Trong mạng di động truyền thống, các thiết bị kết nối với nhau qua các đường giao tiếp lên xuống qua trạm thu phát gốc.. Kiến trúc D2D ra đời với mục đích hỗ trợ các thiết bị gần nhau tr
Trang 1MỤC LỤC
PHẦN GIỚI THIỆU 2
CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG D2D TRONG 5G 3
1.1 Giới thiệu chung 3
1.2 Chuẩn 3GPPP cho công nghệ D2D trong 5G 4
1.3 Các khối chức năng D2D 4
1.4 Các cách kết nối D2D trong mạng 6
1.5 Mô hình truyền thông D2D 8
1.6 Lựa chọn phương thức truyền thông D2D 9
CHƯƠNG II: CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN D2D TRONG HỆ THỐNG 5G 11
2.1 Giới thiệu chung 11
2.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến 11
2.2.1 Lý thuyết trò chơi 11
2.2.2 Mô hình quản lý tài nguyên và cơ chế đấu giá 12
2.3 Kết luận 15
TÀI LIỆU THAM KHẢO 17
Trang 2PHẦN GIỚI THIỆU
Số lượng người dùng di động ngày càng tăng đã tạo động lực cho nhu cầu về các dịch vụ dữ liệu lân cận với tốc độ cao Hệ thống di động thế hệ thứ 5 (5G) hứa hẹn
sẽ cải tiến công nghệ hiện có đáp ứng được các nhu cầu trong tương lai Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị đầu cuối thông minh và mạng di động thông tin 5G, giao tiếp Thiết bị đến Thiết bị (D2D - Device To Device) là tính năng mới đầy hứa hẹn cho các đầu cuối trong mạng 5G Trong mạng di động truyền thống, các thiết
bị kết nối với nhau qua các đường giao tiếp lên xuống qua trạm thu phát gốc Việc bắt buộc phải qua các trạm thu phát không đáp ứng được các dịch vụ, ứng dụng dựa trên các thiết bị gần nhau trong mạng Kiến trúc D2D ra đời với mục đích hỗ trợ các thiết bị gần nhau trong mạng có thể giao tiếp trực tiếp với nhau qua đó đảm bảo các dịch vụ, ứng dụng cho các thiết bị này đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên cũng như chất lượng của mạng Với D2D, các thiết bị gần nhau có thể phát hiện, trao đổi và giao tiếp
dữ liệu trực tiếp với nhau sử dụng sóng vô tuyến của mạng Ngoài ra, vì giao tiếp với nhau trong khoảng cách gần nhau, Truyền thông D2D rất an toàn và bảo mật
Trong bài báo cáo này, chúng em xin trình bày các phương pháp liên quan đến các khía cạnh như quản lý nhiễu, phát hiện mạng, đánh giá hiệu quả tối ưu công suất và cấp phát tài nguyên D2D trong hệ thống thông tin di động 5G
Nội dung của bài báo cáo được trình bày trong 2 chương:
Chương 1: Công nghệ truyền thông D2D trong 5G
Chương 2: Nghiên cứu cấp phát tài nguyên D2D trong hệ thống 5G
Mặc dù nhóm đã có nhiều cố gắng nhưng thời gian để tìm hiểu trang bị kiến thức cho nội dung báo cáo của chúng em còn hạn chế, nên bài báo cáo này của chúng em không thể tránh khỏi những sai sót Chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo để báo cáo của chúng em được hoàn thiện hơn Chúng em xin trân trọng cảm ơn thầy Đặng Thế Ngọc và Thầy Nguyễn Viết Đảm đã tận tình hướng dẫn và giúp
đỡ chúng em trong suốt thời gian thực hiện bài báo cáo này
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Trang 3CHƯƠNG I: CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG D2D TRONG 5G
Truyền thông thiết bị đến thiết bị D2D (Device to Device) trong hệ thống 5G là giao tiếp trực tiếp của những thiết bị đầu cuối có khoảng cách gần nhau trong mạng
mà không cần thông qua một nút trung gian nào Giao tiếp D2D sử dụng phổ tần dùng chung với mạng và được điều khiển bởi trạm thu phát gốc (eNB) với chất lượng dịch
vụ đảm bảo trước Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về mô Hình kiến trúc hệ thống D2D và các đặc tính ưu việt của hệ thống này
Có hai phương thức sử dụng D2D trong mạng viễn thông trên phương diện dung lượng và tốc độ: (i) D2D dùng chung phổ tần với mạng và (ii) D2D dùng riêng phổ tần với mạng Thử thách lớn nhất trong cả hai cách tiếp cận này là giảm thiểu nhiễu Trên
lý thuyết, có thể giải quyết vấn đề nhiễu bằng cơ cấu cấp phát tài nguyên (RA) và điểu khiển công suất (PC) Trạm thu phát gốc (BS) lựa chọn những tài nguyên phổ tần và mức công suất phù hợp cho các các máy phát D2D, xem xét thông tin nhiễu giữa D2D
và BS Thông tin về nhiễu này nhận được bằng cách gửi cho BS những điều kiện về kênh truyền giữa các nốt D2D, thực hiện những phép đo đạc định kỳ từ phía từ phía BS Ngoài ra, ngay cả khi thông tin về nhiễu được cung cấp đầy đủ và chính xác cho BS, việc tính toán và tối ưu nó cũng rất phức tạp
Dự án đối tác thế hệ thứ 3 (3GPP) là sự hợp tác chung của các tổ chức phát triển tiêu chuẩn nhằm xem xét và trình bày các tiêu chuẩn mới Ban đầu, công nghệ D2D được đề xuất và đưa ra chuẩn tích hợp trong mạng LTE-A trong phiên bản LTE Rel,
12 Trong 2 phiên bản Rel, 12 và Rel, 13 đã thảo luận về chuẩn ProSe trong mạng truy nhập vô tuyến cho D2D Chuẩn ProSe bao gồm nhận biết D2D và giao tiếp D2D, các cách dùng D2D và những yêu cầu thay đổi, nâng cao về kiến trúc mạng để hỗ trợ D2D Các nghiên cứu cho nhận biết và giao tiếp D2D tập trung chủ yếu vào chi tiết kỹ thuật, bao gồm thiết kế tín hiệu, cấp phát tài nguyên, cơ chế phối hợp và đồng bộ Trong phiên bản Rel, 14 đã xoay quanh các cải tiến trong LTE, dẫn đến việc phát triển cho mạng 5G Trong các bước tiếp theo, 3GPP dự định phát hành phiên bản Rel, 15, tập trung triển khai trong mạng 5G Cụ thể, Rel, 15 có thể được coi là bước đầu tiên hướng tới việc ghi lại thông số kỹ thuật 5G Tổ chức Viễn thông Quốc tế (ITU-R) bắt đầu
Trang 4nghiên cứu theo Chương trình Hệ thống Thông tin Di động Quốc tế (IMT - 2020), mở đường cho việc giới thiệu một tiêu chuẩn toàn diện cho 5G vào năm 2020
Tháng 6, 2011 Nghiên cứu về diện mạo sóng vô tuyến cho nhận biết và giao tiếp D2D đã được Qualcomm đề nghị đến 3GPP Nghiên cứu về giao tiếp trực tiếp trong mạng LTE-A được chấp nhận trong các cuộc họp của 3GPP và tháng 8, 2011 Các cuộc họp đề xuất nghiên cứu những yêu cầu cho nhận biết và giao tiếp trực tiếp D2D trong mạng Các cuộc họp vào tháng 11, 2011 đề xuất các cách dùng và những yêu cầu tiềm năng cho các nhà vận hành mạng điều khiển nhận biết và giao tiếp các thiết bị gần nhau trong mạng Kết thúc LTE phiên bản Rel.11, 3GPP khởi xướng lộ trình mới trong phiên bản Rel 12 để đưa ra những chuẩn hóa cho D2D Sau đó 3GPP
đã đi đến việc đồng ý nghiên cứu chuẩn LTE ProSe trong mạng truy nhập vô tuyến (RAN) cho D2D vào tháng 12 năm 2012 Chuẩn LTE ProSe bao gồm nhận biết D2D và giao tiếp D2D, các cách dùng D2D và những yêu cầu thay đổi, nâng cao về kiến trúc mạng để hỗ trợ D2D Các nghiên cứu cho nhận biết và giao tiếp D2D tập trung chủ yếu vào chi tiết kỹ thuật, bao gồm thiết kế tín hiệu, cấp phát tài nguyên, cơ chế phối hợp và đồng bộ
ProSe được chia ra làm hai phần, nhận biết phạm vi gần và giao tiếp dữ liệu trực tiếp Với phương thức nhận biết ProSe, Thiết bị có thể nhận ra các thiết bị khác trong một phạm vi nhất định Cơ chế nhận biết có thể được trợ giúp bởi mạng hoặc thiết bị
Giao tiếp dữ liệu trực tiếp là khi các thiết bị giao tiếp trực tiếp với nhau không cần thông qua một nốt mạng trung gian nào như eNB Các thiết bị có thể giao tiếp trực tiếp với nhau mà không cần nhận biết phạm vi gần Nhưng nhận biết phạm vi gần sẽ giúp cho việc chuyển đổi sang giao tiếp trực tiếp một cách trong suốt mà không cần tác động của người dùng Khi tích hợp giao tiếp trực tiếp trong mạng Mạng phải có chức năng hỗ trợ nhận ra nhận biết phạm vi gần cho thiết bị Về phương diện kiến trúc, giải pháp cho ProSe bao gồm các người dùng UE, mạng truy nhập RAN, mạng lõi và các
Trang 5máy chủ ứng dụng
Ở mạng lõi, Chuẩn đưa ra một nốt mạng mới với tên gọi "Máy chủ ProSe" để cung cấp chức năng ProSe Máy chủ ProSe kết nối máy chủ ứng dụng và mạng di động Nó nhận diện các Thiết bị gần nhau và báo cho máy chủ ứng dụng biết những liên kết tiềm năng Các phiên D2D được khởi tạo từ máy chủ ProSe bằng cách gửi yêu cầu khởi tạo đến MME MME sẽ phản hồi bằng cách thiết lập các kênh mang (bearer) D2D và cung cấp địa chỉ IP cho đầu cuối qua giao diện Ud
Hình 1.1 a, Kiến trúc mạng lõi cho D2D b, Kiến trúc mạng truy nhập cho D2D
Hình 1.2 Khối chức năng mạng tiến hóa LTE-A
Trang 61.4 Các cách kết nối D2D trong mạng
Trong thời gian gần đây, 3GPP rất nỗ lực đưa ra chuẩn giao tiếp D2D trong các phiên bản mới Để giải quyết tốt hơn vấn đề này, 3GPP sử dụng các các thuật ngữ dưới đây:
Giao tiếp trực tiếp ProSe: Giao tiếp giữa hai hay nhiều UE trong khoảng cách
gần được bật tính năng ProSe, bằng cách này các UE giao tiếp với nhau sử dụng công nghệ E-UTRAN không chuyển qua bất kỳ nốt mạng nào
UE bật tính năng ProSe: một UE có hỗ trợ những yêu cầu ProSe và các thủ tục
liên quan UE bật ProSe có thể là UE an toàn chung hoặc UE an toàn riêng
UE an toàn chung bật tính năng ProSe: UE bật ProSe có hỗ trợ các thủ tục
ProSe và có khẳ năng an toàn chung
UE an toàn riêng bật tính năng ProSe: UE bật ProSe có hỗ trợ các thủ tục
ProSe và không có khẳ năng an toàn chung
Nhận biết ProSe trực tiếp: thủ tục trên UE bật ProSe để nhận ra các UE bật
ProSe khác trong vùng lân cận bằng công nghệ E-UTRAN Rel, 12
Nhận biêt ProSe mức EPC: thủ tục từ EPC để xác định khoảng cách gần nhau
của các UE bật ProSe và báo cho các UE thông tin này
Dựa vào các thuật ngữ này, 3GPP đề xuất hai phương thức giao tiếp trực tiếp: (i) phương thức độc lập với mạng; (ii) phương thức mạng cấp quyền Phương thức (i) không cần bất kỳ sự trợ giúp cấp phát quyền nào cho kết nối từ mạng và giao tiếp được thực hiện bằng chức năng và thông tin có sẵn trong các UE Phương thức này được áp dụng cho:
• Chỉ cho cá UE an toàn chung bật ProSe trước cấp quyền không quan tâm đến việc UE đang được phục vụ bởi E-UTRAN hay không
• Cho cả giao tiếp một-một và một-nhiều
Phương thức (ii) cần đến trợ giúp của EPC để cấp quyền các kết nối Phương thức này
Trang 7được áp dụng cho:
• Giao tiếp ProSe một – một
• Khi cả hai UE đang được phục vụ bởi E-UTRAN cho các UE an toàn chung,
nó có thể được dùng khi chỉ có một UE đang được phục vụ bởi E-UTRAN Với hai phương thức giao tiếp này và xem xét đến các UE đang ký vào mạng PLMN, đường giao tiếp trực tiếp và tình trạng bao phủ (trong vùng phủ và ngoài vùng phủ), một số khả năng có thể cho các kịch bản giao tiếp được định nghĩ như trên Hình 1.3
Dù vậy, các kịch bản này không bao gồm hết tất cả những kịch bản có thể cho giao tiếp trực tiếp, và 3GPP làm việc trên những kịch bản đặc biệt cho những trường hợp giao tiếp nhóm
Hình 1.3 Giao tiếp D2D trong chuẩn 3G
Trang 81.5 Mô hình truyền thông D2D
Ta xét kịch bản xét kịch bản một Cell như minh họa trên Hình 1.4 Ban đầu để đơn giản, trong Cell chỉ có một cặp D2D (UE2 và UE3) và một người dùng Cell truyền thống (UE1) Ba UE chia sẽ cùng tài nguyên vô tuyến ở cùng một thời điểm, vì vậy chúng ta xem xét nhiễu đồng kênh giữa những UE này Vị trí của UE2 được đặt cố định với khoảng cách đến BS bằng D Vị trí của UE3 được phân bố đồng nhất trong vùng lân cận bán kính L với UE2 UE1 được phân bố đồng nhất trong Cell Như hình 1.4, có ba giao tiếp người dùng trong hệ thống UE2 và UE3 giao tiếp theo phương thức D2D, UE1 giao tiếp theo phương thức truyền thống thông thường
Hình 1.4 Mô hình truyền thông D2D
Ban đầu, trong vùng phủ của trạm BS có 2 thiết bị UE2 và UE3 muốn kết nối để thực hiện truyền thông với nhau Giả sử, UE2 là thiết bị có nhiệm vụ như một máy phát D2D UE2 sẽ gửi bản tin chứa mã của UE3 đến trạm BS gần nhất với mục đích
là muốn kết nối với UE3 Lúc này, trạm BS sau khi nhận được bản tin từ UE2 sẽ định
vị vị trí của 2 thiết bị là UE2 và UE3 Khi trạm BS định vị được vị trí của UE2 và UE3
là gần nhau trong khoảng cách cho phép thì BS sẽ đẩy bản tin thông báo đến cho cả 2 thiết bị yêu cầu 2 thiết bị tự kết nối để thực hiện việc truyền thông với nhau mà không cần qua trạm BS UE3 sau khi nhận được bản tin thông báo sẽ so sánh mã nhận được Sau đó UE3 sẽ thỏa thuận lựa chọn kênh kết nối D2D phù hợp với UE2 cho việc truyền tải thông tin trực tiếp Mặc dù UE2 và UE3 tự kết nối với nhau mà không qua trạm BS nhưng vẫn có sự giám sát và điều khiển của BS
Trang 91.6 Lựa chọn phương thức truyền thông D2D
Trong hệ thống truyền thông D2D, một trong những vấn đề lớn nhất là quyết định các thiết bị khi nào giao tiếp trong phương thức truyền thống, khi nào giao tiếp trong phương thức trực tiếp Ở phương thức giao tiếp trực tiếp, dữ liệu được truyền trực tiếp
từ máy phát đến máy nhận trong khi ở phương thức giao tiếp Cell truyền thống, giao tiếp cần đến các trạm thu phát gốc để làm phương tiện trung gian thông qua đường truyền lên và đường truyền xuống qua trạm thu phát gốc này Có 3 phương thức :
(i) Phương thức Cell: tất cả các thiết bị giao tiếp theo phương thức Cell truyền
thống
(ii) Phương thức D2D Ép (FORCE): Giao thức D2D luôn luôn được lựa chọn
cho giao tiếp giữa các thiết bị
chọn khi suy hao đường truyền giữa thiết bị nguồn với BS, giữa thiết bị đích với BS lớn hơn suy giao giữa cặp thiết bị nguồn và thiết bị phát
Xét mô hình 19 Cell với nhiều người dùng Tổng số lượng người dùng ở Cell trung tâm là 10000, với 2000 người dùng đang giao tiếp với nhau Đầu tiên một người dùng được phân bố đồng nhất trong Cell, sau đó, người dùng theo sau sẽ được phân bố đồng nhất trong vùng lân cận khoảng cách L với người dùng trước Tất cả người dùng được phân bố trong cell Phân bố SINR của truyền thông D2D với các khoảng cách L khác nhau L = 5, 15, 35, 45 m
Khi khoảng cách giữa các thiết bị D2D nhỏ (L = 5m) thì Phương thức FORCE, tiêu chí PL cho ra cùng phân bố dung lượng và phương thức Cell giảm sâu Khi khoảng cách D2D lớn nhất tăng lên 15m dung lượng vẫn rất tốt dưới phương thức FORCE cho
dù đã giảm Phương thức PL cho dung lượng tốt hơn phương thức FORCE Khoảng cách lớn nhất giữa các thiết bị D2D tăng tới một giá trị lớn hơn (L = 35m) phương thức FORCE cho một giải SINR động lớn và nhiều hơn 50% SINR của người dùng thấp hơn phương thức CELL Phương thức PL vẫn là phương thức tốt nhất Khi khoảng cách D2D tăng lên 45m thì phương thức FORCE cho phân bố dung lượng kém nhất, phương thức CELL và PL cho kết quả như nhau
Trang 10Vậy, khi khoảng cách lớn nhất giữa các người dùng trong một cặp tăng lên, hiệu năng của truyền thông trực tiếp giảm Giá trị khoảng cách L có một ngưỡng giới hạn để quyết định cho giao tiếp D2D Phương thức PL là phương pháp để giải quyết vấn đề Lựa chọn điều kiện kênh tốt hơn từ giao tiếp D2D và giao tiếp Cell có thể giành được kết quả tối ưu hiệu năng của hệ thống
Trang 11CHƯƠNG II: CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN D2D TRONG HỆ THỐNG 5G
Báo cáo đề xuất một cơ chế cấp phát tài nguyên vô tuyến cải tiến để cải thiện hiệu năng truyền thông D2D Để tối ưu tổng dung lượng hệ thống trên tài nguyên chia
sẻ cho cả hai phương thức Cell và phương thức D2D, báo cáo xin giới thiệu phương thức đấu giá tổ hợp lặp ngược như là cơ chế cấp phát tài nguyên Với cơ chế đấu giá, tất cả tài nguyên vô tuyến được xem như một tập hợp các phần tử tài nguyên, người đấu giá phải tranh giành để đạt được các gói tài nguyên cho cặp D2D trong mỗi lần đấu giá Trước tiên, báo cáo đưa ra công thức cho mỗi khối tài nguyên, là thành phần
cơ bản cho phiên đấu giá, sau đó giải thích chi tiết thuật toán giảm giá không đơn điệu
sử dụng hàm dựa trên tăng ích kênh D2D và giá của hệ thống Sau đó luận văn sẽ biến đổi hàm thành hàm tuần hoàn hữu hạn, giải thích quá trình xử lý giá không đơn điệu, quá trình xử lý đơn giản hơn nhiều so với cấp phát tài nguyên truyền thống Do kiến thức mô phỏng còn hạn chế và điều kiện thực tế không cho phép nên bài báo cáo này xin dừng ở bước nghiên cứu, phân tích các công thức của quá trình cấp phát tài nguyên
để cải thiện hiệu năng truyền thông D2D
2.2.1 Lý thuyết trò chơi
Bởi vì nhiễu giữa người dùng D2D và người dùng Cell thông thường khi dùng chung tài nguyên , Quản lý tài nguyên vô tuyến trở thành vấn đề trọng yếu để xử lý
Lý thuyết trò chơi đưa ra một tập hợp các công cụ toán học để nghiên cứu các tương tác phức tạp giữa các người chơi và dự đoán các lựa chọn chiến lược của họ Một vài năm gần đây, lý thuyết trò chơi nổi lên như là một công cụ để thiết kế mạng thông tin
di động Vì thế, báo cáo giới thiệu lý thuyết trò chơi trong điều khiển tài nguyên và chống nhiễu trong truyền thông D2D Trong phần này, một vài định nghĩa cần thiết được giới thiệu, một vài nghiên cứu hiện thời trên mạng di động dựa vào lý thuyết trò chơi Thêm vào đó, báo cáo sẽ đưa ra tổng quan phương pháp giải quyết các vấn đề
trong truyền thông D2D
Thành phần trọng yếu trong lý thuyết trò chơi là các người chơi, các hành động, tính hữu dụng, thông tin, cùng với luật của trò chơi Các người chơi là các cá