(Luận văn thạc sĩ) 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

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Phạm Thanh Bình LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI - 2021 download by : skknchat@gmail.com 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: MÃ SỐ: LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN NGỌC MINH HÀ NỘI - 2021 download by : skknchat@gmail.com i LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Phạm Thanh Bình download by : skknchat@gmail.com ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn tới TS Nguyễn Ngọc Minh tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu tham khảo, kinh nghiệm ý kiến đóng góp quý báu trình làm luận văn Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè người giúp đỡ tạo điều kiện để em hồn thành luận văn Trong thời gian thực luận văn, thân em khó tránh khỏi nhiều thiếu sót Em mong nhận ý kiến đóng góp từ phia thầy bạn be để luận văn hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Học viên Phạm Thanh Bình download by : skknchat@gmail.com iii MỤC LỤC Contents LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG – TỔNG QUAN MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO 1.1 Giới thiệu chung mạng 5G 1.1.1 Lịch sử đời 1.1.2 Cấu trúc đặc điểm 5G 1.1.3 Thuận lợi thác thức mạng di động 5G 1.2 Khái niệm chung mạng mật độ siêu cao UDN 1.3 Thách thức định hướng kỹ thuật UDN 1.3.1 Sự giao thoa 1.3.2 Tính di động 1.3.3 Backhaul 1.3.4 Tiêu thụ điện 1.4 Kết luận CHƯƠNG – KIẾN TRÚC MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO UDN TRONG MẠNG 5G 21 2.1 Các kiến trúc mạng đề suất cho UDN 2.1.1 Kiến trúc tăng cường Small Cell download by : skknchat@gmail.com iv 2.1.2 Kiến trúc UDN METIS 23 2.1.3 Kiến trúc người dùng làm trung tâm cho UDN (UUDN) 26 2.2 Định hướng nghiên cứu cho thách thức nêu 29 2.2.1 Mạng linh hoạt Seft Organizing Networks (SON) 29 2.2.2 Backhaul 32 2.2.3 Quản lý tính di động – HandOver (HO) 35 2.2.4 Quản lý nhiễu 38 2.2.5 Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM) 41 2.3 Kết luận 42 CHƯƠNG – TỐI ƯU TÀI NGUYÊN PAGING TRONG 5G UDN .44 3.1 Cơ chế PAGING 46 3.1.1 Giám sát phân trang 46 3.1.2 PAGING phát quảng bá nhà mạng 48 3.2 Phương pháp tối ưu Giảm lượng bit dành cho UE ID cách phân chia lại UE ID (PIDP) 49 3.2.1 Nguyên lý hoạt động 50 3.2.2 Tính tốn mơ hình hệ thống 53 3.3 Khảo sát đánh giá hiệu suất 55 KẾT LUẬN 61 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 download by : skknchat@gmail.com v DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Viết tắt 3GPP The Proj BS Base CRC Cyc CRE Cell CSI Cha DRX Disc EHF Extr e-ICIC Enh Coo FSO Free HARQ Hyb HO Han HOF Han ICIC Inter Coo IDRX Idle LDC Loca LOS Line LSBs Leas MAC Med MBSFN Mul Freq MIMO Mul MM Mob NR New download by : skknchat@gmail.com vi OFDM Ort Mu OP Ou PDCCH Phy Con PDSCH PF Phy Cha Pag PHY Phy PIDP Par Dir PO Pag PPHP Pin PRB Phy PTMP Poi PTP Poi RACH Ran RAT Rad RF Rad R-PDCCH Rel Cha RRM Rad SC-FDMA Sin Div TVWS TV TX Tra UE Use download by : skknchat@gmail.com vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: So sánh mạng UDN mạng di động truyền thống 12 Bảng 2.1: Các kiến trúc small cell đặc điểm chúng 22 Bảng 2.2: Các giải pháp backhaul không dây 34 Bảng 3.1: Phân tích dung lượng để phân trang định hướng 49 Bảng 3.2: Các thơng số tính toán 56 download by : skknchat@gmail.com viii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Ứng dụng mạng 5G Hình 1.2: Kiến trúc chung cho mạng viễn thông 5G Hình 1.3: Cơng nghệ kiến trúc mạng siêu dày đặc dành cho 5G 11 Hình 1.4: Mất hiệu phổ so với mật độ tế bào 14 Hình 1.5: Thơng lượng TCP theo số lần chuyển giao 16 Hình 1.6: Tiêu thụ lượng truyển tải lưu lượng dự liệu với tải khác 19 Hình 2.1: Các kiến trúc small cell đề xuất 21 Hình 2.2: Kiến trúc mạng UUDN 27 Hình 2.3: HO cố cài đặt HCP mức tối ưu 37 Hình 3.1: Giao diện khơng khí định hướng truyền thơng 5G 45 Hình 3.2: Khung phân trang (PF) dịp phân trang (PO) mạng kế thừa 47 Hình 3.3: Chia tách UE ID thành phần 51 Hình 3.4: Cấu hình kiện phân trang (PO) phân phối UE PO PIDP 53 56 Hình 3.6: So sánh cơng suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với N2 = 32 57 57 58 59 cho N1 = Hình 3.5: So sánh cơng suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với = 38 Hình 3.7: So sánh công suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với N2 = 28 Hình 3.8: So sánh cơng suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với Bn = 64 Hình 3.9: So sánh cơng suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với Bn = 128 Hình 3.10: Mức tiết kiệm lượng hệ thống xét theo tỉ lệ phân trang 60 download by : skknchat@gmail.com R pag Bn ×( = PON Với khe thời gian để phân trang tạo điều kiện cho trạm gốc chế độ ngủ, dẫn đến tiết kiệm điện Gọi δPIDP số lượng khe thời gian cần thiết giây để truyền phân trang chế PIDP δPIDP tính theo công thức: δ = PIDP number o f POs per time slo Tương tự gọi δDP số lượng khe thời gian cần thiết giây để truyền phân trang chế phân trang đầy đủ UE ID δDP tính theo cơng thức: Đánh giá mức tiết kiệm lượng hệ thống ta theo công thức: δ δ NL 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 q trình truyền thơng 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 Các tham số khác sử dụng để phân tích chế PIDP đề xuất đưa Bảng 3.2 Trong phân tích hiệu suất PIDP, hiệu suất phổ cạnh ô hướng xuống coi phân trang giao tiếp quảng bá dự định nhận tất UE Để đánh giá hiệu phương pháp tối ưu giảm kích thước UE ID, ta đánh giá theo trường hợp sau: download by : skknchat@gmail.com 56 a So sánh công suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với số lượng chùm tia = 16, 32, 64, 128 Thơng số hệ thống Kích thước UE đầy đủ N Kích thức UE dự kiến truyền Tỉ lệ phân trang Chùm tia Băng thông hệ thống Ω Hiệu suất cạnh phổ Bits hệ thống ++ Khe thời gian T N2 = 38: Bảng 3.2: Các thông số tính tốn Hình 3.5: So sánh cơng suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với download by : skknchat@gmail.com = 38 57 2=32: Hình 3.6: So sánh cơng suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với = 32 Hình 3.7: So sánh cơng suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với = 28 2=28: download by : skknchat@gmail.com 58 Hình 3.5, 3.6, 3.7 mô tả Công suất cần thiết hệ thống giảm kích thước UE ID 2, 8, 12 bits tương ứng 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%) cơng suất hệ thống lại tăng so với việc phát đầy đủ UE ID Như phương pháp đáp ứng yêu cầu đặt ra, khơng phải việc giảm kích thức UE ID nhiều hệ thống tiết kiệm lượng b So sánh công suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với số lượng chùm tia = 64,128 Hình 3.8: So sánh cơng suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với download by : skknchat@gmail.com = 64 59 Hình 3.9: So sánh cơng suất hệ thống cắt giảm kích thức UE ID với = 128 Hình 3.8 3.9 mơ tả 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, giảm bít hiệu phương pháp PIDP tăng lên mà ngược lại, N2 28 bits công 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 c 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 mơ tả hiệu tiết kiệm lượng (dưới dạng %) hệ thống so với việc truyền đầy đủ kích thước UE ID (N = 40) cắt giảm UE ID với số lượng bits cắt giảm N1 = 2, 4, 6, bits tương đương số bits lại truyền = 38, 36, 34, 32 bits truyền với số lượng chùm Bn = 128 chùm download by : skknchat@gmail.com 60 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 ≤ Rpag ≤ 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 < Rpag ≤ 6400 UE/s, mức tiết kiệm lượng = 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 lại 2, 4, bits UE ID Như với việc áp dụng phương pháp PIDP, loại bỏ bớt bit không quan UE ID làm giảm chi phi tài nguyên mạng trình phát phân trang Đã đáp ứng yêu cầu đặt download by : skknchat@gmail.com 61 KẾT LUẬN Như vậy, thông qua chương nội dung, luận văn trình bày đầy đủ kết tìm hiểu nghiên cứu tơi suốt q 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 ngun 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 download by : skknchat@gmail.com 62 DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Việt [1] Minh Thiện, (2019), Cáp quang 5G: Đôi cánh mạng viễn thông tốc độ cao, https://ictvietnam.vn/cap-quang-va-5g-doi-canh-cua-mang-vien-thong-tocdo-cao-9000.htm, Truy cập 12 tháng năm 2021 Tài liệu tiếng anh [2] Park, S Kim, and J Zander, “Asymptotic behavior of ultra-dense cellular networks and its economic impact,” IEEE GLOBECOM, 2014 [3] Thurfjell, M Ericsson, and P de Bruin, “Network densification impact on system capacity” IEEE VTC Spring, 2015 [4] Stefanatos and A Alexiou, “Access point density and bandwidth partitioning in ultra dense wireless networks,” IEEE Trans on Communications, Sept 2014 [5] Su, C Yang and C-L I, "Energy and Spectral Efficient Frequency Reuse of Ultra Dense Networks." IEEE Trans on Wireless Communications, Aug 2016 [6] S Baldemair, T Irnich, K Balachandran, E Dahlman, G Mildh, Y Selen, Parkvall, M Meyer, and A Osseiran, “Ultra-dense networks in millimeter-wave frequencies,” IEEE Communications Magazine [7] Liu, W Xiao, and A C K Soong, “Dense networks of small cells,” in Design and Deployment of Small Cell Networks, A Anpalagan, M Bennis, and R Vannithamby, Eds Cambridge University Press, 2016 [8] 3GPP Technical Specification 36.213, ‘Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Physical Layer Procedures’, https://www.3gpp.org [9] 3GPP, “Technical Report - Small Cell Enhancements for E-UTRA and EUTRAN physical layer aspects”, 3rd Generation Partnership Project (3GPP), TR 36.872, December 2013 [10] Satish C Jha et al., “Dual Connectivity in LTE Small Cell Networks”, IEEE Globecom Workshop, Austin, Dec 2014 download by : skknchat@gmail.com 63 [11] Yu-Ngok R Li, H Xiao, J Li, Wu, "Wireless backhaul of Dense Small Cell Networks with High Dimension MIMO", IEEE GLOBECOM Workshop, Austin, Dec 2013 [12] Albrecht Fehske et al “The Global Footprint of Mobile Communications: The Ecological and Economic Perspective”, IEEE Commun Mag., vol 49, no 8, Aug 2011, pp 55–62 [13] Yuyi Mao et al., “Energy Harvesting Small Cell Networks: Feasibility, Deployment, and Operation”, IEEE Commun Mag., vol 53, no 6, June 2015, pp 94– 101 [14] L Xie, L Li, and X Li, “Sum rate analysis of multicell mu-mimo with 3d user distribution and base station tilting,” in IEEE Vehicular Technology Conference (VTC 2014-Fall), Sep 2014, pp 1–6 [15] B Priyanto, S Kant, F Rusek, S Hu, J Chen, and C Wugengshi, “Robust ue receiver with interference cancellation in lte advanced heterogeneous network,” in IEEE Vehicular Technology Conference (VTC 2013-Fall), Sep 2013, pp 1–7 [16] D Lopez-P ´ erez, I G ´ uvenc¸, G de la Roche, M Kountouris, T Q Quek, and J Zhang, “Enhanced Inter-Cell Interference Coordination Challenges in Heterogeneous Networks,” IEEE Wireless Communications Magazine, vol 18, no 3, pp [17] 22–31, Jun 2011 Y Xie, H Zhang, Y Li, L Feng, and M Ji, “Analysis of coverage probability for cooperative heterogeneous network,” in IEEE Vehicular Technology Conference (VTC 2013-Fall), Sep 2013, pp 1–5 [18] H Wang, C Rosa, and K Pedersen, “Analysis of carrier deployment strategies for lte-a hetnets with multicell cooperation,” in IEEE Vehicular Technology Conference (VTC 2014-Fall), Sep 2014, pp 1–5 [19] P Sorrells, “Wrestling with the Data Tsunami Indoors,” White paper, Mar 2014 [20] 3GPP RP 132069, “New Work Item Description: Dual Connectivity for LTE, 3GPP TSG-RAN Meeting 62,” 3GPP, Tech Rep., 2013 download by : skknchat@gmail.com 64 [21] 3GPP TS 36 300, “Overall description, Stage (Release 10),” v.10.5.0, September 2011 [22] 3GPP TS 32 541, “Telecommunication management, SelfOrganizing Networks (SON), Self-healing concepts and requirements,” v.10.0.0, March 2011 [23] Berrocal-Plaza, V.; Vega-Rodriguez, M.A.; Sanchez-Perez, J.M An efficient way of assigning paging areas by using mobility models IEEE/ACM Trans Netw 2016, 24, 3726–3739 [24] 3GPP E-UTRA-UE Procedures in Idle Mode; 3GPP TS 36.304 v14.5.0 2017 https://portal.3gpp.org [25] Agiwal, M.; Saxena, N.; Roy, A Mobile assisted directional paging for 5G communications Trans Emerg Telecommun Technol 2018, 29, e3270 [26] Maitra, M.; Saha, D.; Bhattacharjee, P.S.; Mukherjee, A An intelligent paging strategy using rule-based AI technique for locating mobile terminals in cellular wireless networks IEEE Trans Veh Technol 2008, 57, 1834–1845 [27] Toril, M.; Luna-Ramírez, S.; Wille, V Automatic replanning of tracking areas in cellular networks IEEE Trans Veh Technol 2013, 62, 2005–2013 [28] Pacheco-Paramo, D.; Akyildiz, I.F.; Casares-Giner, V Local anchor based location management schemes for small cells in HetNets IEEE Trans Mob Comput 2016, 15, 883–894 [29] Agiwal, M.; Saxena, N.; Roy, A Mobile assisted directional paging (MADP) in emerging 5G wireless networks IEEE Wirel Commun Lett 2017, 1–4, doi:10.1109/LWC.2017.2780096 [30] 3GPP Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Radio Resource Control (RRC); Protocol Specification; 3GPP TS 36.331 v13.0.0 2016 [31] 3GPP Study on New Radio Access Technology Radio Interface Protocol Aspects; 3GPP TR 38.804 2016 [32] 3GPP Study on New Radio (NR) Access Technology; Physical Layer Aspects; 3GPP TR 38.802 v2.0 2017 [33] ITU-R M [IMT-2020.TECH PERF REQ] Minimum Requirements Related to Technical Performance for IMT-2020 Radio Interface(s), ITU-R SG05 2017 download by : skknchat@gmail.com 65 [34] Sesia, S.; Baker, M.; Toufik, I LTE-the UMTS Long Term Evolution: From Theory to Practice; John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2011 [35] Pedersen, K.I.; Berardinelli, G.; Frederiksen, F.; Mogensen, P.; Szufarska, A A flexible 5G frame structure design for frequency-division duplex cases IEEE Commun Mag 2016, 54, 53–59 [36] K I Pedersen, Y Wang, S Strzyz and F Frederiksen, “Enhanced InterCell Interference Coordination in Co-channel Multi-Layer LTEAdavanced Networks”, IEEE Wireless Commun., pp 120-127 download by : skknchat@gmail.com ... 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... thống bị chiếm dụng nhiều tin Paging, so với mạng 4G download by : skknchat@gmail.com CHƯƠNG – TỔNG QUAN MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO 1.1 Giới thiệu chung mạng 5G 5G (Thế hệ mạng di động thứ hệ thống không... kế tối ưu hóa hệ thống mạng di động đa tầng: Đồng tối ưu hóa mạng di động, thiết kế theo mơ hình đa tầng để hỗ trợ lẫn truyền tải liệu đến người dùng tốt Tăng cường sử dụng thiết bị mới, sử dụng