Báo cáo Đồ án môn học device to device (d2d) ứng dụng trong 5g

Trong đó, công nghệ Device-to-Device D2D nổi lên như một phương pháp truyền thông hiệu qu , ảcho phép các thiết bị liên lạc tr c tiự ếp mà không cần đi qua mạng lõi.. Lợi ích và ứng dụng

ĐẠ I HỌC QUỐC GIA HỒ CHÍ MINH –

Đạ i học Khoa học T nhiên ự Khoa Điện tử - Viễn thông

Danh sách nhóm

Table of Contents

Phụ ụ l c tham khảo: 6

Hình nh: ả 6

B ng: ả 6

I Gi i thiớ ệu đồ án 7

I.1 T ng quan v m ng 5G và công ngh D2D: ổ ề ạ ệ 7

I.2 L i ích và ng d ng c a D2D trong 5G: ợ ứ ụ ủ 7

I.3 Thách thức và hướng nghiên cứu: 7

II T ng quan v D2Dổ ề 8

II.1 Khái ni m D2D ệ 8

II.1.a Gi i thích D2D là gì và cách hoả ạt động c a nó.ủ 8

II.1.b So sánh gi a giao ti p D2D và giao ti p truy n th ng thông qua tr m gữ ế ế ề ố ạ ốc 8

II.2 L ch s phát tri n và ng d ng c ị ử ể ứ ụ ủa D2D 9

II.2.a Quá trình phát tri n c a công ngh D2D.ể ủ ệ 9

II.2.b M t s ng d ng th c ti n c a D2D.ộ ố ứ ụ ự ễ ủ 10

II.3 Giao ti p D2D trong 5G ế 10

III Vai trò c a D2D trong m ng 5Gủ ạ 12

III.1 Tăng cường dung lượng mạng .12

III.1.a Giao ti p tr c ti p gi a các thiế ự ế ữ ết b , b qua tr ị ỏ ạm gốc: 12

III.1.b Tái s d ng phử ụ ổ t n c c b : ầ ụ ộ 12

III.1.c Giảm lưu lượng c a các ng d ng th i gian th c và IoT:ủ ứ ụ ờ ự 12

III.2 Gi ảm độ trễ 12

III.2.a Gi m thi u th i gian truy n tín hi u qua tr m g c và m ng lõi:ả ể ờ ề ệ ạ ố ạ 12

III.2.b Giảm độ trễ ử x lý tại các nút m ng trung gian: ạ 12

III.2.c Truyền thông tin nhanh hơn trong phạm vi gần: 12

III.3 H ỗ trợ an toàn công c ng ộ 12

III.3.a Liên l c c u h trong thiên tai:ạ ứ ộ 12

III.3.b C u h trong tòa nhà cao t ng hoứ ộ ầ ặ c h m ngầm: 12 ầ III.3.c K t n i trong h ế ố ệ thống c nh báo cháy và c m biả ả ến môi trường: 12

III.4 ng d ng trong Internet v n v t (IoT) Ứ ụ ạ ậ 13

III.4.a Liên k t trế ực ti p gi a các thi t b g n nhau: ế ữ ế ị ầ 13

III.4.b Tái s d ng phử ụ ổ tần: 13

III.4.d K t h p v i MEC (Mobile Edge Computing):ế ợ ớ 13

III 5 Truyền thông đa tầng và mở rộng phạm vi 13

III.5.a D2D k t hế ợp v i m ng relay (thi t b chuy n ti p): ớ ạ ế ị ể ế 13

III.5.b D2D k t hế ợp v i m ng mesh: ớ ạ 13

III.5.c K t h p c D2D, relay và mesh trong m ng 5G:ế ợ ả ạ 13

III.6 K t lu n: ế ậ 14

IV Thách th c và gi i phápứ ả 14

IV.1 Thách th c ứ 14

IV.1.a V m t k thuề ặ ỹ ật: 14

IV.1.b V mề ặt con người: 15

IV.1.c V m t chính sách:ề ặ 15

IV.1.d Qu n lý tài nguyên: Cách phân b tả ổ ần s ố và băng thông cho D2D 16

IV.2 Gi i pháp kh ả ắc ph c ụ 16

IV.2.a Đối với cá nhân: 16

IV.2.b Đối với tổ chức, doanh nghiệp: 16

IV.2.c S d ng AI và các thu t toán tử ụ ậ ối ưu hóa để qu n lý tài nguyên hi u quả ệ ả 17

V Mô ph ng cho mô hình D2D in 5Gỏ 18

V.1 Lý thuyết: 18

V.1.a Tính toán khoảng cách: 18

V.1.b Path Loss: 18

V.1.c Công su t nhấ ận được: 18

V.1.d Công su t nhiấ ễu 18

V.1.e TÍnh SNR: Tín hi u trên nhi uệ ễ 18

V.1.f Tính BER: 19

V.2 Code mô ph ng, k t qu , nh n xét và phát tri ỏ ế ả ậ ển tương lai 19

V.2.a Code mô ph ng:ỏ 19

V.2.b Nhận xét, đánh giá: 23

V.2.c Hướng phát triển trong tương lai: 24

Tài li u tham kh ệ ảo 26

L ời nói đầ u

Lời đầu tiên xin chào các th y và các bầ ạn!

Hôm nay chúng tôi rất vui được mang đến cho các bạn bản báo cáo dự án về Device (D2D), m t chộ ủ đề ất thú vị r và quan trọng trong lĩnh vực truy n thông k ề ỹ thuật

Device-to-số, đặc biệt là trong hệ thống 5G

Chúng tôi đã thực hiện d ựán này với sự n lỗ c và nhiệự t tình, và chúng tôi r t vui khi có ấ

cơ hội chia sẻ kết quả và phát hiện của mình với các thầy cô và bạn bè

D2D là m t công nghộ ệ truyền thông m nh mạ ẽ cho phép các thiết bị giao ti p trế ực tiếp với nhau mà không c n phầ ải đi qua trạm gốc Công ngh ệ này đặc biệt phù h p cho các ng ợ ứ

d ng truy n thông không dây và h ụ ề ệ thống truyền thông di động, mang lại hiệu su t cao và ấtiết kiệm năng lượng

Báo cáo này gi i thi u nguyên lý hoớ ệ ạt động của D2D, các thành phần chính của nó cũng như những ứng dụng và lợi ích thực tế của công nghệ này trong bối cảnh 5G Chúng tôi

hy v ng r ng báo cáo này s ọ ằ ẽ cung cấp cho giáo viên và h c sinh cái nhìn sâu sọ ắc hơn vềD2D và tầm quan trọng của nó trong các hệ thống truy n thông hiề ện đại

Chúng tôi cũng hoan nghênh những đánh giá và phản hồi của bạn để có thêm động lực và cải thiện

Trước khi bắt đầu, em xin chân thành cảm ơn thầy Quang đã hỗ tr ợvà hướng dẫn quý báu để em hoàn thành đồán này

Chúng tôi hy vọng b n s ạ ẽ thấy báo cáo c a chúng tôi có giá tr và truy n củ ị ề ảm hứng

Cảm ơn tất cả ọi người! m

Phụ lục tham khảo:

Hình ảnh:

Figure 1: K t qu mô ph ế ả ỏng 23 Bảng:

Table 1: So sánh D2D và thông qua tr m g c ạ ố 8 Table 2: Bảng đáng giá thành viên 28

I Giới thiệu đồ án

I.1 Tổng quan về mạng 5G và công nghệ D2D:

Mạng 5G được phát triển nhằm đáp ứng nhu c u kầ ết nối tốc đ cao, độ trễ thấộ p và cải thiện hi u quệ ả năng lượng, m ở ra cơ hội lớn cho các ng d ng hiứ ụ ện đại Trong đó, công nghệ Device-to-Device (D2D) nổi lên như một phương pháp truyền thông hiệu qu , ảcho phép các thiết bị liên lạc tr c tiự ếp mà không cần đi qua mạng lõi

I.2 Lợi ích và ứng dụng của D2D trong 5G:

Công nghệ D2D mang lại nhiề ợi ích trong mạng 5G như tối ưu hóa tài nguyên u l

ph , giổ ảm độ trễ, tăng chất lượng d ch v (QoS) và cị ụ ải thiện hi u suệ ất năng lượng D2D

h ỗ trợ các ứng dụng đòi hỏi tốc đ truyềộ n tải nhanh như dịch v ụ truyền thông kh n c p, ẩ ấchia sẻ n i dung nhanh, và kộ ết nối giữa các thiết bị IoT Nh ng ng d ng này giúp tữ ứ ụ ận

d ng tụ ối đa khả năng của mạng 5G và phục vụ cho các lĩnh vực khác nhau như y tế, giao thông, và công nghiệp

I.3 Thách thức và hướng nghiên cứu:

Dù có nhiều l i ích, viợ ệc triển khai D2D trong mạng 5G còn đối mặt với các thách thức lớn về quản lý tài nguyên, b o mả ật, và điều khiển giao thông để duy trì hiệu năng và chất lượng d ch vụ Đồ án này s nghiên cị ẽ ứu sâu hơn về các phương pháp tối ưu hóa giao thức D2D, tìm hiểu cách tăng cường hiệu suất của mạng 5G và đề xuất giải pháp nhằm

khắc phục các thách thức, từ đó góp phần phát tri n các công ngh truy n thông trong ể ệ ềtương lai

II Tổng quan về D2D

II.1 Khái niệm D2D

II.1.a Giải thích D2D là gì và cách hoạ ộng của nó t đ

D2D (Device-to-Device) là phương tiện liên l c tr c ti p gi a các thi t b mà không ạ ự ế ữ ế ịqua nút trung gian, nó giúp m r ng ph m vi phở ộ ạ ủ sóng di động và tăng cường tái s d ng ử ụ

t n s vô tuy n trong mầ ố ế ạng 5G Đồng th i, D2D còn là công ngh lõi c a liên l c gi a thiờ ệ ủ ạ ữ ết

b v i v n vị ớ ạ ật IoT D2D là phương thức k t n i tr c ti p gi a các thi t b mà không cế ố ự ế ữ ế ị ần qua mạng trung gian như trạm phát sóng di động hoặc bộ đị nh tuy n ế

Quá trình hoạt động c a D2D bủ ắt đầu b ng vi c các thi t b phát hi n và nh n di n ằ ệ ế ị ệ ậ ệ

l n nhau thông qua các công nghẫ ệ như Bluetooth, Wi-Fi Direct ho c NFC Sau khi phát ặ

hi n, thi t b sệ ế ị ẽ thiế ật l p k t n i theo t ng công ngh cế ố ừ ệ ụ thể: Bluetooth ghép đôi, Wi-Fi Direct t o m ng Wi-Fi ng n h n, và NFC k t n i ngay khi ch m hoạ ạ ắ ạ ế ố ạ ặc ở ần nhau Khi đã g

k t n i, d ế ố ữ liệu s ẽ được truyền trực ti p có th là t p tin, tin nh n, hình nh, âm thanh hoế ể ệ ắ ả ặc video tr c tuy n Sau khi truy n xong có thự ế ề ể thủ công ho c tặ ự động ng t kắ ết ốn i gi a các ữthiết bị

II.1.b So sánh giữa giao tiếp D2D và giao tiếp truyền thống thông qua trạ m g ốc

Table 1: So sánh D2D và thông qua tr m g c ạ ố

Giao tiếp D2D Giao tiếp thông qua trạm gốc

Độ trễ Thấp, vì dữ liệu đi trực tiếp giữa các

thiết bị, không qua trung gian

Cao hơn, do dữ ệu phải qua ạm gốli tr c

và các nút mạng trước khi đến thiết bị khác

Phạ m vi k t n ế ối Hạn chế trong phạm vi ngắn Phạm vi rộng hơn, bao phủ toàn bộ khu

vực d ch vụ của trạm g c ị ố

Sử dụng băng

thông

Không sử dụng băng thông mạng di

động hoặc Wi-Fi, giúp giảm tải cho

hệ ống mạng.th

Sử dụng băng thông của mạng di động hoặc Wi-Fi, dễ bị ảnh hưởng khi có nhiều người dùng

Tiêu thụ ít năng lượng hơn do

không phải truyền tín hiệu qua

nhiều nút mạng

Tiêu thụ năng lượng cao hơn khi phải duy trì kết nối v i trớ ạm gốc

Bảo mật Bảo mật có th thể ấp hơn nếu không

mã hóa kết nối; dễ bị tấn công nếu

không an toàn

Bảo mật cao hơn nhờ các lớp mã hóa và quản lý bảo mật từ nhà mạng hoặc mạng Wi-Fi

II.2 Lịch sử phát triển và ứng dụng của D2D

II.2.a Quá trình phát triển của công nghệ D2D

D2D bắt đầu được nghiên cứu vào đầu những năm 2000, khi các công nghệ như Bluetooth và Infrared ra đời, nó cho phép các thiết bị chia sẻ dữ liệu ngay trong khoảng cách gần Đến gi a nhữ ững năm 2000, Bluetooth và Wi Fi đã trở- nên ph bi n, m ra nhiổ ế ở ều ứng dụng giao tiếp không dây thú v trong đờị i sống hàng ngày Năm 2013, 3GPP chính thức tích h p D2D vào tiêu chuợ ẩn LTE, đánh dấu một bước ti n quan tr ng trong ngành ế ọcông ngh mệ ạng di động Kể từ đó, với s phát tri n m nh m c a m ng 5G t ự ể ạ ẽ ủ ạ ừ cuối những năm 2010, D2D đã được cải thiện đáng kể, cho phép k t nế ối nhanh hơn và độ trễ thấp hơn Hiện t i, chúng ta có thạ ể thấy D2D đang được áp d ng r ng rãi trong nhiụ ộ ều lĩnh vực, t ừIoT đến các ứng dụng thông minh trong cuộc sống hàng ngày, điều này thật sự mang lại nhi u ti n ích cho chúng ta ề ệ

II.2.b Một số ứng dụng thự c ti ễn của D2D.

Chia s t p tin: S d ng AirDrop trên iPhone hoẻ ệ ử ụ ặc Nearby Share trên Android, người dùng có th g i nhanh hình nh ho c video cho b n bè gể ử ả ặ ạ ần đó mà không cần k t nế ối internet

Chơi game đa người: Các game như “Call of Duty: Mobile” hoặc “Mario Kart Tour” cho phép người chơi kết nối trực tiếp với nhau thông qua D2D, giúp giảm độ trễ và cải thiện tr i nghiả ệm chơi game

IoT (Internet of Thing): Trong m t ngôi nhà thông minh, c m bi n nhiộ ả ế ệt độ như Nest

ho c Philips Hue có th giao ti p tr c ti p vặ ể ế ự ế ới nhau để ự động điề t u ch nh hỉ ệ thống sưởi

hoặc ánh sáng, tạo ra môi trường tho i mái mà không cả ần trung tâm điều khi n ể

Giao thông thông minh: H ệ thống Vehicle- -Vehicle (V2V) như các xe hơi hiện đại t to ừTesla ho c Ford cho phép các xe chia s thông tin v tình tr ng giao thông, c nh báo tai ặ ẻ ề ạ ả

nạn, và hướng đi để ả c i thi n an toàn ệ

Dịch v y t : Các thi t b y tụ ế ế ị ế như máy theo dõi nhịp tim (như Apple Watch) có thểtruyền dữ ệu s c kh e tr c tili ứ ỏ ự ếp đến smartphone ho c máy tính b ng cặ ả ủa bác sĩ để theo dõi tình tr ng b nh nhân trong th i gian th c mà không c n qua internet ạ ệ ờ ự ầ

II.3 Giao tiếp D2D trong 5G

Công ngh m ng 5G là th h ệ ạ ế ệ thứ năm của di động, tập trung tăng dung lượng m ng ạ

và tốc độ truyền dữ liệu Công nghệ thiết bị-đế thiến- t bị (D2D) đã có từ 4G Advanced) và kỳ v ng 5G s c i thiọ ẽ ả ện vượ ật b c, cung cấp lượng d u g p 1.000 l n, h ữ liệ ấ ầ ỗ

(LTE-trợ người dùng nhiều hơn từ 10-100 lần, tiết kiệm năng lượng gấp 10 lần, và giảm độ ễ 5 tr

D2D là công nghệ triển vọng của 5G, giúp cải thiện kết nối, tốc độ truyền, băng thông, và chất lượng dịch vụ (QoS) Trong 5G, D2D cho phép các thiết bị giao tiếp trực tiếp, không qua hạ tầng mạng, tạo nền tảng cho những bước tiến mới trong công nghệ thông tin và truyền thông

III Vai trò của D2D trong mạng 5G

III.1 Tăng cường dung lượng mạng

III.1.a Giao tiếp trực tiếp giữa các thiế ị, bỏ qua trạ t b m gốc:

D2D cho phép các thiết b ị trao đổ ữ liệi d u tr c ti p mà không c n qua trự ế ầ ạm gốc, giúp gi m t i cho m ng lõi Ví d , tả ả ạ ụ ại mộ ự kiện đông người, ngườt s i dùng có th ể chia sẻ

d u trữ liệ ực tiếp qua D2D, giảm bớt lưu lượng qua m ng chính ạ

III.1.b Tái sử dụng phổ tần cục bộ :

Các thiết bị giao ti p g n nhau có th chia s ph t n mà không gây nhi u, giúp ế ầ ể ẻ ổ ầ ễ

m ng 5G phân b tài nguyên hi u qu ạ ổ ệ ả hơn

III.1.c Giảm lưu lượng của các ứng dụng thời gian thực và IoT:

D2D giúp các thiết b IoT liên l c trị ạ ực tiếp, giảm tải cho mạng lõi, đặc biệt hữu ích cho các ứng d ng th i gian th c và IoT trong nhà thông minh hoụ ờ ự ặc công nghiệp

III.2 Giảm độ trễ

III.2.a Giảm thi ểu thời gian truyền tín hiệu qua trạ m g ốc và mạng lõi:

Kết nối D2D gi m s ả ố bước xử lý và truyền tải, t ừ đó giảm độ trễ t ng th ổ ể cho các

ứng dụng yêu cầu phản h i t c thì ồ ứ

III.2.b Giảm độ ễ xử tr lý t ại các nút mạng trung gian:

Dữ liệu được truyền tải nhanh chóng mà không qua các l p x lý trung gian ớ ử

III.2.c Truyền thông tin nhanh hơn trong phạ m vi g ần:

D2D cho phép liên lạc trực tiếp giữa các thiết b gị ở ần nhau, đặc bi t h u ích trong ệ ữgiao thông thông minh hoặc các thiết bị IoT trong nhà thông minh

III.3 Hỗ ợ an toàn công cộtr ng

III.3.a Liên lạ c c ứu hộ trong thiên tai:

D2D duy trì kết n i giố ữa các độ ứu h i c ộ và ngườ ặp n n khi m ng chính b gián i g ạ ạ ịđoạn

III.3.b Cứu hộ trong tòa nhà cao tầng hoặc hầm ngầm:

D2D cho phép các thiết b ị liên ạl c trong các khu vực không có mạng, h ỗ trợ ệc vitruyền tải vị trí của người gặp n n nhanh chóng ạ

III.3.c Kết nối trong hệ ống cảnh báo cháy và cả th m bi ến môi trường:

Các cảm biến có th truy n d u qua D2D trong các tình hu ng kh n c p, giúp ể ề ữ liệ ố ẩ ấcập nhật thông tin về mức độ nguy hiểm và hướng an toàn

III.4 Ứng dụng trong Internet vạn vật (IoT)

III.4.a Liên kế t tr ực tiếp giữa các thiế ị gần nhau: t b

D2D cho phép các thiết b ị IoT thiết lập kênh liên lạc trực tiếp, rất hữu ích cho các ứng dụng IoT yêu cầu phản h i nhanh ồ

III.4.b Tái sử dụng phổ tần:

Các thiết bị IoT có thể giao ti p qua D2D trên mế ột d i tả ần riêng, gi m áp lả ực lên trạm gốc

III.4.c Mạng lưới ngang hàng (Peer- -Peer Network): to

Các thiết bị IoT có thể ạ t o thành m ng ngang hàng qua D2D, giúp duy trì kạ ết n i ốtrong các khu vực không có m ng lõi ạ

III.4.d Kết hợp với MEC (Mobile Edge Computing):

D2D và MEC giúp giảm tải cho m ng lõi và cạ ải thiện hi u suệ ấ ử lý d t x ữ liệu, h ỗtrợ giám sát giao thông và quản lý năng lượng hiệu quả

III 5 Truyền thông đa tầng và mở rộng phạm vi

III.5.a D2D kế ợp vớ t h i m ạng relay (thiết bị chuyển tiếp):

Vai trò: Khi không thể kết nối trực tiếp, các thiết bị IoT có th truy n d u qua ể ề ữ liệthiết bị relay gần đó

Lợi ích: M r ng ph m vi kở ộ ạ ết nố ối ưu băng thông và tiết kiệm năng lượng, tăng i, t

độ tin cậy cho mạng

Ví dụ: Trong khu vực nông thôn ho c bặ ị thiên tai, các c m bi n IoT s d ng thiả ế ử ụ ết

b ị relay để duy trì kết n i dù không có mố ạng chính

III.5.b D2D kế ợp vớ t h i m ạng mesh:

Vai trò: Tạo nhi u k t nề ế ối trực tiếp gi a các thiữ ết bị IoT g n nhau, giúp d u ầ ữ liệđược truyền theo đường truyền tối ưu

Lợi ích: Tăng khả năng chịu lỗi, c i thiả ện phạm vi và độ bao ph , phù h p cho các ủ ợ

m ng IoT quy mô lạ ớn như thành phố thông minh

Ví dụ: Trong mạng lưới chiếu sáng thông minh, các đèn đường kết nối qua D2D mesh, giúp duy trì hoạt động ngay khi có thiết bị gặp sự cố

III.5.c Kết hợp cả D2D, relay và mesh trong mạng 5G:

Ứng dụng: Trong giao thông thông minh, các xe tự hành và cảm biến giao thông

Trong nhà máy thông minh: Các thiết bị IoT kế ối qua mt n ạng D2D mesh để chia

s d u s n xuẻ ữ liệ ả ất, sử ụng relay để d duy trì kết nối, giúp tối ưu hóa hoạt động của nhà máy

III.6 Kết luận:

Việc k t hế ợp D2D v i m ng relay và mesh giúp tớ ạ ối ưu hóa kế ối và m r ng kh t n ở ộ ảnăng ứng dụng trong mạng IoT, tạo ra mạng lưới tin cậy và linh hoạt cho các khu vực đông đúc, xa xôi hoặc môi trường công nghiệp

một trong những mối đe doạ an toàn thông tin nghiêm tr ng Các cuọ ộc tấn công này rất khó b phát hi n theo các cách thị ệ ức và kỹ thuật thông thường

Các thiết bị Device to Device thường có năng lượng, b nh và khộ ớ ả năng xử lý

h n ch , khó tích hạ ế ợp các cơ chế ả b o m t phậ ức tạp D dàng tr thành mễ ở ục tiêu tấn công của các cuộc tấn công DoS, làm gián đoạn dịch vụ và gây mất kết n i Các cuố ộ ấn công c ttrung gian (Man-in the- -Middle) xảy ra khi k tẻ ấn công chăn và thay đổi thông tin truyền

giữa hai thiết bị mà không b phát hi n Vi c tri n khai các bi n pháp b o mị ệ ệ ể ệ ả ật phức tạp

và c p nh t, vá lậ ậ ỗi kịp thời để ngăn chặn các l h ng b o mỗ ỗ ả ật vẫn là một thách thức cần

phải đối diện liên t c ụ

Ví dụ:

Tấn công Man-in-the-Middle (MitM), lý do không phát hiện: N u không có mã ếhóa hoặc chứng th c hai chi u, hự ề ệ thống b o mả ật có thể không nh n ra r ng có mậ ằ ột kẻ ấ t n công đang tham gia trong cuộc trò chuy n ệ

Tấn công Zero-day, lý do không phát hi n: Do l hệ ỗ ổng chưa được biết đến, h ệthống bảo mật không có dấu hiệu nào để nhận diện tấn công

Tấn công DDoS (Distributed Denial of Service), lý do không phát hi n: Mệ ột số ệ h thống có thể không có khả năng phân tích lưu lượng mạng m t cách chi tiết, dẫn đến việc ộkhông nh n diậ ện được lưu lượng bất thường