Ảnh hưởng thuật toán đo đạc và quyết định chuyển giao đến hiệu suất sử dụng tài nguyên vô tuyến, lưu lượng dữ liệu 4G, thách thức 5G

Mạng di động thế hệ thứ 4 và thứ 5 đáp ứng sự bùng nổ lưu lượng dữ liệu và số lượng thiết bị kết nối lớn. Trong một số trường hợp cụ thể, khi số lượng thiết bị kết nối lớn, chẳng hạn như ở khu vực đô thị, thuật toán đo đạc và quyết định chuyển giao hiện tại (A1A2A3 RSRP) không hạn chế được quá tải số lượng bản tin báo hiệu và sự suy giảm của lưu lượng dữ liệu.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Ảnh Hưởng Thuật Toán Đo Đạc Và Quyết Định Chuyển Giao Đến Hiệu Suất Sử Dụng Tài Nguyên Vô Tuyến, Lưu Lượng Dữ Liệu 4G, Thách Thức 5G Đỗ Ngọc Tuấn*, Nguyễn Đức Tuyền, Lê Thị Huyền Trang, Vũ Tuấn Đức Lê Trường Giang Tổng Công Ty Công Nghiệp Công Nghệ Cao Viettel, Tập Đồn Cơng Nghiệp Viễn Thơng Qn Đội Email: tuandn3@viettel.com.vn có chiếm 180 kHz, nhà mạng cấp phát băng thông 20 MHz, 15 MHz 10 MHz bao gồm khoảng bảo vệ tương ứng có 100 PRB, 75 PRB 50 PRB để cấp phát tài nguyên eNB Mạng 5G NR có độ rộng sóng mang thay đổi từ 15 KHz, 30 KHz, 60 KHz giá trị lớn tuỳ theo khoảng cách sóng mang (sub-carrier spacing) dải băng tần hoạt động, nhiên tương tự mạng 4G LTE, số PRB 5G NR số hữu hạn theo băng thông cấp Thông thường quốc gia, băng thông tài nguyên vô tuyến hữu hạn đắt Bên cạnh đó, eNB hỗ trợ lên đến hàng nghìn UE khu vực thị Nếu có nhiều tin báo hiệu, eNB tốn nhiều tài nguyên vô tuyến, cụ thể tài nguyên kênh Kênh Vật Lý Chung Chiều Xuống PDCCH (Physical Downlink Common Channel) khối PRB chiều lên UL PRB (Uplink PRB) để truyền tin báo hiệu chiều lên [7] Tài nguyên PDCCH để eNB gửi cho UE thông tin tài nguyên chiều lên tương ứng cho tin báo hiệu Như biết tài nguyên kênh PDCCH số lượng UL PRB hữu hạn dùng để truyền liệu người dùng, tỷ lệ tài nguyên kênh PDCCH tỷ lệ UL PRB dành cho truyền liệu người dùng giảm xuống Hệ là, lưu lượng liệu qua eNB suy giảm, chất lượng dịch vụ suy giảm [8] tăng tải CPU để xử lý tin không cần thiết Abstract— Mạng di động hệ thứ thứ đáp ứng bùng nổ lưu lượng liệu số lượng thiết bị kết nối lớn Trong số trường hợp cụ thể, số lượng thiết bị kết nối lớn, chẳng hạn khu vực thị, thuật tốn đo đạc định chuyển giao (A1A2A3 RSRP) không hạn chế tải số lượng tin báo hiệu suy giảm lưu lượng liệu Để giải vấn đề này, chúng tơi đề xuất thuật tốn đo đạc định chuyển giao A2A3 RSRP A1 RSRP Mục đích thuật tốn để giảm lượng tin báo hiệu không cần thiết, đồng thời cải thiện số hiệu suất sử dụng tài nguyên vật lý, lưu lượng liệu Kết thực nghiệm khu vực thị, thuật tốn cải thiện trung bình 8% tỷ lệ sử dụng PRB chiều lên (UL PRB) tăng trung bình 20% lưu lượng hệ thống so sánh với thuật toán A1A2A3 RSRP Keywords— 4G, Chuyển giao, PRB, Lưu lượng, 5G I GIỚI THIỆU Tổ chức tiêu chuẩn hóa hệ thống mạng di động hệ thứ 3GPP (3rd Generation Partnership Project) giới thiệu tài liệu chuẩn hóa mạng di động 4G LTE phiên mạng di động 5G NR phiên 15 Đến cuối năm 2020, mạng di động băng rộng, 3G, 4G 5G, có tỷ người dùng sử dụng dịch vụ internet phủ sóng đến 94% dân số giới Trong mạng 4G phủ sóng di động đến 84% mạng 5G phủ sóng di động đến 17% dân số giới [1] Tại Việt Nam, đến tháng năm 2021, Viettel khai trương mạng 5G thành phố khác Để khắc phục vấn đề Chúng đề xuất thuật toán đo đạc định chuyển giao phù hợp để giảm tin báo hiệu không cần thiết tăng lưu lượng liệu Đóng góp báo sau: Khu vực thị, trạm thu phát 4G eNodeB (eNB) 5G gNodeB (gNB) cần xử lý thời điểm số lượng kết nối lớn lên đến vài nghìn UE với nhiều loại dịch vụ điều khiển kết nối vô tuyến với UE, truyền liệu UE mạng lõi, xử lý UE di chuyển trạm thu phát Bên cạnh đó, yêu cầu chất lượng dịch vụ ngày khắt khe nâng cao để đáp ứng khách hàng Một phương án hiệu để nâng cao chất lượng dịch vụ, trạm thu phát sử dụng thêm tin báo hiệu từ UE có báo cáo chất lượng kết nối vô tuyến ô phục vụ, ô lân cận Dựa vào báo cáo chất lượng đó, trạm thu phát định nghiệp vụ phù hợp thực lập lịch tăng tốc độ liệu, chuyển giao sang ô lân cận, chuyển hướng sang mạng hệ khác, giải phóng UE  Đề xuất thuật toán đo đạc định chuyển giao A2A3RSRP A1RSRP Để truyền tin báo hiệu chất lượng kết nối vô tuyến ô phục vụ ô lân cận từ UE đến eNB eNB cần phải cấp phát tài ngun vơ tuyến cho UE Hệ thống mạng di động, tài nguyên vô tuyến tập hợp khối Tài Nguyên Vật Lý PRB (Physical Resource Block) Trong miền tần số PRB bao gồm 12 sóng mang (sub-carrier) Mạng 4G LTE độ rộng sóng mang cố định 15 KHz nên PRB Phần lại báo tổ chức sau Trong phần II miêu tả kiến thức chung thủ tục đo đạc, luồng trao đổi trình truyền liệu chiều lên, thuật toán đo đạc định chuyển giao sử dụng eNB Trong phần III mô tả thuật toán đo đạc định chuyển giao đề xuất Trong phần IV cung cấp hệ thống thực nghiệm kết đánh giá Cuối cùng, kết luận báo phần V ISBN 978-604-80-5958-3  Chứng minh lý thuyết thuật toán đề xuất tối ưu việc cấp phát khối tài nguyên vật lý tăng lưu lượng liệu khu vực đô thị  Đánh giá so sánh môi trường thực nghiệm khu vực đô thị thuật toán đề xuất thuật toán đo đạc định chuyển giao A1A2A3 RSRP sử dụng Cung cấp kết cải thiện ba đại lượng là: tối ưu cấp phát tài nguyên vô tuyến chiều lên, tăng lưu lượng liệu giảm tin báo hiệu cáo cáo đo đạc không cần thiết 102 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) II THỦ TỤC ĐO ĐẠC VÀ TRUYỀN DỮ LIỆU CHIỀU LÊN B Truyền liệu chiều lên Hình thể luồng trao đổi để truyền liệu chiều lên nói chung từ UE đến eNB Dữ liệu chiều lên tin báo hiệu chiều lên liệu người dùng chiều lên Trong trường hợp này, liệu chiều lên tin RRC Báo Cáo Đo Đạc, tin chứa kết đo đạc ô phục vụ, ô lân cận Các kết đo đạc kích hoạt kiện Sự kiện-A1, Sự kiện-A2, Sự kiện-A3 A Thủ Tục Đo Đạc Hình thể thiết bị người dùng UE (User Equipment) trạng thái CONNECTED, Ở trạng thái mà eNB điều khiển kết nối vô tuyến truyền liệu cho UE eNB bắt đầu thủ tục đo đạc cách gửi tin RRC Cấu Hình Kết Nối (RRC Connection Reconfiguration) đến UE, tin chứa cấu hình liên quan đến việc đo đạc báo cáo Khi nhận được, UE thực thủ tục đo đạc Sự kiện thỏa mãn theo thơng tin cấu hình từ eNB UE gửi tin RRC Báo Các Đo Đạc (RRC Measurement Report) đến eNB [3] Đầu tiên, để gửi tin báo hiệu chiều lên, RRC Báo Cáo Đo Đạc chẳng hạn, UE gửi Yêu Cầu Lập Lịch SR (Scheduling Request) thông qua Kênh Vật Lý Chung Chiều Lên PUCCH (Physical Uplink Common Channel) đến eNB Để hiểu rõ thủ tục, đưa số định nghĩa cho thuật ngữ sau Khi nhận Yêu Cầu Lập Lịch SR, eNB cấp phát tài nguyền vô tuyến chiều lên UL Grant, bao gồm thông tin số lượng UL PRB cấp cho UE Trong báo này, tỷ lệ sử dụng UL PRB (TU PRB UL) định nghĩa số UL PRB cấp cho UE tổng số toàn tài nguyên UL PRB eNB  RSRP Cơng Suất Nhận Được Tín Hiệu Tham Khảo (Reference Signal Received Power), đơn vị dB  Ms kết đo đạc theo RSRP ô phục vụ  Mn kết đo đạc theo RSRP ô lân cận Tiếp theo, eNB báo cho UE cách gửi thông tin tài nguyên vô tuyến chiều lên UL Grant qua Kênh Vật Lý Chung Chiều Xuống PDCCH (Physical Downlink Common Channel) Trong mạng 4G 5G kênh vật lý PDCCH dùng để mang thơng tin tài nguyên vô tuyến chiều lên UL Grant thông tin tài nguyên vô tuyến chiều xuống DL Grant [4][5]  Hys: độ trễ tham số sử dụng tăng độ trễ bắt đầu thoả mãn hết thoả mãn điều kiện báo cáo kích hoạt Sự kiện  Offset: tương tự Hys, offset sử dụng để giảm tượng Ping-Pong Bản tin RRC Cấu Hình Kết Nối khuôn khổ báo: Cuối cùng, dựa thông tin UL Grant, UE gửi Bản tin RRC Báo Cáo Đo Đạc thông qua Kênh Vật Lý Chia Sẻ Chiều Lên PUSCH (Physical Uplink Share Channel) đến eNB [4]  Các Sự kiện đo đạc Sự kiện-A1, Sự kiện-A2, Sự kiện-A3  Bộ cấu hình báo cáo: danh sách cấu hình báo cáo cho kiện eNB nhận liệu chiều lên phản hồi ACK / NACK cho UE thông qua Kênh Vật Lý Physical Channel Hybrid ARQ Indicator Channel (PHICH) Nếu NACK, UE thực việc truyền lại liệu chiều lên Điều kiện UE kích hoạt gửi tin báo cáo đo đạc  Sự kiện-A1: Ms – Hys > Ngưỡng-A1 thỏa mãn khoảng thời gian để kích hoạt (TTT) Sự kiện-A1;  Sự kiện-A2: Ms + Hys < Ngưỡng-A2 thỏa mãn khoảng thời gian để kích hoạt (TTT) Sự kiện-A2;  Sự kiện-A3: Mn + Offset – Hys > Ms thỏa mãn khoảng thời gian để kích hoạt (TTT) Sự kiện-A3; Bản tin RRC Báo Cáo Đo Đạc chứa kết đo đạc từ UE  Kết đo đạc ô phục vụ Ms  Thông tin kết qủa đo đạc ô lân cận Hình Thủ Tục Đo Đạc Hình Truyền Dữ Liệu Chiều Lên ISBN 978-604-80-5958-3 103 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) B Hiệu Quả Đạt Được Của Thuật Tốn Đề Xuất Trong phần này, chúng tơi trình bày số trường hợp mà thuật toán đề xuất tăng hiệu hệ thống khu vực đô thị Đầu tiên, nhà cung cấp dịch vụ viễn thông quy hoạch triển khai eNB khu vực đô thị cho phần lớn UE nằm vùng phủ tốt Trong trường hợp này, thuật toán đề xuất giảm số lượng tin báo hiệu không cần thiết báo cáo đo đạc cho Sự kiện-A1 Thứ hai, Hình thể luồng trao đổi để truyền tin báo cáo đo đạc từ UE đến eNB Để truyền tin báo hiệu này, eNB UE trải qua nhiều bước trao đổi xử lý thơng tin trước hồn thành việc truyền tin, từ gây tăng tải CPU Thứ ba, eNB phải cấp số lượng UL PRB định để truyền tin báo hiệu này, đồng thời thông tin tài nguyên UL Grant truyền thông qua PDCCH Trong 4G LTE, tài nguyên PDCCH tài nguyên hạn chế dùng để truyền UL Grant thông tin tài nguyên vô tuyến chiều xuống (DL Grant) [7] C Thuật Toán Đo Đạc Và Quyết Định Chuyển Giao A1A2A3 RSRP Trong thuật tốn này, eNB cấu hình Sự kiện-A1, Sự kiện-A2 Sự kiện-A3 cho UE Nếu UE có mức RSRP tốt phục vụ, UE báo cáo Sự kiện-A1 đến eNB Khi eNB nhận Sự kiện-A1, eNB bỏ qua Bản tin RRC Báo Cáo Đo Đạc thiết lập lại số lượng Sự kiện-A2 nhận không Nếu UE di chuyển đến vị trí mà RSRP phục vụ trở nên ngưỡng, UE báo cáo Sự kiện-A2 đến eNB eNB nhận Sự kiện-A2 tăng số lượng Sự kiện-A2 nhận Nếu số lượng Sự kiện-A2 lớn ba, eNB thực chuyển giao mù, ngược lại, eNB bỏ qua Sự kiện-A2 Nếu UE di chuyển đến vị trí mà RSRP lân cận trở nên tốt phục vụ khoảng cấu hình trước, UE báo cáo Sự kiệnA3 đến eNB Trong trường hợp nhận Sự kiện-A3, eNB thực thủ tục chuyển giao sang lân cận III THUẬT TỐN ĐỀ XUẤT UL Grant chứa thông tin cấp phát tài nguyên dùng để truyền liệu chiều lên Dữ liệu chiều lên bao gồm tin báo hiệu chiều lên lưu lượng liệu người dùng chiều lên Trong phần này, chúng tơi trình bày thuật tốn đề xuất chứng minh Sự kiện-A1 không cần thiết làm suy giảm hiệu eNB khu vực đô thị DL Grant chứa cấp phát tài nguyên dùng để truyền liệu chiều xuống Dữ liệu chiều xuống bao gồm tin báo hiệu chiều xuống lưu lượng liệu người dùng chiều xuống[5] A Thuật Toán Đề Xuất Thuật toán đo đạc định chuyển giao A2A3RSRP A1RSRP Bước đầu tiên, eNB gửi cấu hình Sự kiện-A2 Sự kiệnA3 cho UE Tiếp theo, thỏa mãn yêu cầu cho kiện trên, UE gửi báo cáo đo đạc khoảng thời gian định kỳ đến ô phục vụ eNB Tối ưu tài nguyên PDCCH cải thiện lưu lượng liệu người dùng chiều xuống chiều lên Như trình bày mặt lý thuyết thể thuật toán đề xuất thực tốt A1A2A3 RSRP mặt giảm số lượng tin báo hiệu báo cáo đo đạc, tài nguyên PDCCH số lượng UL PRB cấp cho UE tương ứng Trong phần tiếp theo, thực nghiệm hai thuật toán đo đạc định chuyển giao khu vực thị Hà Nội, phân tích so sánh hiệu đạt hai thuật toán dựa tham số đồng cho trước Khi eNB nhận Sự kiện-A3 từ UE, eNB tìm kiếm đích tốt Nếu eNB tìm thấy đích phù hợp, eNB thực thủ tục chuyển giao Ngược lại, eNB khơng kích hoạt thủ tục chuyển giao Khi eNB nhận Sự kiện-A2 từ UE, eNB chưa cấu hình Sự kiện-A1 cho UE, eNB thực gửi cấu hình Sự kiệnA1 Nếu eNB cấu hình Sự kiện-A1 cho UE, eNB tăngs số lượng Sự kiện-A2 nhận Nếu số lượng Sự kiện-A2 lớn ba, eNB thực chuyển giao mù IV ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG A Hệ thống thực nghiệm Hình thể mơi trường thực nghiệm Hà Nội khu vực thị có đơng dân cư, đường phố tắc đường Hệ thống thực nghiệm đánh giá hai mươi trạm eNB, eNB có ba ô Số lượng UE ô phục vụ thay đổi từ vài UE đến hàng nghìn UE eNB trạm thu phát sóng Viettel Macro eNodeB hoạt động băng (Band 3) băng thông 15 MHz Các eNB kết nối đến mạng lõi 4G gửi thông tin thống kê đến hệ thống hỗ trợ vận hành OSS (Operations Support System) Khi eNB nhận Sự kiện-A1 từ UE, eNB gán số lượng Sự kiện-A2 nhận không 10 11 12 13 14 15 16 eNB cấu hình A2A3RSRP cho UE eNB nhận tin RRC Báo Cáo Đo Đạc từ UE 𝐢𝐟 (Sự kiện − A3) 𝐢𝐟 (khơng có lân cận phù hợp) thực chuyển giao 𝐞𝐥𝐬𝐞 không thực chuyển giao end if 𝐞𝐥𝐬𝐞 𝐢𝐟 (Sự kiện − A2) then 𝐢𝐟 (chưa cấu hình A1 RSRP) 𝐭𝐡𝐞𝐧 cấu hình A1 RSRP cho UE 𝐞𝐥𝐬𝐞 𝐢𝐟 (số lượng Sự kiện − A2 >khoảng thời gian kích hoạt >>định kỳ báo cáo >>số lượng báo cáo >>khoảng offset >>độ trễ hys Sự kiện-A2 >>khoảng thời gian kích hoạt >>định kỳ báo cáo >>số lượng báo cáo >>ngưỡng >>độ trễ hys Sự kiện-A1 >>khoảng thời gian kích hoạt >>định kỳ báo cáo >>số lượng báo cáo >>ngưỡng >>độ trễ hys Giá Trị 20 ~200 ô ~14 ngày (một chu kỳ đánh giá ngày) Ơ lân cận tốt phục vụ khoảng offset 320ms 640ms 3dB 2dB Ô phục vụ trở nên ngưỡng 320ms 640ms -118dBm 2dB Ô phục vụ trở nên tốt ngưỡng 320ms 640ms -110dBm 2dB Hình Lưu Lượng Dữ Liệu (GByte) BẢNG III KẾT QUẢ THỐNG KÊ Ở KHU VỰC ĐÔ THỊ KPI TU PRB UL (%) Lưu lượng người dùng (GB) Số lượng RRC Báo Cáo Đo Đạc Thuật toán A1A2A3 Thuật toán A2A3 A1 13.44 12.43 8% 47.82 57.58 20% Tại OSS lần Tại UE có hỗ trợ 328 78 V Cải thiện Thống kê Tại OSS KẾT LUẬN B Kết Quả Như Hình 4, phía bên trái TU PRB UL thuật tốn đo đạc định chuyển giao A1A2A3 RSRP, phía bên phải TU PRB UL thuật tốn đo đạc định chuyển giao A2A3 RSRP A1 RSRP Chúng ta nhận thấy, thuật toán đo đạc định chuyển giao A2A3 RSRP A1 RSRP cải thiện trung bình 8% số lượng TU PRB UL so với thuật toán đo đạc định chuyển giao A1A2A3 RSRP Trong báo này, đề xuất thuật toán đo đạc định chuyển giao A2A3RSRP A1RSRP cho phép hiệu eNB tốt khu vực đô thị Chúng chứng minh thuật tốn đề xuất giảm số lượng tin báo hiệu báo cáo đo đạc Tăng hiệu tỷ lệ sử dụng khối tài nguyên vật lý chiều lên Kết là, lưu lượng liệu tăng đáng kể so sánh với thuật toán đo đạc định chuyển giao A1A2A3 RSRP Như Hình 5, phía bên trái lưu lượng liệu thuật toán đo đạc định chuyển giao A1A2A3 RSRP, phía bên phải lưu lượng liệu A2A3 RSRP A1 RSRP thuật toán đo đạc định chuyển giao Chúng ta Nhóm tác giả chân thành cám ơn hỗ trợ Trung Tâm Nghiên Cứu Thiết Bị Vô Tuyến Băng Rộng Trung Tâm Kỹ Thuật Công Nghệ ISBN 978-604-80-5958-3 LỜI CÁM ƠN 105 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) [4] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] GSMA The state Mobile Internet Connectitivty, GSMA, September 2021 Malhar Kirtivadan Thakkar, Lavish Agrawal, Anil Kumar Rangisetti Bheemarjuna Reddy Tamma “Reducing Ping-Pong Handovers in LTE by using A1-Based Measurement”; IEEE access number 17287116 on 2017 3GPP TS 36.331: "Evolved Universal Terrestrial Radio Access (EUTRA); Radio Resource Control (RRC)”; V13.3.0, June 2016 ISBN 978-604-80-5958-3 [5] [6] [7] [8] 106 3GPP TS 36.212: “Evolved Universal Terrestrial Radio Access (EUTRA); Multiplexing Channel Coding”; V13.3.0, June 2016 3GPP TS 38.212: “New Radio (NR); Multiplexing Channel Coding”; V15.3.0, September 2018 3GPP TS 36.211: “Evolved Universal Terrestrial Radio Access : Physical Channel Modulation”; V13.3.0, June 2016 Wooseong Kim Eun-Kyu Lee “LTE Network Enhancement for Vehicular Safety Communication”, Hindawi Journal, February 2017 Sunghyun Hwang, Seungkeun Park “On the Effects Resource Usage Ratio on Data Rate in LTE Systems”; IEEE access number 16777181 on February 2017 ... chuyển giao A1A2A3 RSRP Như Hình 5, phía bên trái lưu lượng liệu thuật toán đo đạc định chuyển giao A1A2A3 RSRP, phía bên phải lưu lượng liệu A2A3 RSRP A1 RSRP thuật toán đo đạc định chuyển giao. .. minh thuật tốn đề xuất giảm số lượng tin báo hiệu báo cáo đo đạc Tăng hiệu tỷ lệ sử dụng khối tài nguyên vật lý chiều lên Kết là, lưu lượng liệu tăng đáng kể so sánh với thuật toán đo đạc định chuyển. .. TU PRB UL thuật tốn đo đạc định chuyển giao A1A2A3 RSRP, phía bên phải TU PRB UL thuật tốn đo đạc định chuyển giao A2A3 RSRP A1 RSRP Chúng ta nhận thấy, thuật toán đo đạc định chuyển giao A2A3