Nghiên cứu kỹ thuật truy cập ngẫu nhiên cho hệ thống mMTC TT

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CHU HUY ĐƯƠNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUY CẬP NGẪU NHIÊN CHO HỆ THỐNG mMTC Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 8.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2022 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS.Trịnh Anh Vũ Phản biện 1: PGS.TS.Bạch Nhật Hồng Phản biện 2: PGS.TS.Bùi Trung Hiếu Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: 10 00 ngày 02 tháng năm 2022 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Tiếp theo thế hệ truyền thông di động từ 1G-4G, đời phát triển mạng truyền thông thế hệ thứ (5G) đã mở giai đoạn phát triển xã hội đó kết nối vạn vật (Internet of Things) cách mạng công nghiệp 4.0 nền tảng [1] Hệ thống 5G triển khai áp dụng nghiên cứu phát triển theo 03 hướng: [8]  Hướng thứ nhất: eMBB (enhanced Mobile Broadband): Ứng dụng cung cấp băng thông di động nâng cao với tốc độ truyền tải liệu lớn Ứng dụng đã triển khai thương mại hóa từ năm 2019, phục vụ kết nối người với người (Human to Human, H2H) Tốc độ liệu có thể đạt 1-2Gb/s  Hướng thứ hai: URLLC (Ultra Reliable Low Latency Communications): Ứng dụng truyền thông có độ trễ thấp siêu tin cậy phục vụ kết nối máy với máy (Machine to Machine, M2M) Ứng dụng hỗ trợ kết nối thiết bị đầu cuối đặc biệt kết nối đến phương tiện bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle, UAV), đến Robot (người máy),…Độ trễ URLLC có thể thấp tới ms yêu cầu tỷ lệ lỗi bit (BER) cỡ 10 -9  Hướng thứ ba: mMTC (massive Machine Type Communications): Ứng dụng thuộc loại M2M song mục đích hướng đến kết nới với tập hợp lớn máy móc tự động phân bố diện tích hạn chế (ví dụ nhà máy, phân xưởng) Kỹ thuật mMTC nhắm đến kết nối 10 thiết bị/km2 với tài nguyên hạn chế đáp ứng yêu cầu kết nối ngẫu nhiên thiết bị Hai ứng dụng URLLC mMTC pha phát triển tiếp sau eMBB nhiều nơi tập trung nghiên cứu Trong khuôn khổ luận văn này, học viên đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật truy cập ngẫu nhiên cho hệ thống mMTC” làm luận văn tốt nghiệp nhằm mục đích hiểu chế hoạt động, ưu nhược điểm giao thức truy cập ngẫu nhiên SUCRe ABCPC, từ đó cùng nhóm nghiên cứu đề xuất giao thức đáp ứng nhu cầu truy cập ngẫu nhiên cho hệ thống mMTC Tổng quan vấn đề nghiên cứu Luận văn tập trung nghiên cứu vấn đề về truy cập ngẫu nhiên, truy cập ngẫu nhiên ứng dụng LTE truy cập ngẫu nhiên truyền thông 5G Tiếp theo luận văn nghiên cứu về hai giao thức truy cập ngẫu nhiên đề xuất truyền thông 5G gồm SUCRe ACBPC Đây kết nghiên cứu dựa kỹ thuật Massive MIMO tạo kết vượt trội so với giao thức LTE Mục đích nghiên cứu Từ việc nghiên cứu hai giao thức SUCRe ACBPC với ưu, nhược điểm khác luận văn đề xuất giao thức DACB (Different Access Class Barring) Phân tích giao thức DACB thơng qua biến đổi giải tích mơ Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu mơ hình lý thút song có tiềm ứng dụng cao, phạm vi, giới hạn: cho kết nối tập máy lớn Phương pháp nghiên cứu Kế thừa nghiên cứu trước Dùng cơng cụ giải tích mơ Bố cục đề tài Ngoài phần mở đầu, kết luận, phụ lục tài liệu tham khảo, nội dung luận văn gồm chương: Chương 1: Tổng quan về truy cập ngẫu nhiên Chương 2: Giao thức SUCRe ACBPC Chương 3: Giao thức DACB Chương - TỔNG QUAN VỀ TRUY CẬP NGẪU NHIÊN 1.1 Vấn đề truy cập ngẫu nhiên Truy cập ngẫu nhiên hoạt động truy cập mạng để đề nghị cấp đường truyền liên lạc mà không có kế hoạch định trước Điều ta thường thấy người dùng sực nhớ điều đó bấm máy di động gọi đến đối tác 1.2 Truy cập ngẫu nhiên LTE 1.2.1 Nguyên tắc truy cập ngẫu nhiên LTE Trong giai đoạn phát triển truyền thông 4G, công nghệ LTE đã đề xuất giao thức kết nới máy với máy Hình 1.1 Minh hoạ trường hợp UE chọn ngẫu nhiên pilot Chi tiết về giao thức truy cập ngẫu nhiên LTE trình bày qua bước [6] hình (1.2) Hình 1.2 Quy trình truy cập ngẫu nhiên hệ thống LTE [3] 1.2.2 Khảo sát hiệu giao thức truy cập ngẫu nhiên LTE Hiệu giao thức truy cập ngẫu nhiên LTE đánh giá qua Lưu đồ hoạt động đây: Hình 1.3 Lưu đồ giao thức truy cập ngẫu nhiên LTE Hình 1.4 Số lần truy cập lại UE giao thức LTE 1.3 Truy cập ngẫu nhiên truyền thông 5G Trong truyền thông 5G, kỹ thuật Massive MIMO đóng vai trò quan trọng, nó có thể cung cấp hiệu suất sử dụng phổ cao Đây công nghệ sử dụng nhiều anten trạm sở BS để phục vụ đồng thời nhiều thiết bị thông qua việc ghép kênh không gian Truyền thông 5G cho phép số lượng thiết bị kết nối lớn khu vực định tạo viễn cảnh có hàng tỷ thiết bị kết nối với mơ hình IoT Đồng thời 5G có thể hỗ trợ nhiều ứng dụng dịch vụ, đó truyền thông kiểu máy mMTC ba dịch vụ cốt lõi Trên sở kỹ thuật Masive MIMO kỹ thuật về truy cập ngẫu nhiên không ngừng phát triển Trong đó, hai giao thức truy cập ngẫu nhiên điển hình dựa nền tảng nói SUCRe ACBPC trình bày luận văn Khác với giao thức LTE , SUCRe ACBPC có khả phân giải va chạm, tức chọn UE đó UE va chạm để tránh lãng phí tài nguyên Hai giao thức nói trình bày chi tiết ở chương cùng ưu nhược điểm chúng 1.4 Tóm tắt chương Chương đã trình bày cách tổng quan về truy cập ngẫu nhiên; hình thành phát triển truy cập ngẫu nhiên song hành cùng với phát triển thế hệ mạng di động từ 1G ÷ 4G tiếp theo mạng di động thế hệ 5G Chương đã nêu ý nghĩa, tác dụng truy cập ngẫu nhiên đối với truyền thông người với người (H2H), máy với máy (M2M) Từ nội dung ở chương giúp phần đó hiểu hình thành phát triển truy cập ngẫu nhiên; lợi ích mà truy cập ngẫu nhiên mang lại; ưu, nhược điểm 11 Hình 2.4 So sánh số lần truy cập lại giao thức LTE SUCRe Bảng 2.1 So sánh khác biệt giao thức SUCRe giao thức LTE Tiêu chí so sánh Số lần truy cập lại Phát va chạm Giải quyết va chạm Hiệu với mạng đông đúc LTE Cao, trễ cao Tập trung BS Không giải quyết SUCRe Thấp, giảm trễ tốt Phát UE Giải quyết Kém Tốt 2.2 Giao thức ACBPC 2.2.1 Tổng quan giao thức ACBPC Giao thức ACBPC (Access Class Barring Power Control) giao thức truy cập ngẫu nhiên dựa việc hạn chế truy cập kết hợp với kiểm sốt cơng suất, cho phép UE ước tính có UE đã va chạm pilot từ đó tính tốn hệ sớ hạn chế ACB, để xác định xác suất xác định UE phát lại pilot 12 bước tiếp theo Khác với SUCRe giao thức mang lại xác suất kết nối công UE gần xa trạm thu phát qua đó không phụ thuộc vào khoảng cách Cơ chế hoạt động biểu diễn tóm tắt hình 2.5 đây: Hình 2.5 Cơ chế hoạt động giao thức ACBPC [3] 2.2.2 Chi tiết giao thức ACBPC 2.2.2.1 Nội dung giao thức ACBPC 2.2.2.2 Xác suất giải tranh chấp 2.3 So sánh nhận xét Mục mô để so sánh về xác suất giải quyết va 13 chạm giao thức ACBPC SUCRe Ngồi cịn khảo sát hiệu suất giao thức ACBPC với đề xuất Qua đó đưa số nhận xét Sử dụng phần mềm Matlab mô truy cập ngẫu nhiên UE thông qua quyết định phát lại pilot khác giao thức Từ đó biểu diễn xác suất giải quyết va chạm giao thức UE cùng chọn chung pilot Một vài tham số mô cho chương trình Matlab cung cấp bảng 2.2 đây: Bảng 2.2 Một số tham số mô chương trình Tham số mơ Giá trị Bán kính cell 250 m Hệ số suy hao đường 3.2, 3.8 Khoảng cách max (dmax) 250 m Khoảng cách (dmin) 25 m Độ lệch tiêu chuẩn Fading 10 dB 2.3.1 Khi số UE tham gia va chạm thay đổi 14 So sánh xác suất giải quyết va chạm giao thức ACBPC SUCRe Chúng ta tiến hành thay đổi số lượng UE K = [2 10 50 100 200 300 400] Hình 2.6 Xác suất giải va chạm SUCRe ACBPC Hình 2.6 biểu diễn xác suất giải quyết va chạm hai giao thức SUCRe ACBPC, ở trục hồnh sớ UE xảy va chạm pilot (UE / pilot), trục tung biểu diễn xác suất giải quyết va chạm thành công Nhận xét 1: Khi số lượng UE va chạm nhỏ xấp xỉ 90 xác suất giải quyết va chạm SUCRe tốt ACBPC Ngược lại với số lượng UE xảy va chạm lớn 90 ACBPC mang lại xác suất giải quyết va chạm tốt Trong trường hợp ACBPC có xác suất ổn định mạng đông đúc Tuy nhiên xác suất giải quyết va chạm khoảng 0.38 Xác suất giải quyết va chạm SUCRe có xu hướng giảm về số lượng UE/Pilot tăng Điều có nghĩa SUCRe khó giải quyết va chạm trường hợp mạng đông đúc 15 2.3.2 Khi số mũ mát môi trường thay đổi Để khảo sát phụ thuộc xác suất giải quyết va chạm với hệ số mũ mát hai giao thức ACBPC SUCRe cách thay đổi hệ số mũ mát với trường hợp 3.8 3.2 Hình 2.7 Xác suất giải quyết va chạm ACBPC SUCRe hệ sớ mũ mát 3.8 Hình 2.8 Xác suất giải quyết va chạm ACBPC SUCRe hệ số mũ mát 3.2 Nhận xét 2:  Trường hợp (hệ số mũ mát 3.8) điểm cắt về xác suất giải quyết va chạm rơi vào vị trí xấp xỉ 175 UE/pilot  Trưởng hợp (hệ số mũ mát 3.2) điểm cắt về xác suất giải quyết va chạm rơi vào vị trí xấp xỉ 90 UE/pilot  Nhận thấy từ điểm cắt trở về trước hiệu giải quyết va chạm SUCRe tốt ACBPC, ngược lại từ điểm cắt trở về sau ACBPC lại ưu thế Kết luận 2: Với hệ số mũ mát khác nhau, có thay đổi điểm cắt về xác suất giải quyết va chạm ACBPC SUCRe 16 Định hướng phát triển tương lai: Do có khác biệt về hiệu suất hoạt động nên ACBPC ưu tiên triển khai dành cho trường hợp mạng đông đúc thuận tiện Vì vậy, tương lai có thể thiết kế quy trình chuyển đổi linh hoạt giao thức ACBPC SUCRe tuỳ thuộc vào số UE không hoạt động nếu thông tin có sẵn BS xác định điểm cắt (số UE/pilot) nhờ hệ sớ suy giảm mơi trường Quy trình chuyển đổi ACBPC SUCRe sau: Hình 2.9 Kết hợp SUCRe ACBPC nâng cao xác suất giải va chạm  Nếu với số UE/pilot va chạm nhỏ điểm cắt (bên trái) UE ưu tiên giải quyết theo giao va chạm thức SUCRe  Ngược lại nếu số UE/pilot va chạm lớn điểm phải) UE cắt (bên giải quyết tranh chấp theo ACBPC 17 2.4 Tóm tắt chương Chương trình bày nội dung gồm tổng quan về giao thức SUCRe ACBPC, đó hai giao thức đã nghiên cứu để ứng dụng hệ thống truyền thông 5G Chương - GIAO THỨC DACB 3.1 Mô tả giao thức 18 Giao thức DACB (Different Access Class Barring) đề xuất với cải tiến nhỏ dựa giao thức SUCRe giao thức ACBPC nhằm nâng cao hiệu suất giải quyết va chạm vẫn giữ ổn định về mặt xác suất ACBPC (không suy giảm mạnh SUCRe) Giao thức DACB dựa nguyên lí hạn chế truy cập UE, quyết định UE giành quyền phát lại pilot nhờ hệ số ACB khác (ở giao thức ACBPC hệ sớ hạn chế truy cập ACB giớng với UE va chạm) Việc tính tốn hệ sớ ACB khác trình bày ở bước Tương tự ACBPC chế hoạt động DACB biểu diễn tóm tắt gồm pha hình 3.1: Hình 3.1 Cơ chế hoạt động giao thức đề xuất DACB 3.2 Phân tích giải tích Có thể chứng minh xác suất phân giải va chạm DACB 19 tốt ACBPC sau Với ACBPC: Giả sử UE có k UE chung pilot giống (ở pha BS thông báo đường xuống) Để giảm xác suất va chạm UE đặt số ACB giả sử p (0 < p 0 (3.5) Dùng phương pháp nhân tử Lagrange giả sử Ppk hàm lồi (kiểm tra qua mơ phỏng) Đặt Ω=Ppk+λ(p1+p2+…+pk) hàm đới tượng Để tìm cực tiểu hàm đối tượng ta thực sớ tính tốn: δΩ/δp1 =(1-p2)(1-p3) (1-pk) - p2(1-p3)…(1-pk) -… - pk(1-p2) (1-p3)… (1-pk-1)+λ (3.6) (3.6) δΩ/δp2 =(1-p1)(1-p3) (1-pk) - p1(1-p3)…(1-pk) -… - p k(1-p1) (1-p3)… (1-pk-1)+λ (3.7) … δΩ/δpk=(1-p1)(1-p3) (1-pk-1)- p1(1-p2)…(1-pk) -… ( 3.7) 21 - pk(1-p2) (1-p3)… (1-pk-1)+λ (3.k) δΩ/δλ=p1+p2+…+pk-1=0 (3.k + 1) Lấy (3.6) trừ (3.7), ta có: (p1-p2)(1-p3)…(1-pk) +(p1-p2)(1-p3)…(1-pk)+…-(p1-p2)pk(1- p3) (1-pk-1) =  (p1-p2)[2(1-p3)…(1-pk)- p3(1-p4) (1-pk)-…- pk(1-p3) (1-pk)] = Phương trình cho nghiệm p1 = p2 Lấy (3.7) trừ (3.8), có (p2-p3)(1-p1)(1-p4)…(1-pk)+(p2-p3)(1-p1)(1-p4)…(1-pk) -…- (p1-p2)pk(1-p3) (1-pk1)=  (p2-p3)[2(1-p1)…(1-pk)- p1(1-p4) (1-pk)-…- pk(1-p3) (1-pk)] = Phương trình cho nghiệm p2 = p3 Dễ thấy phương trình(3.k) đới xứng vòng quanh thay pi pj (i≠j) vào phương trình 3.i, ta có phương trình 3.j Nên nghiệm hệ thống phải thỏa mãn p1=p2=…=pk Kết hợp với phương trình (3.k+1), ta có p 1=p2= =pk=1/k Thay nghiệm vào (3.4) ta có: (3.k+2) 22 Kết cho thấy Ppk Ppmax Ppk≥Ppmax Kết kiểm chứng mơ máy tính trình bày ở phần 3.3 Mơ so sánh DACB giao thức cải tiến từ giao thức SUCRe ACBPC Mục khảo sát xác suất giải quyết va chạm giao thức DACB với ACBPC SUCRe 3.3.1 Khảo sát xác suất giải va chạm Hình 3.2 biểu diễn kết so sánh hiệu giải quyết va chạm giao thức DACB, ACBPC SUCRe K = [2 10 50 100 200 300 400]  Trường hợp 1: Với hệ số mũ mát 3.8  Trường hợp 2: Với hệ số mũ mát 3.2 23 Hình 3.2 Xác suất giải quyết va chạm DACB với ACBPC, SUCRe trường hợp Hình 3.3 Xác suất giải quyết va chạm DACB với ACBPC, SUCRe trường hợp 3.3.2 Khảo sát số lần truy cập lại Hình 3.4 Sớ lần truy cập lại DACB SUCRe trường hợp với hệ sớ mũ mát 3.8 Hình 3.5 Sớ lần truy cập lại DACB SUCRe trường hợp với hệ số mũ mát 3.2 24 3.4 Tóm tắt chương Chương trình bày đề xuất về giao thức - giao thức DACB (Different Access Class Barring or Adaptive Access Class Barring) với cải tiến nhỏ từ giao thức SUCRe ACBPC nhằm khắc phục hạn chế hai giao thức KẾT LUẬN Giao thức SUCRe giới thiệu năm 2017 đánh giá giao thức truy cập ngẫu nhiên hiệu cho mạng thiết bị đông đúc (mMTC, 104 thiết bị/km2) Tuy nhiên nó biết giao thức truy cập ngẫu nhiên không công UE Các UE ở gần BS có lợi thế cạnh tranh Đồng thời giao thức SUCRe tỏ hiệu trường hợp mạng đông đúc (105 thiết bị/km2) Giao thức ACBPC giới thiệu gần (2020) trình bày luận văn ngược lại đảm bảo hiệu suất truy cập ngẫu nhiên bình đẳng cho UE cùng tế bào, tức không phụ thuộc vào khoảng cách chúng đến BS Ngoài ra, ACBPC mang lại xác suất giải quyết va chạm ổn định kịch đông đúc so với giao thức SUCRe, khả giải quyết va chạm tốt giao thức SUCRe với số lượng lớn đới thủ cạnh tranh tiêu tớn lượng nhờ hiệu kết nối cao hơn, nhiên xác suất truy cập thành công giao thức ABCPC xấp xỉ 36,78 % nên hiệu đạt chưa cao 25 Luận văn đã đề xuất giao thức giao thức DACB phát triển kết hợp từ ACBPC SUCRe Giao thức có tính linh hoạt nhằm mang lại hiệu giải quyết va chạm tốt ACBPC đồng thời lại cơng SUCRe Ngồi giao thức DACB vẫn giữ tính ổn định SUCRe mạng trở nên đông đúc Mặc dù DACB vẫn tỏ hiệu SUCRe mạng không đông đúc Hướng nghiên cứu tiếp tục tương lai xây dựng giao thức kết hợp ưu điểm SUCRe DACB Nghĩa trạm sở đó phải phát số k UE chọn chung pilot pha (mà không dùng phương pháp phát với công suất đảo ngược hệ số kênh) Nếu số k báo xuống UE vượt giá trị ngưỡng (mạng đông đúc), UE tự biết chuyển sang giao thức DACB Nếu số k nhỏ giá trị ngưỡng UE xử lý theo giao thức SUCRe ... cứu vấn đề về truy cập ngẫu nhiên, truy cập ngẫu nhiên ứng dụng LTE truy cập ngẫu nhiên truy? ?̀n thông 5G Tiếp theo luận văn nghiên cứu về hai giao thức truy cập ngẫu nhiên đề xuất truy? ?̀n... thức truy cập ngẫu nhiên LTE trình bày qua bước [6] hình (1.2) Hình 1.2 Quy trình truy cập ngẫu nhiên hệ thống LTE [3] 1.2.2 Khảo sát hiệu giao thức truy cập ngẫu nhiên LTE Hiệu giao thức truy cập. .. tiếp sau eMBB nhiều nơi tập trung nghiên cứu Trong khuôn khổ luận văn này, học viên đã lựa chọn đề tài ? ?Nghiên cứu kỹ thuật truy cập ngẫu nhiên cho hệ thống mMTC? ?? làm luận văn tốt nghiệp nhằm