Luận văn quản lý nhiễu truyền thông d2d trong mạng thông tin di động 5g

1 MỞ ĐẦU Truyền thông thiết bị với thiết bị (D2D) cho phép tăng cường hiệu suất thiết bị cách cho phép truyền trực tiếp cặp thiết bị có vị trí gần Các nghiên cứu ban đầu chứng minh rằng, giao tiếp trực tiếp cải thiện việc tái sử dụng phổ, thơng lượng, tiêu thụ lượng, vùng phủ sóng giảm độ trễ đầu cuối đến đầu cuối Do đó, xu hướng nghiên cứu cho thấy D2D công nghệ ứng dụng mạng di động hệ - tức mạng 5G Tuy nhiên, việc giới thiệu D2D cho mạng di động đặt thách thức kỹ thuật khác Quản lý nhiễu người dùng di động người dùng D2D coi vấn đề quan trọng D2D đưa vào mạng di động người dùng D2D chia sẻ dải phổ cấp phép với người dùng di động Từ lý trên, chọn đề tài: “Quản lý nhiễu truyền thông D2D mạng thông tin di động 5G” Trong luận văn này, tơi hướng đến việc tìm hiểu số nghiên cứu tìm thấy khảo sát trước cách tập trung vào kỹ thuật quản lý nhiễu đề xuất năm gần cho LTE/LTE-A HetNets Trong đó, luận văn tập trung sâu vào hai phương pháp quản lý nhiễu ISA ILA Khác với nghiên cứu trước, luận văn tổng qt hóa mơ hình hóa hệ thống mạng di động có nhiều cặp D2D thực truyền thông đánh giá xem xét hiệu hệ thống ảnh hưởng pha đinh Kết cấu luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan truyền thông D2D Chương 2: Quản lý nhiễu truyền thông D2D Chương 3: Mô phỏng, đánh giá hiệu phương pháp quản lý nhiễu ảnh hưởng kênh pha đinh Rayleigh GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG D2D 1.1 Giới thiệu Sự phát triển liên tục mạng di động từ 2G đến 3G 4G thay đổi giới 2G giới thiệu tiêu chuẩn kỹ thuật số hài hịa cho giọng nói cho phép chuyển vùng tin nhắn SMS trở nên phổ biến sau Cuộc cách mạng sang 3G mang đến trải nghiệm di động băng rộng cải tiến giai đoạn 4G mở kỷ nguyên di động băng rộng cực nhanh thúc đẩy phát triển lớn người dùng điện thoại thông minh Theo dự báo Hiệp hội nhà cung cấp di động toàn cầu (GSA), vào năm 2020, khoảng 90% dân số giới bao phủ mạng di động băng rộng Lưu lượng liệu di động Q1 2015 cao 55% so với Q1 2014 Đến năm 2020, 80% lưu lượng liệu di động đến từ điện thoại thông minh với mức tiêu thụ nội dung dựa video, trình điều khiển 5G trở thành cơng nghệ truyền thông di động thống trị năm 2020 số lượng thuê bao, thu hút 3,6 tỷ người dùng thời điểm [6] Giao tiếp D2D đại diện cho loại cơng nghệ mơ hình giao tiếp khơng dây mới, cho phép giao tiếp trực tiếp thiết bị khơng dây gần điều khiển trạm gốc macro [7] Với giao tiếp D2D, liệu cặp UE không cần phải qua mạng lõi điểm truy cập (AP) trạm gốc (BS) miễn chúng gần Hình 1.1 minh họa giao tiếp D2D mạng small cell dày đặc tương lai với macro-cells, micro-cells, pico-cells femto-cells Đặc biệt, truyền thông D2D gần thu hút quan tâm từ học viện ngành công nghiệp gần gũi, tái sử dụng tăng số chặng [8] Mặc dù giao tiếp D2D cung cấp nhiều lợi cho hệ thống LTE/LTE-A gặp phải số thách thức nảy sinh vấn đề nhiễu, phát đồng hóa thiết bị, lựa chọn chế độ, bảo mật QoS Các thách thức trình bày chi tiết phần sau GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn Hình 1.1 Truyền thơng D2D multi-tier cells HetNets [8] 1.2 Những thách thức kỹ thuật truyền thông D2D mạng tế bào Mặc dù giao tiếp D2D nghiên cứu 3GPP- Dự án đối tác hệ thứ 3, D2D chưa hoàn thiện phải đối mặt với nhiều thách thức vấn đề kỹ thuật liên quan đến khía cạnh phát thiết bị, lựa chọn chế độ, bảo mật giảm thiểu nhiễu Trọng tâm chương quản lý nhiễu thách thức khác mà truyền thông D2D phải đối mặt thảo luận ngắn gọn 1.2.1 Phát thiết bị Trước hai thiết bị giao tiếp trực tiếp với nhau, trước tiên chúng phải biết chúng gần Trong giai đoạn phát thiết bị, thiết bị tìm kiếm diện cấp phạm vi chúng để liên lạc với D2D [8] Phát thực cách gửi tín hiệu khám phá để xác định diện thiết bị gần sau nhận dạng thiết bị trao đổi cặp Khi hai UE tìm thấy giai đoạn phát thiết bị, chúng coi ứng viên D2D Cuối cùng, loạt thông báo chất lượng liên kết truyền thiết bị BS Thông tin đóng vai trị đầu vào cho lựa chọn chế độ ứng viên D2D giao tiếp trực tiếp tiêu chí lựa chọn chế độ thỏa mãn GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 1.2.2 Lựa chọn chế độ giao tiếp Truyền thông thiết bị - thiết bị (D2D) sử dụng dải tần số cấp phép (Inband), không cấp phép (Outband) để tạo liên kết trực tiếp Có hai loại truyền thơng thiết bị - thiết bị (D2D) Đó In-band Out-band Truyền thông D2D chế độ Inband định nghĩa truyền thông D2D truyền thông di động thông thường sử dụng chung dải tần số truyền thông di động, mức độ ưu tiên cho truyền thông di động cao chia làm hai loại chính: Underlay Overlay Lựa chọn chế độ giao tiếp thực sau cặp ứng viên D2D tìm thấy để liên lạc tương lai Mặc dù ứng viên D2D nằm phạm vi giao tiếp trực tiếp với nhau, khơng tối ưu để chúng làm việc chế độ D2D từ góc độ hiệu suất Lựa chọn chế độ có nghĩa mạng ứng viên D2D định liệu chúng nên giao tiếp trực tiếp qua mạng mạng di động thông thường Chế độ giao tiếp phân loại thành chế độ mơ tả Hình 1.2 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 DUE sử dụng tài nguyên chuyên dụng trực giao với thiết bị người dùng tế bào (CUE) - Chế độ tái sử dụng (Reuse mode)/Underlay mode: Trong chế độ này, giao tiếp D2D chia sẻ tài nguyên với CUE có gây nhiễu cho CUE - Chế độ di động (Cellular mode): Hai UE giao tiếp dạng CUE truyền thống, nghĩa giao tiếp với thông qua thiết bị trung gian BS Truyền thông D2D chế độ Outband định nghĩa truyền thông D2D sử dụng dải tần số khác với truyền thơng di động thơng thường, dải tần số sóng vơ tuyến, … GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn Truyền thơng D2D Inband Underlay Outband Overlay Controlled Autonomous Hình 1.2 Phân loại truyền thơng D2D (theo phổ tần số) Hình 1.3 mô tả phân loại chi tiết truyền thông D2D theo phổ tần số D2D Thời gian Out band In band Underlay Overlay D2D D2D Di động Di động Phổ di động Phổ di động Truyền thông di động Truyền thơng 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 hiệu phổ cao so với chế độ giao tiếp khác, giao tiếp D2D chế độ chia sẻ tài nguyên gây nhiễu cho UE di động UE D2D khác sử dụng tài nguyên vô tuyến di động Mặt khác, chế độ Dedicated mode/Overlay mode hồn tồn tránh nhiễu số tài nguyên dành riêng cho truyền thông D2D Tuy nhiên, việc sử dụng phổ chế độ chia sẻ tài nguyên Các chế độ giao tiếp D2D có tác động trực tiếp đến nhiễu mạng đó, nên lựa chọn chế độ giao tiếp cẩn thận sau nhiều phân tích Trong giới hạn Luận văn, luận văn tập trung nghiên cứu vấn đề nhiễu chế độ tái sử dụng truyền thông D2D GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 1.2.3 Bảo mật Cung cấp bảo mật hiệu vấn đề lớn giao tiếp D2D Mạng truyền thông D2D có nhiều rủi ro bảo mật việc định tuyến liệu người dùng thông qua thiết bị khác người dùng Dữ liệu bị xâm nhập đánh cắp, vi phạm quyền riêng tư bảo mật Vì giao tiếp D2D dễ bị công công độc hại (ví dụ: giả mạo, nghe lén, cơng trung gian, v.v.), nên cần có chế xác thực thỏa thuận để tăng cường bảo mật thơng tin liên lạc D2D mạng di động Bảo mật thiết bị đảm bảo truy cập đóng áp dụng cho thiết bị Khi truy cập gần, thiết bị có danh sách thiết bị đáng tin cậy định người dùng gần, không, người dùng hợp pháp hóa thơng qua bên đáng tin cậy hiệp hội, giao tiếp với cách tình cờ khác, trì mức độ tùy ý, thiết bị khơng có danh sách cần sử dụng cấp độ macro cell để liên lạc với Thay điều này, truy cập mở, thiết bị bật để chuyển tiếp cho thiết bị khác bị tước bỏ giới hạn Khai thác nhiễu sử dụng trợ giúp để cung cấp thông tin liên lạc bí mật giao tiếp D2D, giải thích [9] 1.2.4 Quản lý nhiễu Quản lý nhiễu thách thức quan trọng giao tiếp D2D mạng di động Như mô tả trước đây, nhà khai thác thích chế độ chia sẻ để tăng hiệu phổ, điều gây vấn đề nhiễu Vì nhiều người dùng D2D người dùng di động sử dụng phần phổ, điều gây gián đoạn cho Quản lý nhiễu giao tiếp D2D kỹ thuật khác sử dụng để giảm nhiễu giải thích chi tiết phần 1.3 Quản lý nhiễu truyền thông D2D Do xuất truyền thông D2D vào mạng di động tế bào, kiến trúc tế bào thay đổi bao gồm hai tầng [10] Tầng thứ lớp macrocell thông thường, liên quan đến giao tiếp BS thiết bị Tầng mới, gọi tầng thiết bị liên quan đến giao tiếp D2D Hệ thống gọi kiến trúc hệ thống hai lớp di động Kiến trúc có cải thiện đáng kể thơng lượng, độ bao phủ, độ trễ endto-end thiết kế cẩn thận [11] Tuy nhiên, nảy sinh số thách thức vấn đề kỹ thuật cho thiết bị người dùng D2D (DUE) thiết bị người dùng di động (CUE) Trong số thách thức này, việc quản lý nhiễu CUE DUE trở GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn thành vấn đề quan trọng giao tiếp D2D chế độ chia sẻ mà tài ngun vơ tuyến sử dụng cho giao tiếp di động D2D Nên ưu tiên triển khai giao tiếp D2D chế độ chia sẻ để nâng cao hiệu phổ Tuy nhiên, điều đổi lại, dẫn đến thách thức quản lý nhiễu nghiêm trọng liên quan đến tình giao tiếp di động, hệ thống yêu cầu quản lý tình nhiễu Nếu nhiễu tạo khơng kiểm sốt tốt, làm giảm lợi ích tiềm truyền thơng D2D lực hiệu chung cell bị suy giảm Phần nghiên cứu giải thích việc quản lý nhiễu kiến trúc mạng hai lớp loại nhiễu, mức điều khiển nhiễu kỹ thuật quản lý nhiễu 1.3.1 Các loại nhiễu kiến trúc mạng hai tầng Trong kiến trúc mạng hai tầng, hai loại nhiễu: co-tier cross-tier giới thiệu Hình 1.4 Tất kịch nhiễu có Hình 1.4 giải thích phần minh họa Hình 1.5 1.3.1.1 Nhiễu đồng tầng (Co-tier interference) Kiểu nhiễu tạo thành phần mạng thuộc tầng mạng Trong trường hợp mạng di động bật, nhiễu đồng tầng xảy người dùng D2D người dùng D2D khác tầng Người dùng D2D gây nhiễu cho người dùng D2D lân cận chúng nằm gần Để thiết lập liên kết trực tiếp người dùng D2D, giá trị tỷ số tín hiệu tạp âm (SINR) phải cao tham số ngưỡng xác định trước Mặt khác, DUE SINR giảm xuống tham số ngưỡng xác định nhiễu đồng tầng, liên kết truyền thông thiết lập [8] Trong hệ thống OFDMA, nhiễu đồng tầng tạo tập hợp khối tài nguyên phân bổ cho nhiều DUE Trong trường hợp này, nhiễu tạo từ máy phát D2D đến máy thu D2D cặp D2D gán tài nguyên di động hướng tái sử dụng tài nguyên (UL/DL) Hơn nữa, nhiễu đồng tầng phát sinh máy thu D2D từ máy phát D2D lân cận giảm thiểu thơng qua kỹ thuật ghép tần số phù hợp người dùng GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn Loại nhiễu Nhiễu đồng tầng (Co-tier) DUE-DUE Nhiễu chéo (Cross-tier) Uplink Downlink DUE-BS BS-DUE CUE-DUE DUE-CUE Hình 1.4 Các loại nhiễu 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 nhiễu cho tài nguyên tái sử dụng khác 1.3.1.2 Nhiễu chéo (cross-tier interference) Loại nhiễu tạo thành phần mạng thuộc tầng khác nhau, tức nhiễu DUE CUE Nhiễu lớp nằm (i) CUE với DUE (ii) CUE nhiều DUE Kịch nhiễu xảy khối tài nguyên phân bổ cho người dùng di động sử dụng lại (hoặc nhiều) GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn người dùng D2D Trong loại nhiễu này, nguồn gây nhiễu nạn nhân nhiễu khác tùy thuộc vào hướng tái sử dụng tài nguyên (UL/DL) Trường hợp 1: Nhiễu từ D2D sang mạng di động: Khi liên kết D2D sử dụng tài nguyên tần số CUE theo hướng đường lên, máy phát D2D gây nhiễu vào eNB người sử dụng đường lên di động gây nhiễu vào máy thu D2D Trường hợp 2: Nhiễu từ mạng di động đến người dùng D2D: Mặt khác, tài nguyên đường xuống băng tần cấp phép sử dụng lại cho liên kết D2D, eNB gây nhiễu vào máy thu D2D máy phát D2D gây nhiễu vào người dùng đường xuống di động 1.3.2 Mức kiểm sốt nhiễu Nói chung, sơ đồ quản lý nhiễu phân loại thành cách tiếp cận tập trung, phân tán bán phân tán tùy thuộc vào hoạt động thuật toán Hình 1.6 MỨC KIỂM SỐT Tập trung Bộ điều khiển trung tâm thực quản lý nhiễu Phân tán DUE thực quản lý nhiễu Bán phân tán Có thể xác định mức độ tham gia mạng khác Hình 1.6 Mức độ kiểm sốt nhiễu truyền thơng D2D 1.3.2.1 Mức kiểm sốt nhiễu tập trung Theo cách tiếp cận tập trung, eNB quản lý hoàn toàn can nhiễu người dùng di động người dùng D2D Thực thể trung tâm thu thập thông tin thông tin trạng thái kênh (CSI), chất lượng kênh, mức độ nhiễu cho người dùng mạng, định kênh để gán cho người dùng với định dạng mức công suất phù hợp Dựa thông tin thu được, thực thể trung tâm phân bổ tài nguyên cho CUE DUE Vấn đề với sơ đồ tập trung lượng tín hiệu lớn cần thiết để trao đổi CSI phản hồi Hơn nữa, độ phức tạp quản lý nhiễu tăng theo cấp số nhân với số lượng người dùng mạng hoạt động thực thực thể nhất, phải xử lý lượng lớn liệu Do đó, sơ đồ tập trung áp dụng cho mạng D2D cỡ nhỏ [8] GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Ln 10 1.3.2.2 Mức kiểm sốt nhiễu phân tán Trong sơ đồ phân tán, hoạt động quản lý nhiễu không yêu cầu thực thể trung tâm thực tự động DUEs Sơ đồ phân tán làm giảm chi phí kiểm sốt tính tốn, CSI phản hồi hạn chế Tuy nhiên, nhiễu khó phối hợp Cách tiếp cận phù hợp với mạng D2D kích thước lớn [8] 1.3.2.3 Mức kiểm soát nhiễu bán phân tán Mặc dù hai phương pháp tập trung phân tán có ưu điểm nhược điểm, đánh đổi đạt chúng Các chương trình quản lý nhiễu cho bán phân tán lai (hybrids) Trong sơ đồ quản lý nhiễu bán phân tán, mức độ tham gia khác xác định Đề án phù hợp cho mạng lớn vừa phải [8] 1.4 Tính tốn Để phân tích thiết kế sơ đồ quản lý nhiễu D2D, nghiên cứu mở rộng mạng di động thực lý thuyết tốn học bao gồm hình học ngẫu nhiên, lý thuyết đồ thị, lý thuyết tiến hóa, lý thuyết hàng đợi lý thuyết tối ưu hóa 1.4.1 Hình học ngẫu nhiên Hình học ngẫu nhiên nhánh xác suất ứng dụng cho phép nghiên cứu tượng ngẫu nhiên mặt phẳng Về chất liên quan đến lý thuyết q trình điểm Nó sử dụng cơng cụ để mô tả nhiễu mạng không dây thời gian dài Các công cụ mạnh mẽ từ hình học ngẫu nhiên áp dụng thành cơng vào mơ hình khơng gian phân tích hiệu suất mạng không dây mạng ad hoc di động [12] Gần đây, công cụ sử dụng để mơ tả khía cạnh khác mạng D2D, chẳng hạn lựa chọn chế độ giao tiếp D2D làm tảng cho mạng di động [13], quản lý nhiễu D2D [14] truyền phát đa hướng [15] nhớ đệm phân tán mạng D2D [30] 1.4.2 Lý thuyết đồ thị Lý thuyết đồ thị công cụ hiệu để mơ hình hóa phân tích loại tương tác, quan hệ động lực khác mạng khác Một biểu đồ sử dụng để biểu diễn mối quan hệ nhiễu liên kết truyền thông D2D khác liên kết giao tiếp di động, vấn đề chia sẻ tài nguyên giải lý thuyết biểu đồ Lý thuyết đồ thị sử dụng để quản lý nhiễu lớp underlay D2D số cơng trình gần [31], [32] GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 36 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ NHIỄU DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH PHA ĐINH RAYLEIGH 3.1 Ảnh hưởng pha đinh quản lý nhiễu Pha đinh tượng sai khác tín hiệu thu cách bất thường xảy hệ thống vô tuyến tác động môi trường truyền dẫn Các yếu tố gây pha đinh hệ thống vô tuyến mặt đất như: - Sự khúc xạ gây không đồng mật độ khơng khí - Sự thăng giáng tầng điện ly hệ thống sóng ngắn - Sự hấp thụ gây phân tử khí, nước, mưa, tuyết, sương mù hấp thụ phụ thuộc vào dải tần số cao (>10GHz) - Sự phản xạ sóng từ bề mặt trái đất, đặc biệt trường hợp có bề mặt nước phản xạ sóng từ bất đồng khí - Sự phản xạ, tán xạ nhiễu xạ từ chướng ngại đường truyền lan sóng điện từ, gây nên tượng trải trễ giao thoa sóng điểm thu tín hiệu nhận tổng nhiều tín hiệu truyền theo nhiều đường Hiện tượng đặc biệt quan trọng thông tin di động [3] Trong thực tế, phát thu xuất loại kênh truyền: kênh pha đinh Rayleigh, kênh pha đinh Shadowing , kênh pha đinh Nakagami-m, kênh pha đinh Suzuki, Kênh sử dụng mô kênh chịu ảnh hưởng suy hao không gian tự pha đinh Rayleigh Đây loại kênh truyền thực tế thiết bị di động Pha đinh Rayleigh mơ hình thống kê ảnh hưởng môi trường lan truyền tín hiệu vơ tuyến, sử dụng thiết bị khơng dây Các mơ hình pha đinh Rayleigh giả sử độ lớn tín hiệu truyền qua mơi trường truyền tải (hay cịn gọi kênh truyền thông) thay đổi ngẫu nhiên biến theo phân bố Rayleigh Pha đinh Rayleigh xem mơ hình hợp lý cho việc truyền tín hiệu từ tầng đối lưu tầng bầu khí ảnh hưởng mơi trường thị xây dựng lên tín hiệu vô tuyến [3] ➢ Kênh Fading Rayleigh: Đáp ứng kênh h biến Rayleigh – biến phức ℎ = (ℎ𝐼 , ℎ𝑄 ) cho h = ℎ𝑄 + jℎ𝐼 = r ej thỏa mãn: GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 37 𝑟 = √ℎ𝐼2 + ℎ𝑄2 ℎ𝐼 𝜃 = 𝐴𝑟𝑐𝑡𝑎𝑛 (3.1) ℎ𝑄 Trong đó: ℎ𝐼 , ℎ𝑄 đại lượng ngẫu nhiên có phân bố Gauss PDF biến ngẫu nhiên Rayleigh cho công thức (3.2) biểu diễn Hình 3.1 ℎ 𝑝(ℎ) = {𝜎2 𝑒 − ℎ2 2𝜎2 x0 (3.2) giá trị khác Hình 3.1 PDF biến ngẫu nhiên Rayleigh Vì ℎ𝐼 , ℎ𝑄 ngẫu nhiên phân bố Rayleigh nên r, 𝜃 đại lượng ngẫu nhiên có xác suất Vậy r ngẫu nhiên phân bố Rayleigh 𝜃 ngẫu nhiên phân bố Phương sai độ lệch chuẩn: ∞ 𝐸[𝑋] = ∫0 𝑋𝑃𝑟𝑋 𝑑(𝑃𝑟𝑋 ) (3.3) 𝜎 = 𝐸 [𝑋 ] − 𝐸 [𝑋] (3.4) Trong X đại lượng ngẫu nhiên 𝑃𝑟𝑥 xác suất xảy đại lượng Phương sai biến ngẫu nhiên (𝜎 ) bình phương độ lệch chuẩn CDF biến ngẫu nhiên Rayleigh: 𝐹 ( ℎ) = { − 𝑒 GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai − ℎ2 2𝜎2 x0 giá trị khác (3.5) HVTH: Hà Thế Luôn 38 3.2 Đánh giá hiệu hệ thống dựa phương pháp ISA (khu vực ngăn chặn nhiễu) 3.2.1 Mơ hình mơ Mơ hình mạng tế bào macro-cell có tâm trạm gốc với bán kính 200m Hệ thống anten giả định vô hướng Các tham số hệ thống liệt kê chi tiết Bảng 3.1 Bảng Tham số mô Tham số Giá trị Bán kính cell 200 m Số người dùng cell 80 người Số cặp D2D cặp Công suất phát BS 46 dBm Công suất phát UE (bao gồm người dùng di động người dùng D2D) Đây công suất phát tối đa 15 dBm UE ( Pd max ) Độ dài bước sóng (LTE 1900 MHz) 0,158 m Khoảng cách TUE RUE 30 m Hệ số suy hao đường truyền (𝛼) Đầu tiên, tế bào bao gồm M người dùng di động (CUEs) hai cặp D2D phân bổ cách ngẫu nhiên, khoảng cách TUE RUE cặp khơng đổi Hình 3.2 mô tả phân bố CUE hai cặp D2D mạng GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Ln 39 Hình 3.2 Phân bố CUE cặp D2D mạng Trong Hình 3.2, điểm màu tím đại diện cho trạm sở BS, dấu cộng màu xanh màu đỏ thể cặp người dùng D2D, lại số CUEs phân bố ngẫu nhiên Để đánh giá hiệu hệ thống dựa phương pháp ISA, chương trình mơ xét đến thay đổi mức công suất phát bao gồm đường lên ( PUL ) đường xuống ( PDL ) - Kênh sử dụng mô kênh chịu ảnh hưởng suy hao không gian tự pha đinh Rayleigh - Các công thức dùng để mô gồm đại lượng như: SINR, độ lợi kênh (Gain), suy hao đường truyền (Pathloss) - Đại lượng đưa để đánh giá dung lượng hệ thống (Capacity) Thực mô với phân bổ tài nguyên dựa vào khu vực ngăn chặn nhiễu phân bổ tài nguyên ngẫu nhiên Thông qua kết mô phỏng, trường hợp quản lý nhiễu dựa khu vực ngăn chặn nhiễu chứng minh giúp hệ thống đạt dung lượng tốt Khi thay đổi PDL PUL dẫn đến RDL RUL thay đổi, phạm vi khu vực ngăn chặn nhiễu ISA thay đổi Từ đó, xác định kênh tài GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 40 nguyên mà cặp D2D sử dụng chung với người dùng di động cách loại bỏ tất CUE nằm vùng có bán kính RDL RUL Hình 3.3 mơ tả người dùng di động CUEs (biểu diễn hình màu xanh) nằm khu vực ngăn chặn nhiễu, vùng gồm hai đường tròn có tâm TUE RUE (biểu diễn dấu cộng màu xanh màu đỏ) với bán kính tương ứng RDL RUL Tài nguyên tần số CUE không xem xét để cấp phát cho cặp truyền thơng D2D Hình 3.3 Các CUE nằm vùng gây nhiễu lên truyền thơng D2D 3.2.2 Kết mơ Hình 3.4 biểu diễn thay đổi dung lượng hệ thống thay đổi ngưỡng nhiễu đường xuống PDL GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Ln 41 Hình 3.4 Dung lượng hệ thống thay đổi ngưỡng nhiễu thay đổi Từ kết mơ Hình 3.4, thấy, mức ngưỡng nhiễu thấp -150dBm, trường hợp phân bổ tài nguyên sử dụng ISA trường hợp phân bổ tài nguyên ngẫu nhiên Tuy nhiên, mức ngưỡng đạt giá trị lớn 150dBm, dung lượng hệ thống tăng lên đạt trạng thái bão hòa mức lượng ngưỡng 𝑃𝑈𝐿 = 𝑃𝐷𝐿 = −115dBm Khi đó, dung lượng hệ thống ổn định khơng có thay đổi hay chênh lệch lớn mức lượng Duy trì mức lượng giúp hệ thống đạt dung lượng cao hiệu tốt Dựa theo kết mô trên, thấy dung lượng hệ thống cải thiện đáng kể sử dụng phương pháp quản lý nhiễu dựa khu vực ngăn chặn nhiễu (ISA) so với không sử dụng Khi sử dụng phương pháp này, cách loại bỏ tất CUE nằm khu vực ngăn chặn nhiễu, sử dụng chung tài nguyên với CUE nằm vùng RUL RDL , ngưỡng nhiễu tăng dần kéo theo bán kính vùng phủ giảm dần, số CUE nằm vùng phủ tăng, SINR hệ thống tăng lên dung lượng hệ thống ngày tăng đến thời điểm đạt trạng thái bão hòa GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 42 3.3 Đánh giá hiệu hệ thống dựa phương pháp ILA (vùng hạn chế nhiễu) 3.3.1 Mơ hình mơ Phương pháp ILA có xem xét đến trường hơp nhiễu liên tế bào Giả sử mơ hình mạng gồm tế bào macro-cell mơ tả Hình 3.6 Ở đây, bán kính tế bào 300m, bán kính trung tâm tế bào 150m, biên tế bào vùng giới hạn từ 150m-300m (thể vùng giới hạn từ đường tròn nhỏ đến đường tròn to hình vẽ) Hệ thống anten giả định vơ hướng Các tham số hệ thống có giá trị Bảng 3.1 Người dùng phân bổ cách ngẫu nhiên vào tế bào Trong Hình 3.5, giả sử trung tâm tế bào người dùng sử dụng tần số (thể dấu cộng màu xanh lam); biên tế bào, người dùng sử dụng tần số khác (thể dấu cộng màu đỏ, màu hồng màu đen) Q trình mơ dựa phương pháp ILA ảnh hưởng người dùng di động đến cặp D2D không từ nội cell mà cặp D2D thuộc về, mà bị nhiễu từ trạm BS lân cận ảnh hưởng đến Hình 3.5 Phân bố CUE cặp D2D mạng Bài mô đánh giá hiệu hệ thống dựa phương pháp ILA thực việc thay đổi mức ngưỡng nhiễu c cho truyền thông di động Kênh sử dụng mô kênh chịu ảnh hưởng suy hao không gian tự kênh pha đinh Rayleigh Đại lượng đưa để đánh giá dung lượng hệ GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 43 thống Thực mô với phân bổ tài nguyên dựa vào vùng hạn chế nhiễu ILA phân bổ tài nguyên ngẫu nhiên Thông qua kết mô phỏng, trường hợp quản lý nhiễu dựa vùng hạn chế nhiễu chứng minh giúp hệ thống đạt dung lượng tốt Khi thay đổi mức ngưỡng nhiễu c , bán kính r1 vùng phủ Z1 thay đổi Từ đó, xác định kênh tài nguyên mà cặp D2D sử dụng chung với người dùng di động cách loại bỏ tất CUE nằm vùng phủ Z1 Tương tự, ta xác định kênh tài nguyên mà cặp D2D sử dụng chung với người dùng di động cách loại bỏ tất CUE nằm vùng phủ Z Phương pháp ILA cịn xem xét đến vị trí người dùng D2D: người dùng D2D nằm biên tế bào truy cập vào kênh biên để tránh nhiễu liên vùng, người dùng D2D vùng trung tâm, kênh biên tế bào khơng phân bổ cho người dùng D2D để đảm bảo CUE biên tế bào tránh khỏi nhiễu gây truyền thông D2D 3.3.2 Kết mơ Hình 3.6 biểu diễn thay đổi dung lượng hệ thống thực thay đổi mức ngưỡng nhiễu c cho truyền thông di động Hình 3.6 Dung lượng hệ thống thay đổi ngưỡng nhiễu c thay đổi Từ Hình 3.6, thấy, mức ngưỡng nhiễu thấp -125dBm, trường hợp phân bổ tài nguyên sử dụng ILA trường hợp phân bổ tài nguyên ngẫu nhiên Tuy nhiên, mức ngưỡng đạt giá trị lớn -125dBm, dung lượng hệ thống tăng lên đạt trạng thái bão hòa mức ngưỡng -60dBm Khi đó, GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 44 dung lượng hệ thống ổn định khơng có thay đổi hay chênh lệch q lớn mức lượng Duy trì mức lượng giúp hệ thống đạt dung lượng cao hiệu tốt Khi ngưỡng nhiễu tăng kéo theo bán kính vùng phủ giảm dần, số CUE nằm vùng phủ tăng, SINR hệ thống tăng lên dung lượng hệ thống ngày tăng đến thời điểm đạt trạng thái bão hịa Hình 3.7 biểu diễn thay đổi dung lượng hệ thống thay đổi mức ngưỡng nhiễu c cho truyền thông di động với trường hợp có cặp hai cặp D2D Hình 3.7 Dung lượng hệ thống với trường hợp có cặp hai cặp D2D Từ Hình 3.7, thấy, trường hợp phân bổ tài nguyên sử dụng ILA với cặp D2D dung lượng hệ thống thấp so với trường hợp sủ dụng cặp D2D Tuy nhiên, mức ngưỡng đạt giá trị khoảng từ -80dBm trở lên, dung lượng hệ thống bắt đầu đạt trạng thái bão hòa Tại mức ngưỡng -80dBm, dung lượng hệ thống đạt trạng thái bão hòa với dung lượng trường hợp cặp D2D 4700 bps/Hz trường hợp hai cặp D2D 9425 bps/Hz Theo kết mơ trên, thấy dung lượng hệ thống cải thiện đáng kể sử dụng phương pháp quản lý nhiễu dựa vùng hạn chế nhiễu so với không sử dụng; việc sử dụng nhiều cặp D2D giúp tăng đáng kể dung lượng hệ thống GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 45 3.5 Kết luận Nội dung chương tiến hành phân tích, đánh giá hiệu hệ thống sử dụng phần mềm Matlab mô dung lượng hệ thống sử dụng hai phương pháp quản lý nhiễu ISA ILA Dựa vào khu vực ngăn chặn/vùng hạn chế nhiễu xác định nguồn tài nguyên sử dụng cho truyền thơng D2D, từ giúp cải thiện dung lượng hệ thống Đặc biệt, hệ thống khảo sát kênh chịu ảnh hưởng suy hao không gian tự pha đinh Rayleigh, kênh thực tế thiết bị di động hệ thống thông tin di động Các kết thu cho thấy dung lượng hệ thống cải thiện đáng kể áp dụng hai phương pháp quản lý nhiễu ISA ILA GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong luận văn trình bày tổng quan truyền thông D2D mạng thông tin di động 5G Truyền thông D2D cung cấp tốc độ liệu cao độ trễ thấp cho người dùng đầu cuối mạng 5G kì vọng cơng nghệ then chốt mạng hệ Mặc dù vậy, vấn đề nhiễu gây cặp truyền thông D2D tới thiết bị di động hay ngược lại vấn đề quan trọng cần quan tâm Trong luận văn trình bày hai phương pháp quản lý nhiễu ISA (khu vực ngăn chặn nhiễu) ILA (vùng hạn chế nhiễu); thực chương trình mơ dựa hai phương pháp qua phần mềm Matlab, có xét đến ảnh hưởng suy hao không giao tự pha đinh Rayleigh Kết cho thấy, sử dụng hai phương pháp giúp quản lý hiệu vấn đề nhiễu người dùng di động thông thường người dùng D2D, dung lượng hệ thống cải thiện đáng kể so với không sử dụng Hướng nghiên cứu Luận văn là: Thứ nhất, luận văn xét đến ảnh hưởng kênh pha đinh Rayleigh với hai phương pháp quản lý nhiễu ISA ILA, xem xét ảnh hưởng loại kênh pha đinh khác như: kênh pha đinh Nakagami-m, kênh pha đinh Suzuki, kênh pha đinh Lognormal, kênh pha đinh Rician, Thứ hai, Luận văn, mơ hình hệ thống hai phương pháp xét có mặt hai cặp D2D, xét trường hợp tổng quát với n cặp D2D tồn hệ thống Thứ ba, tiếp tục nghiên cứu, tìm hiểu thuật tốn, phương pháp khác giúp quản lý nhiễu hiệu truyền thông D2D GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 47 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Phạm Anh Dũng (2003), CDMA one CDMA 2000, Nhà xuất Bưu Điện, Hà Nội [2] Nguyễn Phạm Anh Dũng (2008), Lộ trình phát triển thơng tin di động 3G lên 4G, Nhà xuất Thông tin truyền thông, Hà Nội [3] Nguyễn Thị Yến (2019), Nghiên cứu phương pháp quản lý nhiễu truyền thông D2D, Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng [4] Đào Xn Hồng (2015), Công nghệ D2D hệ thống LTE-A, Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội [5] Dương Ngọc Sơn, Đinh Thị Thái Mai Nguyễn Quốc Tuấn (2018), “Đánh giá hiệu truyền thông D2D sử dụng vùng hạn chế nhiễu ảnh hưởng pha-đinh Rayleigh,” Hội nghị Quốc gia lần thứ XXI Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin, REV-ECIT Tiếng Anh [6] GSA,“LTE Subscriptions forecast (worldwide) to 2020,” 〈http:// www.gsacom.com/news/gsa_434.php〉, 2015 [7] Feng,D., Lu, L., Yi, Y.W., Li, G.Y., Li, S., Feng, G (2014), “Device-to-device communications in cellular networks no” April IEEE Commun Mag vol 52, 49–55 [8] Mahda Noura, Rosdiadee Nordin, B (2016), “A survey on interference management for Device-to-Device (D2D) communication and its challenges in 5G networks” [9] Yue, J., Ma, C., Yu, H., Zhou, W (2013), “Secrecy-based access control for device-todevice communication underlaying cellular networks” IEEE Commun Lett 17 (11), 2068–2071 [10] Liu, J., Kato, N., Ma, J., Kadowaki, N (2014), “Device-to-device communication in lteadvanced networks: a survey” IEEE Commun Surv Tutorials [11] Tehrani, M., Uysal, M., Yanikomeroglu, H (2014), “Device-to-device communication in 5G cellular networks: challenges, solutions, and future directions no” May IEEE Commun Mag 52, 86–92 GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 48 [12] Haenggi, M (2012), “Stochastic geometry for wireless networks” Cambridge University Press [13] Elsawy, H., Hossain, E (2014), “Analytical modeling of mode selection and power control for underlay D2D communication in cellular networks” Commun IEEE Trans 62 (11), 4147–4161 [14] Sun, H., Wildemeersch, M., Sheng, M., Quek, T.Q.S (2015) “D2D enhanced heterogeneous cellular networks with dynamic TDD” IEEE Trans Wirel Commun 14, 4204–4218 [15] Lin, X., Jr, R.W H., and Andrews, J.G (2014) “The Interplay between Massive MIMO and Underlaid D2D Networking”, pp 1–35 [16] Arash Asadi, Qing Wang, and Vincenzo Mancuso, “A Survey on Device-toDevice Communication in Cellular Networks” IEEE Journal Communications Surveys & Tutorials, Vol 16, No.4, pp 1801 - 1819 [17] Bin Guo, Shaohui Sun, Shaohui Sun, Qiubin Gao, “Interference Management for D2D Communications Underlying Cellular Networks at Cell Edge” [18] C.-H Yu, K Doppler, C B Ribeiro, and O Tirkkonen, “Performance impact of fading interference to device-to-device communication underlaying cellular networks” [19] D Tsolkas, E Liotou, N Passas, L Merakos (Sept 2012), “A graph-coloring secondary resource allocation for D2D communications in LTE networks”, In the 17th IEEE International Workshop on Computer-Aided Modeling Analysis and Design of Communication Links and Networks (IEEE CAMAD 2012), Barcelona, Spain [20] E Dahlman, S Parkvall, and J Skold (2011), “4G: LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband: LTE/LTE-Advanced for Mobile Broadband”, Elsevier Science [21] Furqan Jameel, Zara Hamid, Farhana Jabeen, Sherali Zeadally and Muhammad Awais Javed (2018), “A Survey of Device-to-Device Communications: Research Issues and Challenges”, IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol 20, pp 2133 - 2168 GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 49 [22] G Fodor, E Dahlman, G Mildh, S Parkvall, N Reider, G Miklós, Z Turányi (2012), “Design aspects of network assisted device-to-device communications”, IEEE Commun Mag, 50(3), pp 170-177 [23] G L Stuber (2001), “Principles of Mobile Communication”, Kluwer Academic [24] J Hong, S Park, H Kim, S Choi, and K B Lee, “Analysis of Device-to-Device discovery and link setup in LTE networks” [25] N P Kuruvatti, A Klein, L Ji, C Zhou, O Bulakci, J Eichinger, R Sattiraju, H D Schotten (2015), “Robustness of location based D2D resource allocation against positioning errors,” in Vehicular Technology Conference (VTC Spring), IEEE 81st, pp 1-6 [26] Pimmy Gandotra, Rakesh Kumar Jha (June 2016), “Device-to-device communication in cellular networks: A Survey”, Journal of Network and Computer Applications Vol 71, pp 99-117 [27] S.Andreev, A.Pyattaev, K.Johnsson, O.Galinina, Y.Koucheryavy (2014), “Cellular traffic offloading on to network-assisted device-to-device connections”, IEEE Communications Magazine, vol 52, no 4, pp 20 - 31 [28] X Chen, B Proulx, X Gong, J Zhang (2015), “Exploiting social ties for cooperative D2D communications: A mobile social networking case”, IEEE/ACM Transactions on Networking, vol 23, no 5, pp 1471-1484 [29] X Chen, L Chen, M Zeng, X Zhang, and D Yang (2012), “Downlink Resource Allocation for Device-to-Device Communication Underlaying Cellular Networks” IEEE 23rd International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications - (PIMRC), Sydney, NSW, Australia [30] Krishnan, S., Dhillon, H.S (2015), “Distributed caching in device-todevice networks: A stochastic geometry perspective, Proceedings Asilomar, Pacific Grove, CA” [31] Yang, L., Zhang, W., Jin, S (2015), “Interference alignment in device-to-device Lan underlaying cellular networks 1–1” IEEE Trans Wirel Commun 1276 [32] Zhang, R., Song, L., Han, Z., Cheng, X., and Jiao, B (2013) “Distributed Resource Allocation for Device-to-Device Communications Underlaying Cellular Networks” Commun (ICC), 2013 IEEE International Conference, pp 1889– 1893 GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 50 [33] Cheng, P., Deng, L., Yu, H., Xu, Y., and Wang, H (2012), “ Resource allocation for cognitive networks with D2D communication: An evolutionary approach” IEEE Wireless Communication Networking Conference, pp 2671–2676 [34] Giambene, G., (2005), Queuing Theory And Telecommunications Networks And Applications Springer ScienceỵBusiness Media.” Inc [35] Lei, L., Shen, X.S., Dohler, M., Lin, C., Member, S., Zhong, Z (2014), “Queuing models with applications to mode selection in device-to-device communications underlaying cellular networks” IEEE Trans Wirel Commun 13 (12), 6697–6715 [36] Cho, B., Koufos, K., Riku, J (2014) “Spectrum allocation and mode selection for overlay D2D using carrier sensing threshold Cogn Radio Oriented Wirel Networks Commun, 26–31 [37] Xing, H., Hakola, S (2010) “The investigation of power control schemes for a device -to-device communication integrated into OFDMA cellular system” IEEE Int Symp Pers Indoor Mob Radio Commun PIMRC, 1775–1780 [38] Yu, C.H., Tirkkonen, O., Doppler, K., Ribeiro, C (2009) “On the performance of deviceto-device underlay communication with simple power control” IEEE Veh Technol Conf, 4–8 [39] Kaufman, B., Member, S., Lilleberg, J., Member, S (2013), “Spectrum sharing scheme between cellular users and ad-hoc device-to-device users” IEEE Trans Wirel Commun 12 (3), 1038–1049 [40] Mumtaz, S., Mohammed, K., Huq, S., Radwan, A , Rodriguez, J., and Aguiar, R.L (2014), “Energy Efficient Interference-Aware Resource Allocation in LTED2D Communication” IEEE Int Conf Commun., pp 282–287 [41] Jänis, P., Koivunen, V., Ribeiro, C.B., Doppler, K., Hugl, K (2009), “Interferenceavoiding MIMO schemes for device-to-device radio underlaying cellular networks” IEEE Int Symp Pers Indoor Mob Radio Commun PIMRC, 2385–2389 [42] Le, L.B (2012), “Fair resource allocation for device-to-device communications in wireless cellular networks” IEEE Global Communication Conference, pp 5451–5456 GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn ... số D2D Thời gian Out band In band Underlay Overlay D2D D2D Di động Di động Phổ di động Phổ di động Truyền thông di động Truyền thơng D2D Phổ di động Phổ ISM Hình 1.3 Sơ đồ phân loại chi tiết truyền. .. Out-band Truyền thông D2D chế độ Inband định nghĩa truyền thông D2D truyền thông di động thông thường sử dụng chung dải tần số truyền thông di động, mức độ ưu tiên cho truyền thông di động cao... quản lý nhiễu mạng di động cho phép D2D tiếp tục nhiều đề án đề xuất Trong phần này, kế hoạch quản lý nhiễu xem xét Có nhiều phương án khác để quản lý nhiễu tầng nhiễu tầng tạo truyền thông D2D