Nghiên cứu về D2D communication và việc phân bổ tài nguyên hiệu quả cho mạng di động thế hệ mới

NGUYEN HAI MINH

NGHIEN CUU VE D2D COMMUNICATION VA

VIEC PHAN BO TAI NGUYEN HIEU QUA CHO

MANG DI DONG THE HE MOI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI-2015

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIEN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THONG

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Pham Anh Dũng

Phản biện 1: PGS.TS Trịnh Anh Vũ

Phản biện 2: PGS.TS Trần Hồng Quân

Luận văn được bảo vệ trước Hội đông châm luận văn thạc sĩ tại Họcviện Công nghệ Bưu chính Viên thông

Vào lúc: ĐIỜ ngày tháng năm 201

Có thê tìm hiêu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Ngày nay, nhu cầu về thông tin di động không chỉ dừng lại ở việc gọi điện nhắn tin hay những ứng dụng dữ liệu tốc độ thấp mà nhu cầu về những ứng dụng

tốc độ cao ngày càng tăng nên Không chỉ các thiết bị thông tin di động như điện thoại có thé kết nối mang, mà còn rất nhiều các thiết bị khác cũng có nhu cầu kết

nối di động như xe tự vận hành, werable device ( thiết bị đeo), smart meter ( đồng

hồ điện thông minh), Đặc biệt, người ta đã dự đoán rằng đến năm 2020 trong thé

hệ mạng tương lai dung lượng hệ thống sẽ tăng khoảng 1000 lần, tốc độ dữ liệu sẽ tăng 100 lần, và số lượng thiết bị kết nỗi mạng sẽ tăng 10 lần so với hiện tại Do vậy

việc nghiên cứu các công nghệ tiên tiến giúp đạt được những yêu cầu trên cho mạng

di động thé hệ mới đang ngày càng bức thiết.

Gần đây Device-to-Device (D2D) communication đã được đề xuất như là một công nghệ quan trọng dé một phan nào đáp ứng những yêu cầu đó Trong D2D communication, các thiết bị gần nhau có thé kết nối trực tiếp với nhau, truyền dữ liệu cho nhau dưới sự điều khiển của tram gốc (BS) D2D communication có thể giúp tăng dung lượng của hệ thống cũng như số lượng thiết bị kết nối với mạng và

tốc độ dữ liệu bang việc tận dụng ưu điểm phân tập không gian (spatial diversity)

của hệ thống.

Tuy nhiên để tích hợp D2D communication vào hệ thống mạng tế bào thì việc phân bồ tài nguyên là vô cùng quan trọng vi lợi thế của D2D communication chỉ có thé được phát huy khi tài nguyên của hệ thống được phân bố hiệu quả Phan bố hiệu quả tài nguyên của hệ thống sẽ giúp cho nhiễu thiết bị được kết nối vào hệ

thống va dam bảo yêu cầu dịch vụ của các kết nối sẵn có Hiểu được tầm quan trọng

của vấn dé này nên học viên nghiên cứu dé tai: “Nghién cứu về D2D communication và việc phân bổ tai nguyên hiệu quả cho mạng di động thế hệ mới“, nhằm nghiên cứu về D2D communication cũng như khảo sát các thuật toán

phân bố tài nguyên hiệu quả trong D2D communication.

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG

Chương nay sẽ trình bày về các khái niệm cơ bản, một sô đặc điểm chính và

tổng quan về mạng bao gốm D2D communication.

1.1 Giới thiệu chương

Sự phát triển bùng né trong công nghệ di động trong vài thập niên gần đây, xuất phát từ công nghệ tương tự được phát triển từ những thập niên 80 của thế kỷ trước từ thế hệ thứ nhất 1G đến ngày nay là 4G Mục đích chính trong sự phát triển

của các thế hệ di động là việc tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống, giảm công

suất tiêu thụ và làm cho hệ thống tiết kiệm nhất có thể Trong những nghiên cứu về hệ thống di động hiện nay, rất nhiều nghiên cứu tập trung vào sự phát triển của hệ

thống 3GPP LTE/LTE-Advanced.LTE-Advanced đã và đang được nghiên cứu như

là một sự kế thừa và phát huy những ưu điểm của hệ thống cũ LTE-Advanced cho phép tích hợp nhiều đặc tính nhằm tăng hiệu quả sử dụng phổ của hệ thống bao gồm hệ thông đa anten thu và nhận (MIMO), SIMO, etc

3GPP đã nghiên cứu và đề xuất các công nghệ cho mạng di động thế hệ mới Trong những đề xuất đó D2D communication là một trong những biện pháp quan trọng giúp tăng cường kha năng sử dụng phổ của hệ thống một cách hiệu quả.D2D communication sử dụng phố của mạng tế bào là một hướng đi hiệu quả dé hỗ trợ dữ liệu truyền giữa những thiết bị gan nhau một cách tiết kiệm nhất Một số ưu điểm của D2D communication có thé liệt kê như sau: () lợi khoảng cách; (ii) lợi trễ; (iii)

lợi công suất.

1.2 Giới thiệu về 3GPP LTE/LTE-Advanced

Quá trình phát trién công nghệ của mạng di động tế bào được phân biệt bằng các thé hệ Thế hệ thứ nhất là một hệ thống được đưa vào sử dụng những năm 80s

của thế kỉ trước Tiếp theo đó thế hệ thứ 2 (2G) là thế hệ di động số đầu tiên được

biết đến như thế hệ GSM ngày nay Theo sau 2G là thế hệ 3G, là thế hệ di động đầu

tiên cho phép truy nhập dữ liệu băng rộng LTE được giới thiệu bắt đầu từ Release 8

2

như là 3.9G Bắt đầu từ Release 9, 3GPP bắt đầu phát triển các pha của 4G được

coi như là LTE-Advanced.

3GPP được tập hợp dé tạo ra các qui chuẩn cho 3GPP nhằm mục đích thực

hiện những nhiệm vụ sau:

¥ Chuan hóa và duy trì các tiêu chuân của 3GPP.

Y Duy trì các mô tả của các chuẩn hóa.

¥ Đưa ra các quyết định dé tạo ra hoặc hủy bỏ các tiêu chuẩn công nghệ, đưa ra

3GPP Rebs 3GPP Rel.8 3GPP Rel-19 | _3GPP Rel-lt DownlinkFirst LTE LTE-Advanced, Enhanced carrier MIMO

Intergrated 3GPP Rel-7 release all IP 3GPP Rel-9 a aggregation, enhancements/

3GPP Rel-5 Operation with Decreasing wala (EPC) LTE HeNB, — further enhanced | 3D-MIMO,

low-IMS and wireless LAN latency, New OFDM A location _— >° ICIC (FeICIC), cost MTC, new

HSDPA and adds improving QoS, and MIMO services, a aa coordinated carrier type

HSUPA, and real-time : MBMS support, ‘ownnin multi-point (NCT), smallPrecis based radio A MIMO, uplink Lm `

MBMS, applications interface, not multistandard transmisstion/ cell

enhancements to performance, backwar d BS, dual-cell hị Mã C reception enhancements,

IMS HSPA+ ware HSDPA with | Smance ° | (CoMP), eight- | LTE device-to-compatible with MIMO, dual- relays, backward ñ HSDPA devi

UMTS, dual-cell cell HSUP A compatible with ea A ` evice

HSDPA LTE Rel-8, multi MIMO .~ˆ

Hình 1.1 Cac release của 3GPP va các công nghệ chủ dao.

1.3 Giới thiệu vềOFDM, OFDMA, và mô hình phân chia tài nguyên

dựa vào Resource Block trong OFDMA.

1.3.1 Các nguyên lý cơ bản của OFDM

Nguyên lý cơ bản của OFDM là chia một luéng dit liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp hơn và phát đồng thời trên một số các sóng mang con trực

giao Vì khoảng thời gian symbol (Ts) tăng nên thời gian cho các sóng mang con

song song tăng, do vậy nhiễu gây ra do trễ đa đường được giảm xuống Nhiễu

xuyên kí tự ISI được hạn chế gần như hoản toàn do việc đưa vào khoảng bảo vệ

trong mỗi symbol OFDM Trong khoảng thời gian bảo vê, mõi symbol OFDM được

bảo vệ theo chu kì dé tránh nhiễu giữa các sóng mang ICI

Trong hệ thống OFDM, dữ liệu trên mỗi sóng mang con chồng lên dữ liệu trên các sóng mang lân cận Sự chồng chập này là nguyên nhân tăng hiệu quả sử

dụng phổ Ta thấy rang trong một điều kiện cụ thể, có thé tăng dung lượng đáng kế

cho hệ thống OFDM bằng cách làm thích nghi tốc độ dữ liệu trên mỗi sóng mang tùy theo tỉ số SNR của sóng mang đó (SNR).

1.3.2 Đa truy nhập OFDMA

Khác với OFDM, OFDMA là một phương pháp đa truy nhập sử dụng công

nghệ OFDM.Đa truy nhập OFDMA cho phép phân chia cùng một lúc việc truyền dữ liệu cho nhiều người dùng Trong OFDMA, các tài nguyên tần số (Radio Resource) gồm 2 chiều gồm tan số (số lượng các băng con) và thời gian (số lượng

các OFDM symbol).

Tương tự như OFDM, OFDMA sử dụng nhiều kênh con, nhưng những kênh

con này được chia thành các nhóm kênh con, mỗi một nhóm này được gọi là một

Resource Block (RB), Việc nhóm các kênh con vào một RB gọi là quá trình nhóm

4

con và các kênh con trong cùng một RB không nhất thiết phải năm cạnh nhau.

Trong downlink, một RB có thể được phân cho các user khác nhau, nhưng trong

uplink, một user có thé phan một hoặc nhiều RB 1.4 Giới thiệu về D2D communication.

3GPP LTE-Advanced đang trong quá trình chuẩn hóa và định nghĩa các tiêu chuẩn của mạng thế hệ mới nhằm thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của mạng tế bao.Local service được coi là một trong những hướng phát triển chính của mạng thé

hệ mới nhằm tăng dung lượng của hệ thống.

1.4.1 So sánh D2D communication và mang Adhoc

Gần đây, công nghệ WLAN dựa vào chuẩn 802.11 (như WiFi, WiFi Direct)

và WPAN ( như công nghệ Bluetooth và UWB) đã và đang ngày càng được sử

dụng nhiều vì nó có thể cung cấp truy cập internet và những dịch vụ Local với giá

thành rẻ và truy cập nhanh vào những băng thông dùng chung ( như băng tần dành cho công nghiệp, khoa học và y tế ISM) Những công nghệ này được thiết kế cho những truyền thông khoảng cách ngắn giữa dau thu và phát, do đó nó có thé giúp

đạt được tốc độ dữ liệu rất cao với công suất truyền nhỏ.

Tuy nhiên việc truyền tín hiệu trong các băng tần được qui hoạch và cấp

phép cho phép hệ thống hoạt động ổn định hơn nhằm mục đích tránh nhiễu không

cần thiết Femtocell, relay, và picocell là những ví dụ của những công nghệ tương lai có thé được sử dụng trong LTE-Advanced.

1.4.2 D2D communication trong mang cellular

Trong D2D communication, các thiết bị kết nối với nhau không thông qua node trung gian D2D communication use tài nguyên tần số của cellular user (liscense band) và được hỗ trợ bởi cơ sở hạ tầng của hệ thống cellular sẽ giúp có được những lợi thế sau đây (i) tận dụng được lợi thế của kênh truyền rất tốt giữa

những thiết bị D2D do vậy chúng có thể hỗ trợ tốc độ đữ liệu rất lớn, trễ nhỏ, và

tiêu hao ít năng lượng truyền tín hiệu Gi) Việc sử dụng lại tài nguyên của tần số

5

giúp, điều đó có nghĩa là cả kết nối D2D và cellular có thể sử dụng đồng thời tài nguyên tần số, nó giúp tăng reuse factor của tần số do vậy cùng một tài nguyên tần

số có thể sử dụng nhiều hơn một lần trong một cell (iii) Va cuối cùng, việc sử dụng

D2D communication, sẽ giúp các thiết bị không phải sử dụng cả UL và DL như thong thường trong cellular mode Ngoài ra, D2D communication có thé được sử dụng dé mở rộng vùng phủ của mạng cellular và hỗ trợ các loại dịch vụ mới như

dịch vụ P2P.

1.4.3 Những chuẩn hóa về D2D communication

Lần đầu tiên D2D communication được đưa vào thảo luận trong việc chuẩn hóa là của 3GPP là tháng 6/2011 Những nghiên cứu hiện tại trong LTE D2D gồm có D2D discovery và D2D communication hay thiết lập D2D và truyền dit liệu D2D Ngoài ra IEEE (hiệp hội điện điện tử Mỹ) cũng tiếp tục nghiên cứu về WiFi Direct, nhóm IEEE 802.11 Infrastructure Service Discovery đã hoàn thành rất nhiều công việc trong D2D discovery và communication với công suất truyền thấp và trong khoảng dài (có thé lên đến 500m), và hệ thống lớn (gồm 1000 mobile device) cho mạng mobile social networks Hình dưới đây mô tả các kiến trúc mạng lõi và

access cho D2D.

1.5 Kết luận chương

Trong chương này, tác giả đã giới thiệu về thế hệ mạng LTE-Advanced trong Release 12 và có thể Release 13 Trong đó, tác giả đã giới thiệu về sự phát triển của mạng di động từ quá khứ đến hiện tại và tương lai.Trong LTE-Advanced, công nghệ truy nhập phô OFDMA đã được giới thiệu và so sánh với các loại truy nhập của các công nghệ trong quá khứ.Cuối cùng, tác giả giới thiệu về công nghệ D2D

communication, môt công nghệ được coi là bước đột phá giúp tăng dung lượng hệ

thống.

CHƯƠNG II: BÀI TOÁN TOI UU HOA PHAN BO TÀI NGUYEN TRONG MANG BAO GOM D2D

2.1 Giới thiệu chương

Chương này sẽ trình bày mô hình hệ thống trong mạng bao gồm D2D

communication Ngoài ra, do nhu cầu ngày càng tăng của dữ liệu tốc độ cao Do vậy cấp phát tài nguyên động là một giải pháp cần thiết để tăng hiệu quả của hệ thống.Đề cap phát tài nguyên động, thì các thông số của kênh truyền cần phải được nhận biết bởi hệ thống Khi các thông số đã nhận được xác định thì việc còn lại của hệ thống là tính toán nhằm mục đích tối ưu hóa phân bổ tài nguyên nhằm mục đích mang lại những lợi ích hệ thống mong muốn và thỏa mãn những yêu cầu về QoS của các người dung Do vậy trong trương này, học viên đề xuất những nội dung như

Y Thảo luận về bài toán phân bồ tài nguyên trong hệ thống mang * Đưa ra mô hình của hệ thống mạng

Y Đưa ra bài toán tối ưu hóa phân bồ tài nguyên cho hệ thống này 2.2 Thảo luận về bài bài toán phân bo tài nguyên

Phân bổ tài nguyên trong mang vô tuyến là bài toán vô cùng quan trọng Chức năng này giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và tiết kiệm tài nguyên Do đặc

tính của kênh truyền trong mạng viễn thông biến đổi rất nhanh theo thời gian nên

việc phân bồ tài nguyên động rất cần thiết giúp hệ thống hoạt động tốt Ngày nay, các hệ thống viễn thông có rất nhiều loại hình cùng hoạt động trong một miễn tần số

như femtocell, macrocell, picocell, Chính vi vậy việc truyền thông của mạng nay có thể ảnh hưởng đến mạng khác và nhiễu từ mạng này có thê gây ra chất lượng của

mạng khác Dé phân bồ tài nguyên hiệu quả giữa các mang và giữa các link trong hệ

thống thì chúng ta cần phải thực hiện những nhiệm vụ sau đây

7

e Điều kiện kênh truyền của các link trên các tần số thông qua việc ước

lượng kênh.

e Kết hợp các chức năng của các thành phan trong hệ thống dé thực hiện việc phân bồ tài nguyên.

2.2.1 Giới thiệu về việc ưóc lượng kênh truyền

2.2.1.1 Giới thiệu chung

OFDM là giải phápkỹ thuật rất thích hợpcho truyền dẫn vô tuyến tốc độ

cao Tuy nhiên, dé có thé dem áp dụng vào các hệ thống, có ba van dé cần phải

giải quyết khi thực hiện hệ thống sửdụng OFDM: > Ước lượng tham số kênh.

> Đồng bộ sóng mang

> Giảm tỉ số công suất tương đối cực đại PAPR (Peakto Average

Power Ratio)

Kênh suy hao theo tần số chọn lọc và thay đổi theo thời gian là một thách

thức đối với người thiết kế hệ thống truyền thông không dây Việc nhận một tín

hiệu đa sóng mang như OFDM phải thực hiện một vai trò kép đó là ước lượng

kênh và cân bằng kênh Có 3 phương pháp chính dé thực hiện ước lượng kênh:

% Ước lượng kênh dùng tín hiệu Pilot.

% Ước lượng kênh đệ quy.

% Ước lượng kênh bang phương pháp mù.

2.2.2 Tổng quan về việc phân bổ tài nguyên vô tuyến

Mục đích của việc phân bổ tài nguyên trong mang vô tuyến (Radio Resource Management-RRM) nhằm đảm bảo việc sử dụng tài nguyên có sẵn của mạng một

cách hiệu quả.

2.2.2.1 Điều khiển lập lịch các user:Chức năng của module RRC là việc chấp

nhận hoặc từ chối các yêu cầu kết nối cho các users Việc điều khiển lập lịch dựa

vào QoS của users, tình trạng hiện thời của hệ thống, và các yêu cầu về dịch vụ của

hệ thống cũng như user.

2.2.2.2 Điều khiến cấp phát tài nguyên cho user:Chức năng RBC có nhiệm vụ

quản lý, thiết lập, duy trì, và giải phóng tài nguyên Chức năng này cấu hình các tài nguyên tần số dựa vào lượng tài nguyên hiệu có và tình hình sử dụng của các user

cũng như yêu cầu về Qó của các kết nối đang diễn ra cũng như các kết nỗi đang

được yêu cầu Chức năng của RBC có thê kết hợp với việc cấp phép tài nguyên, chuyên giao, etc.

2.2.2.3 Chức năng điều khiển mobility:Chức năng ngày quản lý tài nguyên tan

số trong trạng thái nhàn dỗi hoặc trong tình trạng dang được kết nối Nếu tài nguyên trong trạng thái nhàn dỗi, module này định nghĩa các chuẩn mức và các thuật toán cho việc lựa chọn kết nối với cell nào (cell selection) và việc đăng kí vùng (location

registration) giúp cho các user có thé đăng kí và được phục vụ bởi cell tốt nhất.

2.2.2.3 Quản ly tai nguyên động và lập lịch các gói:Nhiệm vụ của việc phân

bổ tài nguyên động va lập lịch gói tin dé phân bổ và giải phóng tài nguyên (bao gồm cả các khối tài nguyên vật ly) cho các user và điều khiển các gói tin.

2.2.2.4 Cân bang tải:Chức năng cân bang tảigiúp cho hệ thống giải quyết sự không cân bằng về dữ liệu truyền ở các vị trí khác nhau trong hệ thống Ví dụ, trong một mạng nhiều cell, có thể có cell tập trung nhiều user nên có thé cell đó sẽ bị quá tải, trong khi đó các cell lân cận còn thừa nhiều tài nguyên do không có nhiều user kết nối vào hệ thống.

2.3 Các loại phân bo tài nguyên trong mạng D2D communication

Các link D2D trong loại này sử dụng lại tần số của hệ thống cellular Khi sử dụng loại này, thì việc điều phân bố tài nguyên cho cả cellular và D2D phải được điều khiển một cách chặt chẽ Các nhà nghiên cứu tin răng rất khó để quản lý nhiễu trong những tần số không được cấp phép, điều đó dẫn đến khó đảm bảo QoS của

9

các user Việc phân bô tài nguyên của D2D communicaiton được phân làm hai loạicellular user và D2D user dùng chung và cellular user và D2D user dùng riêng.

2.3.1 Mô hình hệ thống

Học viên xét một hệ thong gom một BS được trang bi một antenna (Trong thực tế nếu mỗi BS chia thành nhiều sector thì mỗi sector được coi như là một BS) Trong hệ thống này học viên xét bài toán phân bồ tài nguyên cho cả cellular và D2D links trên đường lên (UL) của hệ thống Giả sử hệ thống gồm có K uplink cellular links trong tap K = {1 K} đã được phân bố sẵn K subchannels trong tập các

subchannel W = {1 K} Ngoài ra, ta giả sử có tập L = {1 L} cặp D2D trong hệ

thống cũng và hoạt động trong chết độ Inband Underlay D2D communication.

Giả sử h¡là channel gain từ transmitter (Tx) của link 1 đến receiver (Rx) của

link ktrén subchannel m Ngoài ra ta có vector /Ø, =|øl - pr | dé diễn tả việc

phan subchannel cho D2D link J, trong đó Ø2 =1 nếu subchannel k được phân cho D2D link 7, nếu subchannel k không được phân cho D2D link / thì Ø =0 Do vậy ta sé cÓ vector 9 =[2,5 5 P| biểu diễn việc phân chia tài nguyên cho tat cả các D2D link trong hệ thống.

Ngoài ra ta phải biểu diễn vector công suất phát của D2D và cellular link.

Giả sử p =|Pc.P Ä là vector biểu diễn công suất phát của tất cả các link trong hệ

thống, trong đó p„= [ Pers “ Dex | là công suất phát cho K cellular link, va Pp =[Đa¡: -.Đøy | > Pov = [ Pir Por | là công suất phát cho D2D link pf, va pi,

lần lượt biểu diễn công suất phát của cellular link & va D2D link / trên subchannel

k Do vậy ta có ti số tín hiệu trên tạp 4m (SINR) cua cellular link k trên subchannel

cua no duoc biéu dién nhu sau:

Ta(P,P) =_ Pelt (1)Ơi + de; Poli

10

Trong đó > ret, Ppt là nhiễu do các D2D link gây ra cho cellular link k

va ơi là nhiễu nhiệt trên subchannel k Tương tự, ta có SINR của D2D link / trên subchannel k có thé được biéu diễn như sau:

_ Pi na (2)

Tốc độ dữ liệu được đo bằng b/s/Hz (được chuan hóa theo băng thông của

một subchannel) của cellular link k ở trên subchannel của nó và D2D link 7 trên

subchannel k được tính toán như sau:

Ré, (p.ø) = log, (1+ F%, (P,P) 6)

Ri, (p.ø) =log, (I+T7„(P.ø)) @

Ngoài ra, tốc độ dữ liệu của D2D link / trên tất cả các tần số được tính toán

như sau:

R„(p.ø)= > PAR (5)

Hơn nữa, năng lượng cần thiết của D2Dlink / trong mỗi lần truyền được tinh

toán như sau:

Đụ = 2h +a oP Poi (6)

Trong đó 2P, là năng lượng cho mạch hoạt động của cả Tx và Rx, a, >1 là hệ số thé hiện sự suy hao năng lượng như sự hiệu quả của bộ khuếch đại hay năng

lượng bi mat qua feders,

2.3.2 Bài toán toi ưu hóa phân bé tài nguyên.

Trong phan này tác giả thảo luận bài toán tối ưu hóa việc phân bồ tài nguyên cho hệ thống D2D communication Đầu tiên, để tối ưu hóa việc phân bồ tài nguyên,

thì QoS cả cellular link phải được đảm bảo như sau:

11