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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐINH VIỆT ANH NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO TRONG HỆ THỐNG 5G THƠNG QUA TỐI ƯU HĨA BẢN TIN PAGING Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kĩ thuật viễn thông Mã số: 8510302.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN QUỐC TUẤN Hà Nội – 2018 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan nghiên cứu kết đề tài “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” dựa nhận định, tìm hiểu, mơ hình hóa mơ cá nhân tôi, thực Khoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn Những số liệu, hình ảnh sử dụng luận văn, trích dẫn từ tài liệu, cơng trình cơng bố trước đó, rõ nguồn gốc Những nội dung nghiên cứu tơi trình bày luận văn chưa cơng bố cơng trình khoa học khác thời điểm Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn có vi phạm tác quyền, quyền Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2018 Học viên (Ký ghi rõ họ tên) i Lời cảm ơn Trước tiên, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn, người thầy dành nhiều thời gian theo sát tôi, tận tình bảo, hướng dẫn suốt trình tơi tìm hiểu, nghiên cứu, tạo điều kiện để tơi hồn thành luận văn Thầy định hướng đưa nhiều góp ý quý giá cho tơi để luận văn hồn thiện có chất lượng Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới thầy, cô khoa Điện tử Viễn thông Các thầy, cô cung cấp cho kiến thức từ đến nâng cao, giúp có đủ tảng hiểu biết để nghiên cứu hồn thành luận văn Đặc biệt, thầy môn Hệ thống viễn thông cho góp ý xác đáng để nội dung luận văn hoàn chỉnh, rõ ràng hơn, mạch lạc Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè đồng nghiệp động viên, tạo điều kiện cho tốt để tơi có đủ thời gian tâm sức hoàn thành luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! ii Mục lục Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục ký hiệu chữ viết tắt v Danh mục bảng biểu vii Danh mục hình vẽ, đồ thị viii MỞ ĐẦU .1 Chương TỔNG QUAN VỀ 5G .3 1.1 Kiến trúc tổng thể 1.2 Những yêu cầu kĩ thuật hướng tiếp cận 1.3 Vài nét chuẩn 5G 3GPP Release 15 11 1.3.1 Thần số Numerology cấu trúc khung 13 1.3.2 Sóng cực ngắn mmWave .17 1.3.3 Massive MIMO Truyền sóng dạng búp Beamforming 18 1.3.4 Trạng thái RRC-Inactive .20 Chương MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO TRONG 5G 22 2.1 Khái niệm mạng mật độ siêu cao (UDN) 23 2.2 Thách thức định hướng kĩ thuật UDN 24 2.2.1 Thách thức định hướng kiến trúc mạng .24 2.2.2 Thách thức định hướng quản lý tính di động 25 2.2.3 Thách thức định hướng quản lý nhiễu 25 2.2.4 Thách thức định hướng tính linh hoạt hệ thống mạng 26 2.3 Các kiến trúc mạng đề xuất cho UDN 26 2.3.1 Nguyên lý chung 26 2.3.2 Kiến trúc GPP HeNB 28 2.3.3 Kiến trúc tăng cường Small Cell 29 2.3.4 Kiến trúc UDN METIS 30 2.3.5 Kiến trúc người dùng trung tâm cho UDN 31 2.4 Định hướng nghiên cứu cho thách thức nêu 32 2.4.1 Mạng linh hoạt .32 iii 2.4.2 Hạ tầng mạng trục 34 2.4.3 Phối hợp nhiều kĩ thuật truy nhập vô tuyến 36 2.4.4 Quản lý tính di động 38 2.4.5 Quản lý nhiễu .39 2.4.6 Quản lý tài nguyên vô tuyến 41 2.5 Tổng kết 43 Chương TỐI ƯU TÀI NGUYÊN PAGING TRONG 5G UDN 44 3.1 Cơ chế Paging 45 3.1.1 Lắng nghe paging từ phía UE 45 3.1.2 Paging phát quảng bá nhà mạng 46 3.2 Phương pháp tinh gọn tin Paging 48 3.2.1 Nguyên lý hoạt động 48 3.2.2 Tính tốn mơ hình hệ thống 49 3.2.3 Đề xuất cải tiến 50 3.3 Khảo sát đánh giá hiệu suất 51 KẾT LUẬN 55 PHỤ LỤC 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 iv Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Từ viết tắt 3GPP LTE 5G NR eMBB mMTC uRLLC V2X ITU IMT D2D MN OFDM TDM FDM FD-MIMO LGW SON RAT UDN AP RRM WLAN PDN-Gateway LA 5GPPP METIS NGMN UUDN SDN NFV MME UE HeNB LIPA SIPTO SRC/SRU ARC/ARU C-RAN Ý nghĩa Generation Partnership Project Long Term Evolution 5th Generation New Radio Evolved Mobile Broadband Massive Machine Type Communication Ultra Reliability Low Latency Communication Vehicle to everything communication International Telecommunication Union International Mobile Telecommunication Device to Device communication Moving Network Orthogonal Frequency Division Multiplexing Time Division Multiplexing Frequency Division Multiplexing Full Dimension Multiple Input Multiple Output Local Gateway Self-Organizing Network Radio Access Technology Ultra-Dense Network Access Point Radio Resource Management / Radio Resource Control Wireless Local Area Network Packet Data Network Gateway Location Area 5G Infrastructure Public Private Partnership Mobile and wireless communications Enablers for Twenty-twenty (2020) Information Society Next Generation Mobile Network User-centric UDN Software Defined Network Network Functionality Virtualization Mobility Management Entity User Equipment Home enhanced NodeB Local Internet Packet Access Selected IP Traffic Offload Synchronous Radio Control plane/User plane Asynchronous Radio Control plane/User plane Centralized Radio Access Network rd v SAE LSC/LDC NSC/NDC ANR MLB OAM DeNB DMM ICI FFR/SFR CoMP System Architecture Evolution Local Serving Center/Local Data Center Network Serving Center/Network Data Center Automatic Neighboring Relation Mobile Load Balancing Operation and Maintenance Donor enhanced NodeB Distributed Mobility Management Inter-cell Interference Fragmental Frequency Reuse/Soft Frequency Reuse Co-ordinated Multi-Point vi Danh mục bảng biểu Bảng 1-1 Các số đánh giá suất 5G Bảng 1-2 Các số hiệu suất 5G Bảng 1-3 Các giá trị yêu cầu cho khả IMT-2020 10 Bảng 1-4 Sự khác thông số vô tuyến LTE 5G NR 12 Bảng 1-5 Các numerology 5G 14 Bảng 2-1 So sánh UDN mạng di động truyền thống .23 Bảng 3-1 Tham số hệ thống .51 vii Danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1-1 Kiến trúc 5G theo phân vùng kiểu kết nối .4 Hình 1-2 Kiến trúc 5G theo mạng lát cắt .6 Hình 1-3 Ba hướng phát triển hệ thống 5G [1] Hình 1-4 Khác biệt từ tiêu chuẩn IMT-Advanced lên IMT-2020 [4] 10 Hình 1-5 Vai trị khả ngữ cảnh khác [4] .11 Hình 1-6 Các giai đoạn phát triển tiêu chuẩn kĩ thuật 3GPP 5G [5] 12 Hình 1-7 Mối quan hệ numerology độ lớn cell, tần số độ trễ [6] .15 Hình 1-8 Cấu trúc khung 5G với numerology khác 15 Hình 1-9 Cấu trúc khung tùy biến 16 Hình 1-10 Khái niệm Carrier Bandwidth Part 16 Hình 1-11 Dải tần trải rộng 5G (Nguồn: rcrwireless.com) .17 Hình 1-12 Mơ hình Massive MIMO với 3D beamforming (FD-MIMO) [14] 20 Hình 1-13 Trạng thái RRC-Inactive lợi ích đạt [15] .21 Hình 2-1 Kiến trúc GPP HeNB [16] 28 Hình 2-2 Kiến trúc tăng cường Small Cell [17] 29 Hình 2-3 Hoạt động SCE .29 Hình 2-4 Kiến trúc UDN METIS [7] 30 Hình 2-5 Kiến trúc người dùng trung tâm cho UDN [18] 31 Hình 2-6 Kiến trúc mạng kết hợp nhiều RAT 37 Hình 3-1 Lắng nghe giải mã paging 46 Hình 3-2 So sánh chế phát Paging 4G 5G 47 Hình 3-3 Chia tách UE ID thành phần 48 Hình 3-4 Cải tiến lược bỏ MME code UE ID 50 Hình 3-5 So sánh tỉ lệ chiếm dụng tài nguyên hệ thống 52 Hình 3-6 Tài nguyên cho paging tối ưu với cải tiến lược bỏ MME code 52 Hình 3-7 So sánh mức tối ưu tài nguyên giá trị 𝑁2 53 viii MỞ ĐẦU Việc phát triển tiếp nối kỉ ngun cơng nghệ nói chung hệ mạng viễn thơng nói riêng thực hóa giấc mơ hứa hẹn đem tới diện mạo hoàn toàn cho sống nhân loại Câu chuyện 5G khơng nằm ngồi lẽ thường Trong năm gần đây, với phổ biến ngày tăng thiết bị thông minh, sống hàng ngày xoay quanh dịch vụ Internet di động Tương lai 5G bùng nổ lưu lượng liệu mạng truyền thơng 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 Khi sóng cực ngắn mmWave beamforming chọn công nghệ tàng 5G, đặc biệt phù hợp cho UDN với đặc tính vùng phủ hẹp, hiệu suất phổ cao, khái niệm truyền thông đẳng hướng đời giới hạn vùng phủ búp sóng mang thơng tin Khi đó, thơng tin quảng bá mạng cần truyền lặp lại tất búp sóng thay phát lần truyền thông đa hướng mạng Điều cho thấy tầm quan trọng việc quản lý tài nguyên Trong phạm vi luận văn này, nghiên cứu nhằm tiết kiệm tài ngun vơ tuyến, cụ thể tối ưu hóa kích thước tin paging phát quảng bá hệ thống mạng cần tìm gọi thiết bị người dùng cuối, tập trung xem xét Luận văn bố cục phần Chương giới thiệu nhìn tổng quan 5G, đặc điểm yêu cầu kĩ thuật, thay đổi lớn 5G so với mạng 4G Chương trình bày khái niệm mạng mật độ siêu cao,