Công nghệ d2d trong hệ thống LTE a

Công nghệ D2D hệ thống LTE-A LỜI CAM ĐOAN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể thầy cô Viện Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo môi trường thuận lợi sở vật chất chuyên môn trình thực đề tài Tôi xin cảm ơn thầy cô Viện Đào tạo sau đại học quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho học viên có điều kiện thuận lợi để học tập nghiên cứu Và đặc biệt xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Ngọc Văn tận tình bảo, định hướng khoa học hướng dẫn, sửa chữa cho nội dung luận văn Tôi xin cam đoan nội dung luận văn hoàn toàn tìm hiểu, nghiên cứu viết Tất thực cẩn thận có định hướng sửa chữa giáo viên hướng dẫn Tôi xin chịu trách nhiệm với nội dung luận văn Tác giả Đào Xuân Hoàng Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang Công nghệ D2D hệ thống LTE-A MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ 10 PHẦN MỞ ĐẦU 12 CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 14 1.1 Hệ thống thông tin di động 14 1.1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động 14 1.1.2 Xu hướng công nghệ 22 1.1.2.1 Công nghệ OFDM OFDMA 23 1.1.2.2 Công nghệ MIMO 25 1.1.2.3 Công nghệ trạm lặp 30 1.2.1.4 Công nghệ CoMP 35 1.1.3 Những vấn đề tồn hệ thông tin di động 35 1.2 Nội dung nghiên cứu 37 1.3 Kết luận 39 CHƯƠNG CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG D2D TRONG HỆ THỐNG LTE-A 40 2.1 Giới thiệu chung 40 2.2 Chuẩn 3GPP cho công nghệ D2D LTE-A 41 2.3 Các khối chức D2D mạng LTE-A 41 2.3.1 Lớp giao thức điều khiển kênh mang 43 2.3.2 Kiến trúc tham chiếu D2D 45 2.3.3 Cấu trúc khung giao tiếp D2D 46 2.3.4 Đồng 47 2.3.5 Đo đạc kênh 47 2.3.6 Điều khiển công suất 48 2.4 Các cách kết nối D2D mạng 49 2.5 Mô Hình truyền thông D2D 51 2.6 Lựa chọn phương thức truyền thông D2D 58 Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang Công nghệ D2D hệ thống LTE-A 2.7 Kết Luận 62 CHƯƠNG TỐI ƯU CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN D2D TRONG HỆ THỐNG LTE-A 63 3.1 Giới thiệu chung 63 3.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến 64 3.2.1 Lý thuyết tro chơi 67 3.2.2 Mô hình quản lý tài nguyên chế đấu giá 69 3.2.3 Thuật toán cấp phát tài nguyên 73 3.2.4 Phân tích thuật toán cấp phát tài nguyên dựa vào đấu giá 78 3.2.5 Kết mô kết luận 78 3.3 Kết Luận 84 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ĐỀ XUẤT 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang Công nghệ D2D hệ thống LTE-A DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3G 3GPP AFH AMC AMP AoA AoD AP API ARQ AWGN BLE BLER BSS CA CDF CDM CFO CoMP CP CQI C-RNTI CSI CSIT CSMA/CA DL DM-RS DPO DRX DTX D2D EEMS EPC eNB ESM Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Third Generation 3rd Generation PartnershipProject Adaptive Frequency Hopping Adaptive Modulation and Coding Alternative MAC/PHY Angel of Arrival Angel of Departure Access Point Application Programming Interface Automatic Repeat Request Additive White Gausesian Noise Bluetooth Low Energy Block Error Rate Base Station Subsystem Combinatorial Auction Cumulative Distribution Function Code Divition Multiplexing Carrier Frequency Offset Coordinated Multipoint Cyclic Prefix Channel Quality Indicator Cell Radio Network Temporary Identifier Channel State Information Channel State Information at the Transmitter Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Downlink Demodulation RS Distributed Power Optimization Discontinuous Reception Discontinuous Transmission Device to Device Exponential Effective Signal to Interface plus Noise Ratio Mapping Evolved Packet Core eNodeB Effective SINR Mapping Trang Công nghệ D2D hệ thống LTE-A E-UTRA E-UTRAN FEC FDD FDMA GPS GSM HARQ HeNB IBSS I-CA ICI ICIC IMT InH IoT ISI ISM ITE ITE-R LTE LTE-A LoS L2 L3 MAC MCI MCS MCN MIMO MIESM MNO NFC NLOS OFDM Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Evolved Universal Terrestrial Radio Access Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network Forward Error Correction Frequency Division Dupplexing Frequency devision Multiple Access Global Positioning System Global System for Mobile Communications Hybrid Automatic Repeat Request Home eNode B (Over E-UTRAN) Independent Basic Service Set Iterative Combinatorial Auction Inter-Carrier Interference Inter-Cell Interference Coordination International Mobile Telecommunications Indoor Hotpot Internet of Things Inter-Symbol Interference Industrial Scientific and Medical International Telecommunication Union ITE Radiocommunication Sector Long Term Evolution Long Term Evolution Advanced Line of Sight Layer2 Layer3 Media Access Layer Maximum Channel to Interference Ratio MAP Communication Server Multihop Cellular Network Mulple-Input Multiple-Output Mutual Information Effective SINR Mapping Mobile Network Operator Near Field Communication Non Line of Sight Orthogonal Frequency Division Multiplexing Trang Công nghệ D2D hệ thống LTE-A OFDMA PAPR PBCH PCFICH PDCCH PF PFS PHICH PMI ProSe PRACH PSD PSS PUSCH PUCCH QoS RACH RAN1 RAR RA-RNTI RB RF RI RIT RMA RRC RS Rx SAC SAE SC-FDMA SIG SINR SISO SRIT SRS SSL Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Orthogonal Frequency Division Multiple Access Peak to Average Power Ratio Physical Broadcast Channel Physical Control Format Indicator Channel Physical Downlink Control Channel Proportional Fair Proportional Fair Scheduling Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel Precoder Matrix Indicator Proximity-Based Services Physical Random Access Channel Power Spectral Density Primary Synchonization Signal Physical Uplink Shared Channel Physical Uplink Control Channel Quality of Service Random Access Channel Radio Access Network Working Group Random Access Response Random Access Radio Network Temporary Identifier Resource Block Radio Frequency Rank Indicator Radio Interface Technologies Rural Macro Radio Resource Control Reference Signals Receiver Set-based Admission Control System Architecture Evolution Single Carrier Frequency Division Multiple Access Special Interest Group Signal to Interference plus Noise Ratio Single-Input Single-Output Sets of Radio Interface Technologies Sounding Reference Signal Secure Sockets Layer Trang Công nghệ D2D hệ thống LTE-A SSS STA S-TMSI TDD TDM TDMA TSG TTI Tx UE UL UMa Umi UPnP VoIP WAN Wi-Fi WBAN WIMAX WLAN WPAN ZC Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Secondary Synchronization Signal Station SAE Temporary Mobile Subscriber Identity Time Division Duplex Time Division Multiplexing Time Devision Multiple Access Technical Specification Group Transmission Time Interval Transmitter User Equipment Uplink Urban Macro Urban Micro Universal Plug and Play Voice over IP Wide Area network Wireless Fidelity Wireless Body Area Network Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless Local Area Network Wireless Personal Area Network Zadoff Chu Trang Công nghệ D2D hệ thống LTE-A DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa Ví dụ Chữ thường, in nghiêng Chữ thường, in nghiêng, đậm Chữ hoa, in đậm Chữ hoa, in nghiêng Biến số Vetor Ma trận Công suất anten thu N, anten phát M Ma trận nghịch đảo x, n, m, i x, s H P, N, M (.)-1 Phương sai tạp âm E{.} Phép toán lấy vết ma tr (.) trận Phép toán chuyển vị (.) H Phép tính kỳ vọng H-1 E{nnH} tr (H) Hermitian HH Ma trận đường chéo kích IK Ma trận đơn vị bậc K IN 0N Vec tơ không 0N hi,j Phần tử i,j ma trận H h1,1 Tập ma trận kích thước M, CMxN N với giá trị phức CM truy nhập CMAC quảng bá CBC Vùng dung lượng kênh đa CMAC Vùng dung lượng kênh CBC Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 M Trang Công nghệ D2D hệ thống LTE-A DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh tham số hệ mạng thông tin di động….……15 Bảng 2.1 Các thông số mô chính………………………………… ………….53 Bảng 2.2 Mô Hình suy hao đường truyền……………………………………………53 Bảng 2.3 Hàm Xác suất Tầm nhìn thẳng LOS………………………………… … 54 Bảng 2.4 Thông số OFPC…………………………………………………………….55 Bảng 3.1 Các thông số mô phỏng…………………………………….…………… 79 Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang Công nghệ D2D hệ thống LTE-A DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động 14 Hình 1.2 Kiến trúc hệ thống tiến hóa từ GSM UMTS tới LTE……………….… 17 Hình 1.3 Kiến trúc hệ thống mạng LTE-A…………………………………….….….18 Hình 1.4a Chồng giao thức điều khiển LTE-A………………………………… … 19 Hình 1.4b Chồng giao thức người dùng LTE-A………………………………….….19 Hình 1.5 Kiến trúc mạng lõi LTE-A………………………………… ………….… 20 Hình 1.6 Công nghệ đa ăng-ten……… ………………………………………… 25 Hình 1.7 Minh họa hệ thống MIMO xác định…………………………… … 26 Hình 1.8 Dung lượng Ergodic hệ thống MIMO xác định………………… 27 Hình 1.9 Công nghệ trạm lặp……………………… ……………………………… 30 Hình 1.10 Dải phổ làm việc hệ thống 3G/4G khuyến nghị ITU 2007….31 Hình 1.10 Hệ thống di động triển khai cới node mạng chuyển tiếp…… 32 Hình 1.11 Hệ thống thông tin relay với ba node………………….…………….… 32 Hình 1.12 Công nghệ phối hợp truyền dẫn đa điểm CoMP……………….…….… 35 Hình 2.1 a, Kiến trúc mạng lõi cho D2D b, kiến trúc mạng truy nhập cho D2D… 43 Hình 2.2 Khối chức mạng tiến hóa LTE-A………… ……………………… 43 Hình 2.3 Lớp giao thức điều khiển cho D2D……………………………………… 44 Hình 2.4 Lớp giao thức liệu cho D2D…………………………………………….45 Hình 2.5 Kiến trúc LTE-A tăng cường cho D2D…………………………………….46 Hình 2.6 a, Kiến trúc khung D2D Cell b, Thích ứng kênh……………………….47 Hình 2.7 Thủ tục chuyển giao kênh………………………………………………….48 Hình 2.8 Giao tiếp D2D chuẩn 3GPP………………………………….………51 Hình 2.9 Mô Hình truyền thông D2D……………………………… …………… 52 Hình 2.10 Phân bố SINR truyền thông D2D với L = 25m đường xuống……….56 Hình 2.11 Phân bố SINR truyền thông D2D với L = 25m đường lên………… 56 Hình 2.12 Phân bố SINR truyền thông D2D điều khiển công suất L = 25m đường xuống…………………………………………………… 57 Hình 2.13 Phân bố SINR truyền thông D2D điều khiển công suất L = 25m đường xuống………………………………………….………….57 Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 10 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A *Khởi tạo: BS thu thập thông tin vị trí cặp D2D Định giá đơn vị tài nguyên thứ c cho gói k vc(k), c = 1, 2, …,C, k = 1, 2,…N đưa theo công thức (3.14) Chỉ số vòng lặp t = giá khởi điểm P0(d), giá giảm cố định Λ * Thuật toán cấp phát tài nguyên Nhà đấu giá c đệ trình (Dk,Pc(k)) phụ thuộc vào độ sử dụng Nhà đấu giá c cho gói Dk miễn Uc(k) >= 0, công thức (3.24) Nếu Uc(k) < 0, nhà đấu giá c lấy {ϴ, 0} Nếu tồn d  Dk thõa mã bct (k)  Bt , Dk  bct (k) , BS đặt t = t + 1, pt+1(d) = pt(d) – Λ với d mục cung, đấu giá chuyển tới vòng Quay lại bước BS nhận đấu giá cho tất nhà đấu giá t t 1) Tồn bc1 (k)  bc2 (k)  {,0}(c1  c2 , k {1, 2, , N}); t t t t 2) Tồn bc1 (k1 )  {Dk1 , Pc1 (k1 )}, bc2 (k )  {Dk2 , Pc2 (k )} Nếu điều kiện hai điều kiển bước thõa mãn, chuyển tới bước Nếu có, cầu vượt cung cho hạng mục BS đặt pt(d) = pt(d) + δ, δ = Λ/i, i nhân tố tự nhiên Chuyển bước Cấp phát xác định cách lặp lại bước Đâu giá tiếp tục tất liên kết D2D đấu giá xong cho môi kênh Cell giành gói 3.2.4 Phân tích thuật toán cấp phát tài nguyên dựa vào đấu giá Trong phần này, luận văn phân tích đặc tính quan trọng cho chế cấp phát tài nguyên mà luận văn đề nghị (1) Cheat-Proof Như định nghĩa tổng quát, Cheat-Proof phản hồi tốt người thầu tới báo cáo yêu cầu xác vòng đấu giá Định đề Thuật toán cấp phát tài nguyên dựa vào I-CA ngược cheat-proof Proof từ (3.18), thấy độ sử dụng người thầu Uc(k) phụ thuộc vào định giá gói đấu giá đơn vị giá Cụ thể, nhiều (giữa giao tiếp D2D Cell) ảnh hưởng trực tiếp tời độ sử dụng Biểu thức phức tạp để giải quyết, không tính tổng quát, luận văn xem xét trường hợp đóng góp vào Độ sử dụng người thầu c viết lại sau Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 75 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A Uc (d)  log (1  PB h 2Bc Pd h dd )  log (1  ) 2 Pd h dc  N0 PB h Bd  N0  log (1  (3.22) PB h 2Bc )  p t (d), N0 Biểu thức vi phân độ sử dụng với biến hdc hBd biếu diễn sau Uc (d) 2Pd h dc PB h Bc 0, ta nhận xc(k) Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 76 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A = Tương tự nhiều nhà thầu đấu giá cho món, thuật toán cấp phát cách xử lý giá tăng dần với bước δ <  Để thõa mãn C   x (k)  Dk :dDk c 1 c (3.21), gói bán nhiều lần Vì thế, với số lượng hữu hạn gói N, số lần lặp hữu hạn, thuật toán đề nghị hội tụ (3) Giá đơn điệu Trong trò chơi I-CA, giá cập nhật số cách, ví dụ tăng đơn điệu, giảm đơn điệu không đơn điệu Ở đây, đồ án tập trung vào giá không đơn điệu đề nghị thuật toán I-CA Định đề Trong đấu giá giá giảm đề nghị, giá tăng vòng cần thiết để phản ánh tình hình cạnh tranh Hơn nưa, mang lại cải thiện đáng kể Proof Từ thuật toán đề nghị phần trên, ta thấy tông tình có nhiều nhà thầu đệ trình gói thầu cho gói gói khác giao giá giảm xuống tới số giá trị Nhưng đấu giá không cho phép giành lấy nhiều nhà đấu gias yêu cầu (3.21) Trong trường hợp này, tăng giá tương ứng với lượng tăng δ =  / i làm cho người đấu giá kiểm duyệt lại hàm lợi ích Với số bước lặp hữu hạn, chiến thắng hội tụ vào nhà đấu giá Khi trình xử lý giá tăng tối đa hóa lợi tức (3.22), việc cấp phát có độ hiệu cao cấp phát ngẫu nhiêu tình (4) Độ phức tạp Như đươc nêu ra, CAP truyền thống vấn đề NP, giải pháp thông thường giải pháp tìm kiếm vét cạn Ta đặt số lượng cấp phát m số nhà người thầu n Với thuật toán tối ưu hóa vét vạn, cấp phát với n khả Vì thế, tất m cấp phát với nm khả Độ phức tạp thuật toán biểu thị bỏi O(nm) Trong chế I-CA đề nghị, người thầu tiết lộ toàn hàm lợi ích, họ tính toán định giá cho tất gói có thể, sô khả C1m  C2m   Cnm  2m  Nếu số vòng lặp t độ phức tạp chế đấu giá O(n(2m - 1) + t) Từ thuật toán đề nghị có pt(d) = p0(d) -  , t  Với trường hợp xấu t = p0(t)/  Một cách Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 77 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A hiển nhiên với giá trị m n đủ lớn, giá trị p0(d)  có độ phức tạp nhỏ nhiều cách sử dụng chế I-CA ngược Vì O(n m )  O(n(2m 1)  p0 (d) / ) Nếu ép buộc số lượng cặp D2D chia kênh độ phức tạp giảm xuống nhiều O(n.m  p0 (d) / ) (5) Quá tải báo hiệu Trong hệ thống LTE-A có truyền thông D2D, BS điểm điều khiển cấp phát tài nguyên thị tín hiệu kênh CSI phải có BS cho chế mà luận văn đề xuất Để nhận biết, phản hồi CSI điều khiển tín hiểu truyền, chế I-CA ngược không cần thêm tín hiệu báo hiệu khác so snhs với chế cấp phát tài nguyên khác chế tối đa hóa sóng mang nhiễu (Mã C/I – Maximum Carrier to Interface), chế cần đến CSI toàn cục để tối ưu hiệu hệ thống Khi bắt đầu trình cấp phát, máy phát cần gửi gói chứa tín hiệu nhận diện Sau đó, CSI nhận đầu cuối D2D hay đầu cuối Cell phản hồi lại BS Sau đó, trình lặp lại BS không cần có tín hiệu trao đổi nốt mạng tín hiệu điều khiển gửi Các phương pháp nén CSI phản hồi gây lụt tín hiệu giúp giảm tải báo hiệu Thêm vào đó, nghiên cứu truyền thông D2D xem xét vài chế giới hạn số cặp D2D chia kênh truyền giới hạn khoảng cách, cách hiển nhiên giảm báo hiệu Nhưng khuôn khổ luận văn, mục tiêu giành giải pháp tối ưu tối nhất, không xem xét tối giản hóa 3.2.5 Kết mô kết luận Các thông số cho mô bảng 3.2 Như hinh 3.1, mô thực Cell đơn Mô Hình suy hao đường truyền pha-đing bóng xem xét cho liên kết D2D Đường truyền mô Hình theo mô Hình kênh WINNER II [19], kenh D2D dựa vào kịch văn phòng/ nhà kênh Cell dựa vào kịch Cell nhỏ thành thị Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 78 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A Tham số Giá trị Cell Mật độ phổ nhiễu Cell tách biệt, Sec-tơ Thiết bị người dùng phân bố phạm vi 500m Từ trạm gốc -174dBm/Hz Băng tần Mhz Chỉ số nhiễu 5dB BS/ dB thiết bị Khuôn mẫu tăng ích ăng-ten BS: 14dBi; Thiết bị: đẳng hướng dBi Bán kính 5m Công suất phát BS: 46dBm; Thiết bị: 23 dBm Vùng, phạm vi Bảng 3.1 Các tham số mô (1) Dung lượng tổng hệ thống Tốc độ tổng với số lượng cặp D2D số lượng đơn vị tài nguyên sử dụng thuật toán đấu giá đề nghị minh họa hình 3.2 đến hình 3.4 Tốc độ tổng theo công thức (3.9) Từ hình 3.9 ta thấy tốc độ tổng tăng lên số lượng cặp D2D tăng số tài đơn vị tài nguyên tăng Một mặt, số lượng tài nguyên cố định, nhiều UE D2D đóng góp vào việc tăng tốc độ tổng hệ thống Mặt khác, với số lượng tài nguyên tăng lên, khả tài nguyên gây nhiễu lên liên kết D2D cấp phát giảm xuống dẫn đến tốc độ tổng tăn lên Hiện tượng tương tự hiệu ứng phân tập đa người dùng Đương nhiên, UE bình thường mạng góp phần làm tăng tốc độ tổng Từ góc nhìn khác, hình 3.2 – hình 3.4 tốc độ tổng ứng với thuật toán khác Tối ưu đầy đủ mô với phương thức tìm kiếm hết khía cạnh cho tốc độ tổng cao Kết mô kết R-I-CA I-CA suy giảm, với số lượng cặp D2D chia tài nguyên tần số với UE Cell bị ép xuống R-I-CA đại diện cho hiệu thuật toán I-CA ngược đề xuất, cuối kết mô thuật toán lựa chọn ngẫu nhiên tài nguyên phổ Trước tiên thấy thuật toán đấu giá đề xuất tương đối cao phương thức cấp phát cài nguyên ngẫu nhiên Thứ hai, cấp phát tối ưu có kết cao nhất, độ chênh Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 79 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A lệch so với R-I-CA không nhiều, đặc biệt số đơn vị tài nguyên tăng lên hình 3.4 Thêm nữa, thất hiệu R-I-CA suy giảm xấp xỉ với R-I-CA dùng tám đơn vị tài nguyên, khác nhiều dung hai đơn vị tài nguyên hình 3.3 Nguyên nhân tượng R-I-CA suy giảm hạn chế số cặp D2D truy nhập vào mạng số đơn vị tài nguyên nhỏ số cặp D2D, lượng lớn dung lượng không dùng (2) Hiệu hệ thống Chúng ta định nghĩa hiệu hệ thống    / opt với opt tốc độ tối ưu đầy đủ hình 3.5 hiệu hệ thống với số cặp D2D số đơn vị tài nguyên khác Kết mô thuật toán đề xuất cấp hiệu hệ thống cao (giá trị nhỏ η xấp xỉ 0.7) Hơn nữa, hiệu ổn định với thông số người dùng tài nguyên khác Ở điểm khác, hiệu ổn định 0.9, phản ánh bước tăng nhỏ thuật toán đề xuất chế tìm kiếm đầy đủ Trên thực tế, quy luật giảm giá xác định nhà đấu giá có giá thầu cao hạng mục để thắng gói tương ứng, từ tối đa hóa độ lợi toàn cục Dù vậy, bước nhảy tránh khỏi thuật toán đặc biệt theo công thức xấp xỉ toàn cục (3) Tính đơn điệu giá Hình 3.6 minh họa ví dụ tính đơn điệu giá chế I-CA ngược Bốn đường cong đại diện cho bốn đơn vị giá bốn cặp D2D Đơn vị giá cặp D2D tăng dần trình đấu giá Khi bước 𝛿 lớn nhiều so với bước giảm  , tượng tăng giá khó để nhận biết Khi bán hết, giá chúng cố định giá bán Như từ hình vẽ, ta tìm cặp D2D cặp cuối bán Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 80 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A Hình 3.2 Tốc độ tổng hệ thống dùng thuật toán cấp phát tài nguyên khác dùng tám đơn vị tài nguyên Hình 3.3 Tốc độ tổng hệ thống dùng thuật toán cấp phát tài nguyên khác dùng hai đơn vị tài nguyên Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 81 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A Hình 3.4 Tốc độ tổng hệ thống dùng thuật toán cấp phát tài nguyên khác dùng bốn cặp D2D Hình 3.5 Hiệu hệ thống với cặp D2D số đơn vị tài nguyên khác Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 82 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A Hình 3.6 Hiệu hệ thống với cặp D2D số đơn vị tài nguyên khác Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 83 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A 3.3 Kết Luận Với mục tiêu xây dựng toán tối ưu điều khiên công suất, quản lý tài nguyên vô tuyến tích hợp truyền thông D2D vào Cell, nội dung chương luận văn tập trung nghiên cứu mô Hình điều khiển công suất, quản lý tài nguyên hệ thống truyền thông D2D Các toán tối ưu thực dựa vào lý thuyết trò chơi, sâu vào thuật toán đấu giá tổ hợp lặp I-CA Trong Chương luận văn nghiên cứu phương thức giảm thiểu hiệu nhiễu người dùng D2D với người dùng Cell thông thường, để tăng cường tốc độ tổng hệ thống mạng có Truyền thông D2D Luận văn đề xuất thuật toán đấu giá tổ hợp lặp ngược chế để cấp phát tài nguyên cho truyền thông D2D với nhiều cặp người dùng khác Luận văn xây dựng giá trị cho cặp D2D cho đơn vị tài nguyên, sau giải thích chi tiết thuật toán dựa vào hàm chức lợi ích Quá trình xử lý giá giảm lặp không đơn điệu mô hình hóa phân tích, hội tụ qua số bước cố định có độ phức tạp thấp Kết mô tốc độ tổng hệ thống tăng lên với số lượng cặp D2D số đơn vị tài nguyên dùng Cấp phát tài nguyên sử dụng Thuật toán đấu giá luận văn đề xuất có hiệu nhiều so với việc cáp phát tài nguyên thông thường mang lại cho hệ thống hiệu cao, ổn định với nhiều tham số người dùng tài nguyên khác Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 84 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ĐỀ XUẤT Trong luận văn này, trình bày tóm tắt lịch sử phát triển hệ thông tin di động từ hệ thông tin di động 1G đến hệ thông tin di động 4G (LTE-A) Luận văn đánh giá hạn chế tồn hệ thông tin di động dựa tiêu chuẩn công nghệ hệ thống khả triển khai ứng dụng dịch vụ hệ thống di động qua giai đoạn lịch sử Luận văn tóm lược xu hướng phát triển công nghệ cho hệ thống tin di động hệ rõ nhu cầu số lượng chất lượng dịch vụ truyền thông người sử dụng ngày cao, đòi hỏi hệ thống thông tin di động hệ phải có tốc độ truyền liệu cao hơn, kênh liên kết đảm bảo có độ tin cậy lớn, hạn chế nhiễu sử dụng hiệu nguồn tài nguyên vô tuyến Do nhà khoa học giới bắt tay nghiên cứu ứng dụng công nghệ tiên tiến MIMO, OFDM/OFDMA, Relay mạng LTE-A nhằm mở rộng dung lượng hệ thống, tăng tốc độ đường truyền đảm bảo cung cấp dịch vụ truyền thông tốt cho người sử dụng theo tiêu chí tiết kiệm chi phí đầu tư mở rộng mạng lưới sử dụng tối ưu nguồn tài nguyên vô tuyến Luận văn đề cập đến vấn đề tồn liên quan đến quản lý cấp phát tài nguyên vô tuyến, hạn chế nhiễu đồng kênh liên kênh, tối ưu điều khiển công suất…của công trình nghiên cứu kết hợp công nghệ tiên tiến MIMO, OFDM/OFDMA, Relay cho mạng LTE-A, để từ có sở thúc đ y cho việc nghiên cứu toán tối ưu điều khiển công suất kết hợp tăng cường trạm lặp MIMO Cell, nhằm tối ưu dung lượng Cell, nội dung đóng góp Luận văn Trong chương 2, Luận văn giới thiệu tảng công nghệ D2D hệ thống mạng di động giới thiệu Việc tích hợp D2D vào mạng di động nghiên cứu thập kỷ trước chưa nhận quan tâm xứng đáng, Mặc dù vài nghiên cứu, giao tiếp D2D trực tiếp đưa để thay phương thức giao tiếp UL/DL thiết bị gần nhau, việc dùng phương thức D2D nhiều giới hạn trước đời mạng 4G thiết bị thông minh Luận văn đưa mô Hình truyền thông D2D Cell hệ thống LTE-A, xem xét phân tích tỉ số Tín hiệu tạp âm cộng nhiễu với trường hợp khoảng cách thiết bị D2D khác Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 85 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A khoảng cách cặp D2D đến trạm gốc BS khác Luận văn đưa nghiên cứu so sánh phương thức lựa chọn truyền thông D2D mạng với ba phương thức: Phương thức Cel, Phương thức Ép (FORCE) phương thức tính toán suy hao đường truyền (PL) với hệ thống nhiều người dùng nhiều Cell với mô Hình mô dựa vào kênh WINNER II Bằng cách điều khiển công suất, D2D SINR giảm xuống, góp phần vào làm cho nhiễu hệ thống Cell thấp Trong Chương 3, luận văn áp dụng lý thuyết trò chơi để giải toán cấp phát tài nguyên vô tuyến tối ưu hóa hệ thống Luận văn xây dựng công thức, mô Hình đấu giá tổ hợp lặp tuần hoàn để cấp phát phổ tài nguyên cho nhiều cặp D2D tuyền thông D2D chia tài kênh truyền Thêm vào đó, lý thuyết trò chơi giúp phát triển triển khai điều khiển công suất cấp phát kênh cho truyền thông D2D Bên cạnh thuận lợi, luận văn gặp nhiều khó khăn việc đơn giản hóa thuật toán cấp phát tài nguyên, tối ưu liên kết nhiều Cell cho hiệu hệ thống, phát nhiều bước truyền thông D2D vấn đề tối ưu khác Giải pháp luận văn mang lại cải thiện hiệu đáng kể cho hệ thống truyền thông D2D LTE-A Trong trình nghiên cứu hoàn thiện luận văn cố gắng không tránh khỏi sai sót mặt nội dung mong nhận góp ý thầy cô giáo bạn để luận văn hoàn thiện Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 86 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 3GPP TR 22.803 v12.1.0, Feasibility study for proximity services (ProSe), 2013 [2] Apparatus and Method for Transmitter Power Control for Device-to-Device Communications in A Communication System, US 2012/0028672 A1 [3] Basagni, S., Conti, M., Giordano, S., Stojmenovic, I.: Mobile Ad Hoc Networking, pp 69–116 Wiley-IEEE Press, New York (2004) [4] C.H Yu, K Doppler, C.B Ribeiro, O Tirkkonen, Resource sharing optimization for deviceto-device communication underlaying cellular networks IEEE Trans Wirel Commun.10(8), 2752–2763 (2011) [5] C Xu, L Song, Z Han, Q Zhao, X Wang, B Jiao, Interference-aware resource allocation for device-to-device communications as an underlay using sequential second price auction In IEEE International Conference on Communications (ICC), pp 445– 449, 10–15 June 2012 [6] Doppler, K., Rinne, M., Wijting, C., Ribeiro, C., Hugl, K.: Device-to-device communication as an underlay to LTE-A networks IEEE Commun Mag.47(12), 42–49 (2009) [7] Doppler, K., Rinne, M., Janis, P., Ribeiro, C., Hugl, K.: Device-to-device communications:functional prospects for LTE-A networks In: IEEE International Conference on Communications Workshops, Dresden, June 2009 [8] D Gesbert et al.(2003), From Theory to Practice: An Overview of MIMO SpaceTime Coded Wireless Systems, IEEE Journal Selected Areas in Communications, Volume: 21 , Issue: 3, pp 281 – 302 [9] D Tsolkas, E Liotou, N Passas, L Merakos, A graph-coloring secondary resource allocationfor 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, Sept 2012 [10] G L St¨ uber (2001), Principles of Mobile Communication, Kluwer Academic [11] G Fodor, E Dahlman, G Mildh, S Parkvall, N Reider, G Miklós, Z Turányi, Design aspects of network assisted device-to-device communications IEEE Commun Mag.50(3), 170–177 (2012) Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 87 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A [11] Hakola, S., Tao, C., Lehtomaki, J., Koskela, T.: Device-to-device (D2D) communication in cellular network—performance analysis of optimum and practical communication mode selection In: IEEE Wireless Communications and Networking Conference, Sydney, April 2010 [12] Janis, P., Koivunen, V., Ribeiro, C.B., Doppler, K., Hugl, K.: Interferenceavoiding MIMO schemes for device-to-device radio underlaying cellular networks In: IEEE 20th InternationalSymposium on P [13].K J Ray Liu, A K Sadek, W Su and A Kwasinski (2009), Cooperative Communication and Networking, Cambridge University Press [14] K Huang, V.K.N Lau, Y Chen, Spectrum sharing between cellular and mobile ad hoc networks: transmission-capacity trade-off IEEE J Sel Areas Commun.27(7), 1256–1267(2009) [15] L Lei, Z Zhong, C Lin, X Shen, Operator controlled device-to-device communications in LTE-A networks IEEE Wirel Commun.19(3), 96–104 (2012) [16[ M.S Corson, R Laroia, J Li, V Park, T Richardson, G Tsirtsis, Toward proximity-aware internetworking IEEE Wirel Commun 17(6), 26–33 (2010) [17] M.J Yang, S.Y Lim, H.J Park, N.H Park, Solving the data overload: Device-todevice bearer control architecture for cellular data offloading IEEE Veh Technol Mag.8(1), 31–39 (2013) [18] Method, Apparatus and Computer Program for Power Control to Mitigate Interference, US 2009/0325625 A1 [19] Min, H., Seo, W., Lee, J., Park, S., Hong, D.: Reliability improvement using receive mode selection in the device-to-device uplink period underlaying cellular networks IEEE Trans Wireless Commun.10(2), 413–418 (2011) [20] Nguyễn Phạm Anh Dũng (2003), CDMA one CDMA 2000, Nhà xuất Bưu Điện, Hà Nội [21] Nguyễn Phạm Anh Dũng (2008), Lộ trình phát triển thông tin di động 3G lên 4G, Nhà xuất Thông tin truyền thông, Hà nội Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 88 Công nghệ D2D hệ thống LTE-A [22] P Jänis, C Yu, K Doppler, C Ribeiro, C Wijting, K Hugl, O Tirkkonen, V Koivunen, Device-to-device communication underlaying cellular communications systems, Int’l J.Commun Netw Sys Sci.2(3), 169–178 (2009) [23] Pikovsky, A.: Pricing and bidding strategies in iterative combinatorial auctions Ph.D Dissertation, Munich, Germany (2008) [24] R1-132861 Final report of 3GPP TSG RAN WG1 #73 v1.0.0, August 2013 [25] R1-132115, Discussions on LTE device to device communication, ZTE, May 2013 [26] Xu, S., Wang, H., Chen, T., Huang, Q., Peng, T.: Effective interference cancellation scheme for device-to-device communication underlaying cellular networks In: Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference 2010-Fall, Ottawa, September 2010 [27] Yu, C.-H., Doppler, K., Ribeiro, C., Tirkkonen, O.: Resource sharing optimization for D2D communication underlaying cellular networks IEEE Trans Wireless Commmun.10(8), 2752–2763 (2011 [28] Yu, C.-H., Tirkkonen, O., Doppler, K., Ribeiro, C.: On the performance of deviceto-device underlay communication with simple power control In: Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference 2009-Spring, Barcelona, April 200 [29] Yuanfeng Peng, Youzheng Wang, (2012), The Optimal Joint Power Allocation Scheme and Antennas Design in AF MIMO Relay Networks Springer-Verlag, Berlin Heidelberg [30] Yu, C.-H., Tirkkonen, O., Doppler, K., Ribeiro, C.: On the performance of deviceto-device underlay communication with simple power control In: Proceedings of IEEE Vehicular Technology Conference 2009-Spring, Barcelona, April 2009 Koskela [31] Yu, C.-H., Doppler, K., Ribeiro, C., Tirkkonen, O.: Performance impact of fading interference to Device-to-Device communication underlaying cellular networks In: IEEE 20th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, pp 858–862, Tokyo,September 2009 Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 89 [...]... công nghệ hiện có c a 3G, công nghệ chính c a 3,5G là HSDPA (High Speed Packet Access), đây cũng là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ và được phát triển trên cơ sở c a hệ thống 3G (WCDMA) Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 16 Công nghệ D2D trong hệ thống LTE- A Hình 1.2 Kiến trúc hệ thống tiến h a từ GSM và UMTS tới LTE Theo con số thống kê c a lịch sử các cuộc cách mạng về công nghệ diễn ra... thống LTE- A, luận văn nghiên cứu, mô phỏng và phân tích Công nghệ D2D trong hệ thống LTE- A Nội dung c a luận văn được trình bày trong bốn chương: Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Công nghệ D2D trong hệ thống LTE- A Chương 3: Tối ưu cấp phát tài nguyên D2D trong hệ thống LTE- A Chương 4: Kết luận và kiến nghị đề xuất Nội dung chính c a luận văn nghiên cứu công nghệ D2D, sự thay đổi kiến trúc hệ thống LTE- A. .. ra đời Công nghệ truy nhập Thế hệ di động 1G 2G 1981 1987 FDM A 2.5G 2.75G 3G 3.5G 3.75G 4G 2000 2003 2008 2015 TDMA hoặc CDMA WCDM A CDMA2000 TDSCDMA WCDMA CDMA2000 TDSCDMA WCDMA CDMA2000 TDSCDMA OFDMA TDMA hoặc TDMA hoặc CDMA CDMA Thoại và data (EDGE ) Thoại và data R99 Thoại và Data Thoại và Data Data Dịch vụ hỗ trợ Thoại Thoại Thoại và data (GPRS) Tốc độ Data max NA NA 115.2 kbps 384 kbps 2048 kbps... 13BKTTT1 Trang 14 Công nghệ D2D trong hệ thống LTE- A Hình đã được triển khai trên thế giới đó là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM, hệ thống IS-95 (Interim Standard 95) c a Mỹ do Qualcomm đề xuất, hệ thống thông tin di động TDMA cải tiến IS-136 (Interim Standard 136) c a Mỹ do AT&T đề xuất và hệ thống tổ ong cá nhân PDC (Personal Digital Cell) c a Nhật Bản Các nội dung Năm ra đời Công nghệ truy... Telecommunication Union – Telecommunication Sector), Dự án đối tác thế hệ thứ 3 3GPP (3rd Genneration Project Partnership), hiệp hội tiêu chuẩn viễn thông Trung Quốc CCSA (China Communications Standards Association) và các chuẩn khác Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 22 Công nghệ D2D trong hệ thống LTE- A Hiện thế giới đang tồn tại hai chuẩn công nghệ lõi c a mạng 4G là WiMax và LTE WiMax là chuẩn kết nối không dây... ba (3G) Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 15 Công nghệ D2D trong hệ thống LTE- A Trước khi triển khai hệ thống thông tin di động 3G, các chuẩn hệ thống mạng trên thế giới có xu hướng quá độ lên thế hệ 2,5G Chuẩn chính c a 2,5G là hệ thống các dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Packet Radio Services), hệ thống các dịch vụ dữ liệu tốc độ cao EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) và IS-95B GPRS... LTE- A để hỗ trợ kết nối D2D và các chuẩn c a 3GPP cho nhận biết, giao tiếp D2D Luận văn sẽ đi sâu nghiên cứu các công thức toán học tối ưu điều khiển công Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 12 Công nghệ D2D trong hệ thống LTE- A suất, tối ưu cáp phát tài nguyên, giảm tải hệ thống tại nút nguồn (eNode B), tại các nút chuyển và nút đích (UE) d a trên mô Hình ba điểm đặc trong c a hệ thống LTE- A hỗ trợ D2D. .. cùng tần số Hình 1.6: Công nghệ a ăng-ten Mô Hình hệ thống MIMO điển Hình: Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 25 Công nghệ D2D trong hệ thống LTE- A Hình 1.7: Minh h a một hệ thống MIMO Phương án truyền dẫn MIMO yêu cầu và máy thu và máy phát cần được trang bị nhiều ăng-ten Các đáp ứng kênh c a các cặp ăng-ten truyền/nhận tạo thành một ma trận c a các hệ số kênh Một minh h a c a hệ thống MIMO được biểu... Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 17 Công nghệ D2D trong hệ thống LTE- A Management Entity/Gateway) Điều này hoàn toàn trái ngược với nhiều nút mạng trong kiến trúc mạng phân cấp hiện hành c a hệ thống 3G Hình 1.3 Kiến trúc hệ thống mạng LTE- A Mô tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu Hình kiến trúc tổng quát mạng 4G LTE/ SAE cơ sở với mạng truy nhập EUTRAN Sự phân chia kiến trúc thành bốn vùng chính:... IEEE, còn LTE là chuẩn do 3GPP - một bộ phận c a liên minh các nhà mạng sử dụng công nghệ GSM phát triển Cả WiMax và LTE đều sử dụng các công nghệ thu phát tiên tiến như công nghệ MIMO, công nghệ trạm lặp (Relays) để nâng cao khả năng thu phát sóng và hoạt động c a thiết bị mạng lưới Một số công nghệ tiên tiến được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu sử dụng trong mạng thế hệ mới 4G