai mạng 5G Khái niệm UDN vấn đề giao thoa, tính di động, backhaul tiêu thụ lượng giới thiệu Hơn nữa, số thành phần công nghệ đầy hứa hẹn, bao gồm trực quan hóa tế bào máy thu, tự sửa chữa lại truy cập lấy người dùng làm trung tâm, xây dựng Bên thách thức cơng nghệ này, UDN yêu cầu thay đổi mơ hình thiết kế hệ thống thơng tin di động Đó là, thay đổi từ thiết kế dựa trung tâm tế bào, thiết kế truyền thống sang thiết kế lấy người dùng làm trung tâm, ngang hàng Thiết kế UDN câu hỏi mở với nhiều vấn đề chưa giải tất cần nỗ lực không ngừng UDN nên xem xét quan trọng đưa định thiết kế 5G quan trọng định dạng khung triển khai MIMO quy mô lớn Các kiến trúc, thách thức mạng UDN tìm hiểu kỹ chương luận văn 10 CHƯƠNG – KIẾN TRÚC MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO UDN TRONG MẠNG 5G 2.1 Các kiến trúc mạng đề suất cho UDN 2.1.1 Kiến trúc tăng cường Small Cell Với phong phú liên tục kịch ứng dụng thông tin di động tương lai, kiến trúc mạng thông tin di động dựa tế bào vĩ mơ truyền thống khó đáp ứng tăng trưởng bùng nổ nhu cầu dịch vụ truyền thông Một giải pháp đầy hứa hẹn triển khai mạng siêu dày đặc (UDN) bao gồm trạm gốc nhỏ (BS) triển khai linh hoạt, chẳng hạn BS microcell, BS picocell BS femtocell Trong 5G, mạng siêu dày đặc triển khai với tế bào nhỏ có chi phí thấp cơng suất thấp kỳ vọng nâng cao hiệu suất tổng thể mạng hiệu lượng cân tải Bản chất việc triển khai tế bào siêu dày đặc rút ngắn khoảng cách vật lý máy phát máy thu, để cải thiện hiệu suất hệ thống 2.1.2 Kiến trúc UDN METIS Huawei 28 đối tác châu Âu khởi xướng Dự án “Mobile and Wireless Communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society (METIS)” Được triển khai vào tháng 11 năm 2012, dự án METIS nhằm phát triển khái niệm hệ thống 5G hoàn toàn công nghệ quan trọng liên quan ba năm để hỗ trợ gia tăng liệu di động bùng nổ tương lai với chi phí hiệu suất điện hiệu suất sử dụng phổ tần cao Để xây dựng khái niệm hệ thống 5G, METIS xem xét bốn thành phần công nghệ: khái niệm liên kết vô tuyến, truyền dẫn đa truy cập đa anten, công nghệ truy cập vô tuyến đa truy cập (RAT) mạng đa lớp, kỹ thuật sử dụng phổ tần 2.1.3 Kiến trúc người dùng làm trung tâm cho UDN (UUDN) User Centric Ultra Dense Networks (UUDN) mạng khơng dây mật độ AP so sánh với mật độ người dùng; mạng tổ chức Nhóm AP (APG) phạm vi phủ sóng sau để phục vụ người dùng cách liền mạch mà không cần tham gia người dùng UUDN cho phép người dùng cảm thấy mạng lưới theo sát họ Vì 11 vậy, mạng nhận biết cách thông minh môi trường giao tiếp không dây người dùng, sau tổ chức linh hoạt APG tài nguyên cần thiết để phục vụ người dùng người dùng cảm thấy trung tâm “tế bào” 2.2 Định hướng nghiên cứu cho thách thức nêu 2.2.1 Mạng linh hoạt Seft Organizing Networks (SON) Công nghệ mạng linh hoạt Seft Organizing Networks (SON) tập hợp thủ tục (hoặc chức năng) để tự động cấu hình, tối ưu hóa, chẩn đốn phục hồi mạng di động Nó coi nhu cầu thiết yếu hoạt động mạng di động tương lai chủ yếu tiết kiệm chi tiêu vốn (CAPEX) chi tiêu hoạt động (OPEX) Những ưu điểm mạng SON bao gồm: - Giảm thời gian chi phí lắp đặt - OPEX giảm giảm nỗ lực thủ công liên quan đến giám sát, tối ưu hóa, chẩn đốn phục hồi mạng - Giảm CAPEX sử dụng tối ưu phần tử mạng phổ - Cải thiện trải nghiệm người dùng - Cải thiện hiệu suất mạng 2.2.2 Backhaul Các yêu cầu small cell backhual thay đổi đáng kể tùy thuộc vào vị trí small cell (ví dụ, cường độ tải lưu lượng, độ trễ, chất lượng mục tiêu dịch vụ chi phí thực kết nối sửa chữa ô nhỏ) Bên cạnh đó, phương án triển khai backhaul có sẵn khác nhau, ví dụ số điểm triển khai kết nối cáp quang không khả dụng cho điểm khác Một số nơi kết nối sóng micromet có tầm nhìn tốt khơng khả dụng cho nơi Vì vậy, khơng có phương án hay cơng nghệ cụ thể áp dụng triển khai rộng rãi triển khai cơng nghệ backhaul Có nhiều lựa chọn nhà khai thác phải định giải pháp sửa chữa lớn tiết kiệm cho tình triển khai cụ thể 12 2.2.3 Quản lý tính di động – HandOver (HO) HandOver: Chuyển giao q trình viễn thơng truyền thơng di động, gọi di động kết nối phiên liệu chuyển từ trạm gốc (BS) sang trạm gốc khác mà khơng ngắt kết nối phiên Các dịch vụ di động dựa tính di động chuyển giao, cho phép người dùng di chuyển từ phạm vi BS sang phạm vi BS khác chuyển sang BS gần để có hiệu suất tốt HO yếu tố cốt lõi việc lập kế hoạch triển khai mạng di động Nó cho phép người dùng tạo phiên liệu kết nối gọi điện thoại di chuyển Quá trình giữ cho gọi phiên liệu kết nối người dùng di chuyển từ BS sang BS khác Do đó, việc quản lý HO hiệu quan trọng tính chất khơng đồng dày đặc mạng 5G Quy trình HO tiêu tốn đáng kể tài nguyên hệ thống UE dự kiến gặp phải chậm trễ đáng kể hệ thống suy giảm hiệu suất Do đó, HO khơng nên ngẫu nhiên xảy Ngoài ra, việc sử dụng sóng mm cơng nghệ 5G yếu tố chi phối ảnh hưởng đến tính di động Điều suy hao đường truyền cao sử dụng dải tần sóng mm, làm giảm phạm vi phủ sóng Xác suất HO tăng lên đáng kể, dẫn đến gia tăng số lượng vấn đề di chuyển, chẳng hạn HOF cao, tác động PPHP OP 2.2.4 Quản lý nhiễu Nhiễu tế bào (Inter Cell Interference – ICI) gây việc sử dụng đồng thời phổ tế bào khác tạo vấn đề nghiêm trọng ICI làm giảm thông lượng hệ thống dung lượng mạng, đồng thời có tác động tiêu cực đến người dùng cạnh tế bào hiệu suất tổng thể hệ thống, quản lý nhiễu ngày trở nên cần thiết quản lý ICI ngày đóng vai trị quan trọng mạng di động Với UDN, ICI quan trọng cấu trúc liên kết mạng giả ngẫu nhiên Công nghệ truyền thông phối hợp tiên tiến - Coordinated multipoint transmission (CoMP): Giao tiếp phối hợp CoMP đóng vai trị quan trọng nhiều 5G Trước hết, việc sử dụng CoMP tạo điều kiện thuận lợi kiến trúc mạng tập trung hỗ trợ 5G Super BS Với kiến trúc dựa Super BS, q trình tín hiệu hàng chục tế bào tập trung BS với khả tính tốn lưu trữ siêu việt, phận 13 thu phát vô tuyến lưu giữ vị trí tế bào kết nối với Super BS thông qua sợi tốc độ cao liên kết không dây Bằng cách này, việc điều phối ô lân cận thực cách thuận tiện liệu thơng tin trạng thái kênh (CSI) ô định vị Super BS, tương tự CoMP HomNet Do đó, mong đợi CoMP phía mạng triển khai tự nhiên 5G với Super BS Phối hợp giao thoa ô (Inter cell Interference Coordination – ICIC): Điều liên quan đến kỹ thuật tiên tiến điều khiển công suất, tách phổ giải mã tín hiệu thơng tin mong muốn, sử dụng kết hợp với ước lượng kênh từ tín hiệu nhận để giảm nhiễu Hai kỹ thuật sử dụng rộng rãi hệ thống truyền thông khơng dây cho mục đích loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) loại bỏ nhiễu song song (PIC) Phối hợp giao thoa tế bào nâng cao (Enhanced Inter cell Interference Coordination (eICIC): Kỹ thuật ICIC nêu thiết kế đặc biệt cho mạng macro Kỹ thuật eICIC mạnh mẽ miền thời gian bao gồm triển khai kênh ô nhỏ phạm vi bao phủ macrocell, khả đồng hóa theo thời gian giai đoạn mạng khơng đồng Các tính eICIC sử dụng để cải thiện hiệu phổ trình truyền hướng xuống ABS (Almost Blank Subframe) liên kết người dùng thiên vị, gọi CRE (cell range expansion) eICIC giảm thiểu nhiễu cấp độ mặt phẳng điều khiển, thay cấp độ mặt phẳng liệu Do đó, việc điều phối nhiễu đạt hiệu nhờ tính kết hợp giảm cơng suất ngắt khung phụ BS, khả loại bỏ nhiễu từ người dùng Tuy nhiên, việc tắt tiếng số khung phụ MeNB (Macro evolved NodeB) eICIC dựa ABS dẫn đến cố ngừng hoạt động suy giảm hiệu suất phổ, điều làm hiệu lực lợi ích thu việc cải thiện hiệu suất Tổng hợp sóng mang (Carrier Aggregation – CA): cung cấp phạm vi phủ sóng tốt hơn, tốc độ liệu cao yêu cầu độ trễ thấp thông qua băng thông truyền dẫn rộng Với cơng nghệ CA, nhiều sóng mang thành phần (CC) tổng hợp lên đến 100 MHz cho người dùng theo cách liên tục không liên tục CA liên tục nhiều CC có sẵn đặt liền kề nhau, không liên tục, CC tách dải tần Do đó, CA hỗ trợ tổng hợp tối đa năm CC với băng thông giống khác để đạt tốc độ truyền liệu cao, đồng thời trì khả tương thích ngược với cơng nghệ kế thừa 14 2.2.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) Các thách thức quản lý tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Management - RRM) sóng milimet bao gồm: - Sự suy hao tần số sóng milimet làm giảm hiệu suất nghiêm trọng đó, việc trì kết nối đáng tin cậy thách thức, đặc biệt dịch vụ quan trọng độ trễ - Điều kiện kênh khơng dây chất lượng liên kết thay đổi đáng kể trình di chuyển người dùng, yêu cầu định RRM nhanh chóng hỗ trợ đa kết nối Tính di động người dùng gây thay đổi chuyển tải đáng kể nhanh chóng khu vực phủ sóng nhỏ nút truy cập Do đó, việc quản lý kết nối cân tải chức RRM thông thường cần phải xem xét lại để đối phó với thách thức nói - Do truyền dẫn có định hướng cao, đặc điểm giao thoa liên kết trở nên khác nhiều so với hệ thống GHz Do đó, cần phải quản lý nhiễu nâng cao 2.1 Kết luận Như vậy, Chương sâu tìm hiểu cơng nghệ mạng mật độ siêu cao UDN với đặc điểm kiến trúc công nghệ chủ chốt quản lý di động, quản lý nhiễu, quản lý tài nguyên vô tuyến, điều phối SON multi-RAT cần tăng cường Trong đó, việc thiết kế thuật toán liên quan tới quản lý tài nguyên hệ thống trở thành lĩnh vực nghiên cứu chủ chốt mạng UDN Một thuật toán liên quan tới tài nguyên hệ thống tối ưu hóa tin Paging nhằm giảm chi phí tài nguyên phân trang giúp giảm 15% lượng sử dụng hệ thống đề suất Chương luận văn 15 CHƯƠNG – TỐI ƯU TÀI NGUYÊN PAGING TRONG 5G UDN 3.1 Cơ chế Paging Phổ sóng milimet (mmWave) đề xuất quan trọng mạng di động 5G khả đáp ứng nhu cầu lưu lượng lớn số lượng thiết bị không dây ngày tăng Kỹ thuật định hướng hình thành chùm vượt qua thách thức lan truyền suy hao đường dẫn tần số cao mmWave Mặc dù hội tụ định hướng kỳ vọng mở khả mới, khơng thể thực với giải pháp tiết kiệm lượng thơng thường tối ưu hóa truyền thơng đa hướng Phát phân trang, dành cho người dùng chế độ Tiếp nhận không liên tục (IDRX) để tiết kiệm lượng, chức cần thiết giao tiếp không dây cần sửa đổi truyền dựa chùm định hướng cao 3.1.1 Giám sát phân trang Trong chu kỳ IDRX, UE chế độ ngủ (thời gian ‘TẮT’) để tiết kiệm lượng Tuy nhiên, UE đánh thức khung cụ thể gọi Thời điểm phân trang (PO) để giám sát Kênh điều khiển chung đường xuống vật lý (PDCCH) để phân trang Nếu PDCCH để phân trang nhận PO, UE giải mã Kênh chia sẻ đường xuống vật lý (PDSCH) để nhận thông báo phân trang Nếu trang không dành cho UE, ngủ lại PO Mỗi chu kỳ IDRX, UE giám sát PO Khung phân trang (PF) định PF khung vô tuyến bao gồm nhiều PO (tối đa bốn LTE) 3.1.2 Paging phát quảng bá nhà mạng Khi chế độ nhàn rỗi, UE thực thủ tục cập nhật TA để thông báo vị trí sở liệu mạng cho Thực thể Quản lý Di động (MME) Cơ chế phân trang kích hoạt MME khu vực theo dõi sau đó, tin phân trang thông báo cho tất eNB TA Do đó, thơng báo phân trang phát PO cấu hình cho tất liên kết với TA cập nhật lần cuối Trong hệ thống 5G định hướng, tin phân trang cần truyền qua tất chùm cho ô TA Tuy nhiên, giới hạn độ phức tạp anten gNB yếu tố cản trở việc truyền đồng thời tế bào Việc truyền phân trang diễn khe thời 16 gian khác nhau, dẫn đến yêu cầu tài nguyên tăng lên Nghiên cứu liên quan cho thấy gia tăng vượt trội nguồn lực cho phân trang định hướng truyền thông 5G so với mạng LTE cũ Việc tiết kiệm tài nguyên mạng lưới đạt với giá phải trả gia tăng chi tiêu lượng UE Để giảm gia tăng chi phí lượng UE chế PIDP đề suất, sơ đồ phân trang thay cho truyền thông 5G định hướng 3.2 Phương pháp tối ưu Giảm lượng bit dành cho UE ID cách phân chia lại UE ID (PIDP) Trong truyền thơng định hướng 5G, phạm vi phủ sóng không gian hạn chế chùm, tin phân trang truyền qua chùm khác nhau, dẫn đến chi phí phân trang cao Trong chế PIDP đề xuất giảm chi phí phân trang gia tăng mạng 5G cách giảm số lượng bit có thơng điệp phân trang truyền qua chùm khác Thông báo phân trang PO bao gồm UE ID tất UE phân trang PO với bit đầu RRC (ví dụ: số lượng UE ID phần đệm), bit PDCCH bit Kiểm tra Dự phòng theo chu kỳ (CRC) Tài nguyên mạng cần thiết cho việc phát tin phân trang phụ thuộc vào số lượng UE số chùm Trong số lượng chùm liên quan đến tần số hoạt động số lượng UE Phụ thuộc vào mật độ người dùng, bit đầu nhỏ Vì vậy, khơng thể tưởng tượng để giảm chùm tia, bit cao mật độ người dùng Do đó, phần nghiên cứu đề xuất phương pháp giảm bit cho UE ID bao gồm tin phân trang, truyền PO, để giảm chi phí phân trang định hướng 3.2.1 Nguyên lý hoạt động Phương pháp giảm bít cho UE ID thực sau, UE ID chia thành hai phần ID UE coi bao gồm N bit Thay N bit, N2 bit UE truyền tin phân trang cho tất UE phân trang PO, cho N2 < N Các thủ tục liên quan đến cấu hình PO phân phối UE PO khác thiết kế lại chế PIDP để tránh xung đột truyền kích thước UE ID ngắn Do đó, điều quan trọng phải phân vùng ID UE cách cẩn thận xem xét bit đưa vào thông báo phân trang bit sử dụng để cấu hình PO Ba bước chế PIDP đề xuất xây dựng sau: 17 Bước 1: Phân vùng chia tách UE ID Bước chế PIDP liên quan đến việc phân vùng N bit UE ID thành hai phần: phần bao gồm N_1 bit phần gồm N_2 bits N_1 N_2 cung cấp thơng tin đầy đủ UE ID Hình 3.3 Phương pháp PIDP đề xuất thay tồn N bit UE ID truyền đi, N2 bit truyền số UE cấu hình PO có nhiều PO cho chu kỳ IDRX, việc giảm số bit truyền UE dẫn đến việc tiết kiệm tài nguyên mạng Hơn nữa, khoản tiết kiệm mong đợi đáng kể tin phân trang truyền qua số chùm Bước 2: Cấu hình lại UE ID Khơng phải lúc trang tất UE PO phụ thuộc vào yếu tố tải phân trang, kích thước vùng theo dõi mật độ người dùng Do đó, cần có nhiều PO chu kỳ IDRX Vì mạng nhận thức tải phân trang yếu tố khác, cấu hình nhiều PO hệ thống 4G Trong phân trang định hướng vậy, nhiều PO yêu cầu lý tương tự Bước 3: Phân phối UE ID Trong hệ thống kế thừa, nhiều PO mạng cấu hình chu trình IDRX UE phân phối PO Tương tự, chế PIDP, UE phân phối 𝑁𝑃𝐼𝐷𝑃 số PO cấu hình cho chu kỳ IDRX Cơ chế PIDP đề xuất UE có bit quan trọng cấu hình PO Do đó, PIDP, có 𝑁2 bit quan trọng ID UE đưa vào thông báo phân trang, 𝑁1 bit quan trọng sử dụng để phân phối UE qua PO khác Điều đảm bảo ID tất UE phân trang nhận dạng mạng phần bit đưa vào thông báo phân trang 3.2.2 Tính tốn mơ hình hệ thống 3.3 Khảo sát đánh giá hiệu suất Phân tích hiệu suất phương pháp PIDP thực MATLAB xem xét tác động tổng hợp của: giảm kích thước UE ID (đối với 𝑁2 ) Trong giao tiếp định hướng, chi phí tài nguyên phân trang tăng lên với số lượng chùm TX trình truyền thông điệp phân trang diễn tất chùm Do đó, phần phân tích hiệu suất PIDP liên quan đến biến thể kích thước UE ID, tỷ lệ phân trang ảnh hưởng số lượng chùm TX Để đánh giá hiệu suất phương pháp ta xét trường hợp sau: 18 Bảng 3.2: Các thơng số tính tốn Thơng số hệ thống Giá trị Kích thước UE đầy đủ N 40 bits [30] Kích thức UE dự kiến truyền 𝑁2 28, 30, 32, 34, 36, 38 bits Tỉ lệ phân trang 𝑅𝑝𝑎𝑔 1600-6400 UE/s [30] Chùm tia 𝐵𝑛 16, 32, 64, 128 [31] Băng thông hệ thống Ω𝜔 100 MHz [32] Hiệu suất cạnh phổ 𝜂𝑠 0.225 bits/s/Hz [33] Bits hệ thống 64 bits [34] 𝜖𝑅𝑅𝐶 + 𝜖𝐶𝑅𝐶 + 𝜖𝑃𝐷𝐶𝐶𝐻 Khe thời gian T 0.2 ms [35] Trường hợp 1: So sánh công suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với số lượng chùm tia Bn = 16, 32, 64, 128 Công suất cần thiết hệ thống giảm kích thước UE ID 2, 8, 12 bits tương ứng 𝑁2 là: 38, 32 28 bits với tỉ lệ phân trang 6400 UE/s, ta nhận thấy: với việc giảm kích thước UE ID bits (tương đương 5%) công suất hệ thống giảm từ 1% đến 9,7% so với việc phát đầy đủ UE ID Khi giảm kích thước UE ID bits (tương đương 20%) công suất hệ thống giảm từ 3% đến 24% so với việc phát đầy đủ UE ID Nhưng giảm kích thước UE ID 12 bits (tương đương 30%) công suất hệ thống lại tăng so với việc phát đầy đủ UE ID Như phương pháp đáp ứng yêu cầu đặt ra, việc giảm kích thức UE ID nhiều hệ thống tiết kiệm lượng Trường hợp 2: So sánh công suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với số lượng chùm tia Bn = 64,128 Hiệu giảm công suất hệ thống cắt giảm UE ID với tỉ lệ phân trang 𝑅𝑝𝑎𝑔 = 6400 UE/s trình truyền 64 128 chùm tia Cũng kết luận phần a, không 19 phải giảm bít hiệu phương pháp PIDP tăng lên mà ngược lại, 𝑁2 cịn 28 bits cơng suất hệ thống tăng lên 110% 220% so với 73.6% 147% truyền đầy đủ UE ID, lúc hệ thống phải cấu hình nhiều PO để đảm bảo hệ thống phát tin Paging cho UE số lượng bit truyền tin Paging Trường hợp 3: Xét mức tiết kiệm lượng phương pháp PIDP so với việc phân trang định hướng truyền đầy đủ kích thước UE ID Hình 3.10: Mức tiết kiệm lượng hệ thống xét theo tỉ lệ phân trang Từ hình 3.10 ta nhận thấy: Khi tỷ lệ phân trang tăng lên, phần trăm lượng tiết kiệm PIDP tăng lên Với tỉ lệ phân trang 1600 UE/s ≤ R pag ≤ 4800 UE/s, mức tiết kiệm lượng N2 = 34 cao từ 11% đến 14.3% so với việc phân trang định hướng với ID người dùng đầy đủ Khi tỉ lệ phân trang mức cao 4800 UE/s < R pag ≤ 6400 UE/s, mức tiết kiệm lượng N2 = 32 cao từ 14,3% đến 15.94% so với việc phân trang định hướng với ID người dùng đầy đủ Ta thấy cắt giảm bits UE ID (N2 = 34) lượng tiết kiệm hệ thống ổn định hơn, tiết kiệm so với việc cắt giảm số lượng bít cịn lại 2, 4, bits UE ID 20 KẾT LUẬN Thông qua chương nội dung, luận văn trình bày đầy đủ kết tìm hiểu nghiên cứu tơi suốt trình học tập nghiên cứu bậc Thạc sĩ Chương tóm tắt lịch sử đời, cấu trúc, đặc điểm bản, thách thức, thuận lợi mạng 5G Giới thiệu tổng quan mạng mật độ siêu cao UDN, thách thức định hướng kỹ thuật triển khai mạng UDN như: giao thoa, tính di động, backhaul, tiêu thụ điện nêu trình bày Chương Chương giới thiệu cụ thể kiến trúc mạng mật độ siêu cao UDN, kiến trúc đề suất triển khai: kiến trúc tăng cướng Small Cell, kiến trúc METIS, kiến trúc lấy người dùng làm trung tâm Chương nêu định hướng nghiên cứu giải thách thức nêu Chương Chương sâu khai thác khía cạnh quản lý tài nguyên việc giới thiệu chế phân trang giao tiếp 5G hỗ trợ mmWave Cơ chế Phân trang định hướng dựa ID người dùng phân vùng (PIDP) cho giao tiếp 5G định hướng hỗ trợ mmWave Chi phí tài nguyên phân trang cao đáng kể liên lạc định hướng việc quét chùm tia trở nên cần thiết để bao phủ khu vực cell Cơ chế PIDP đề xuất làm giảm kích thước UE ID có thơng điệp phân trang, truyền qua nhiều chùm, để giảm chi phí tài nguyên phân trang Để đảm bảo thông tin UE ID không bị xâm phạm PIDP, cấu hình phân phối UE dịp phân trang khác sửa đổi Sau tính tốn chạy thử nghiệm Matlab chế đáp ứng yêu cầu đặt luận văn  ... chiếm dụng nhiều tin Paging, so với mạng 4G Nội dung luận văn bao gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan mạng mật độ siêu cao Chương 2: Kiến trúc mạng mật độ siêu cao UDN mạng 5G Chương 3: Tối ưu tài. .. cường Trong đó, việc thiết kế thuật toán liên quan tới quản lý tài nguyên hệ thống trở thành lĩnh vực nghiên cứu chủ chốt mạng UDN Một thuật toán liên quan tới tài nguyên hệ thống tối ưu hóa tin Paging. .. phải quản lý nhiễu nâng cao 2.1 Kết luận Như vậy, Chương sâu tìm hiểu cơng nghệ mạng mật độ siêu cao UDN với đặc điểm kiến trúc công nghệ chủ chốt quản lý di động, quản lý nhiễu, quản lý tài nguyên