Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến khi tăng cường d2d trong mạng LTE

Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THỊ MỸ LỆ NGUYỄN THỊ MỸ LỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU TỐI ƯU TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN KHI TĂNG CƯỜNG D2D TRONG MẠNG LTE LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2014B Hà Nội – Năm 2017 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE Trang phụ bìa BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ MỸ LỆ NGHIÊN CỨU TỐI ƯU TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN KHI TĂNG CƯỜNG D2D TRONG MẠNG LTE Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN NGỌC VĂN Hà Nội – Năm 2017 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn : NGUYỄN THỊ MỸ LỆ Đề tài luận văn: NGHIÊN CỨU TỐI ƯU TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN KHI TĂNG CƯỜNG D2D TRONG MẠNG LTE Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số HV: CB141001 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày… .………… với nội dung sau: ………………………………………………………………………………… ………………… ……………………………………………………………… …………………………………… …………………………………………… ……………………………………………………… ………………………… ………………………………………………………………………… ……… …………………………………………………………………………………… ……… ………………………………………………………………………… GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Ngày tháng năm 2017 TÁC GIẢ LUẬN VĂN TS NGUYỄN NGỌC VĂN NGUYỄN THỊ MỸ LỆ CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE 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 tơi thực đề tài Tơi xin cảm ơn thầy cô Viện Đào tạo sau đại học quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho học viên tơi 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 cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Các số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận án tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn Việt Nam Tất tơi thực cẩn thận có định hướng sửa chữa giáo viên hướng dẫn Tôi xin chịu trách nhiệm với nội dung luận văn Tác giả Nguyễn Thị Mỹ Lệ Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE MỤC LỤC DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC PHẦN MỞ ĐẦU 14 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 17 1.1 Giới thiệu chung .17 1.1.1 Nghiên cứu công nghệ LTE 17 1.1.2 Kiến trúc mạng LTE .18 1.2 Ưu nhược điểm giải pháp công nghệ LTE 22 1.2.1 Ưu điểm 22 1.2.2 Nhược điểm .27 1.2.3 Xu hướng công nghệ 28 1.2.3.1 Công nghệ OFDM OFDMA .29 1.2.3.2 Công nghệ MIMO 30 1.2.3.3 Công nghệ trạm lặp 31 1.2.3.4 Công nghệ CoMP 31 1.2.3.5 Xu hướng công nghệ 32 1.3 Nội dung nghiên cứu 33 1.4 Kết luận chương .34 CHƯƠNG 2: TĂNG CƯỜNG D2D TRONG MẠNG LTE 36 2.1 Giới thiệu 36 2.2 Mơ hình hệ thống tăng cường D2D 37 2.2.1 Giới thiệu 37 2.2.2 Chuẩn 3GPP cho công nghệ D2D LTE .39 2.2.3 Các khối chức D2D mạng LTE 41 2.2.4 Lớp giao thức điều khiển kênh mang .41 2.2.5 Kiến trúc tham chiếu 43 2.2.6 Thủ tục thiết lập kết nối 45 2.2.7 Đồng 47 2.2.8 Đo đạc kênh .47 2.2.9 Điều khiển công suất 48 2.3 Quản lý tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D .48 2.3.1 Tài nguyên vô tuyến chưa tăng cường D2D .48 2.3.2 Mơ hình truyền thơng D2D .51 2.3.3 Lựa chọn phương thức truyền thông D2D 56 2.4 Kết luận chương .60 CHƯƠNG 3: TỐI ƯU TÀI NGUYÊN VÔ TUYẾN KHI TĂNG CƯỜNG D2D TRONG LTE 61 Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE 3.1 Giới thiệu 61 3.2 Tối ưu tài nguyên vô tuyến 62 3.3 Tối ưu điều khiển công suất 65 3.3.1 Điều khiển công suất đường lên LTE 65 3.3.2 Điều khiển tối ưu công suất cho UE 66 3.3.3 Điều khiển công suất hỗn hợp 68 3.4 Mô kết luận 72 3.4.1 Phương pháp mô 72 3.4.2 Kết mô phân tích hiệu suất 74 3.4.2.1 Tối ưu điều khiển công suất 75 3.4.2.2 Điều khiển công suất đường lên LTE 76 3.4.2.3 Điều khiển tối ưu công suất cho UE .80 3.4.3 So sánh thuật tốn điều khiển cơng suất 82 3.4.4 Hiệu suất quan phổ hiệu suất lượng tăng cường D2D 83 3.4.4.1 Không sử dụng lại tài nguyên 83 3.4.4.1 Sử dụng lại tài nguyên .85 3.4.5 Kết luận .87 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ĐỀ XUẤT 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 3G Third Generation Thế hệ thứ ba 3GPP 3rd Generation PartnershipProject Dự án Hợp tác hệ thứ AFH Adaptive Frequency Hopping Tần số nhảy thích ứng AMC Adaptive Modulation and Coding Thích ứng điều chế mã hóa AMP Alternative MAC/PHY Thay MAC / PHY AP Access Point Điểm truy cập API Application Programming Interface Giao diện lập trình ứng dụng ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu Lặp lại Tự động AWGN Additive White Gausesian Noise Nhiễu Gausesian với tạp âm BLE Bluetooth Low Energy Tín hiệu Bluetooth thấp BLER Block Error Rate Tỷ lệ Lỗi khối BSS Base Station Subsystem Hệ thống trạm gốc CA Combinatorial Auction Đấu giá hỗn hợp CDF Cumulative Distribution Function Chức phân phối tích lũy CDM Code Divition Multiplexing Phân chia theo mã CFO Carrier Frequency Offset CoMP Coordinated Multipoint Phối hợp đa điểm CP Cyclic Prefix Tiền tố tuần hoàn CQI Channel Quality Indicator Chỉ báo chất lượng kênh Cell Radio Network Temporary Số nhận dạng tạm thời mạng d Identifier động Channel State Information Thông tin Kênh Nhà nước Channel State Information at Thông tin trạng thái kênh the Transmitter máy phát Carrier Sense Multiple Access with Nhà cung cấp dịch vụ truy cập Collision Avoidance đa truy cập DL Downlink Đường xuống DM-RS Demodulation RS Giải điều chế RS DPO Distributed Power Optimization Tối ưu hóa cơng suất phân tán C-RNTI CSI CSIT CSMA/CA Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Độ lệch tần số nhà cung cấp dịch vụ Trang Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE DRX Discontinuous Reception Tiếp nhận gián đoạn DTX Discontinuous Transmission Truyền không liên tục D2D Device to Device Thiết bị tới thiết bị Exponential Effective Signal to Hiệu mũ giao diện cộng với Interface plus Noise Ratio Mapping tỷ số tạp âm eNB eNodeB Trạm gốc ESM Effective SINR Mapping Bản đồ SINR hiệu Evolved Universal Terrestrial Truy cập vô tuyến mặt đất Radio Access cải tiến Evolved Universal Terrestrial Mạng truy cập vô tuyến phổ quát Radio Access Network cải tiến FEC Forward Error Correction Sửa lỗi lỗi chuyển tiếp FDD Frequency Division Dupplexing Phân chia tần số FDMA Frequency devision Multiple Access Truy cập nhiều tần số GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Global System for Mobile Hệ thống tồn cầu cho truyền thơn Communications động HARQ Hybrid Automatic Repeat Request Yêu cầu lặp lại tự động IBSS Independent Basic Service Set Bộ dịch vụ độc lập I-CA Iterative Combinatorial Auction Đấu giá hỗn hợp ICIC Inter-Cell Interference Coordination Sự phối hợp nhiễu liên mạng EEMS E-UTRA E-UTRAN GSM IMT International Mobile Viễn thông di động quốc tế Telecommunications InH Indoor Hotpot ISI Inter-Symbol Interference ISM Industrial Scientific and Medical ITE International Telecommunication Un Liên minh viễn thông quốc tế ITE-R ITE Radiocommunication Sector Ngành truyền thông vơ tuyến ITE LTE Long Term Evolution Sự tiến hóa dài hạn LTE Long Term Evolution Advanced Long Term Evolution Nâng cao LoS Line of Sight Đường quan sát Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Hotpot nhà Khoa học công nghiệp y tế Trang Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE L2 Layer2 Lớp L3 Layer3 Lớp MAC Media Access Layer Lớp truy cập truyền thông MCI Maximum Channel to Interference RaKênh tối đa để can thiệp R MCS MAP Communication Server Máy chủ truyền thông MAP MCN Multihop Cellular Network Mạng di động nhiều người dùng MIMO Mulple-Input Multiple-Output Truyền thông đa điểm Mutual Information Effective Thông tin hiệu hỗn hợp MIESM SINR Mapping Bản đồ SINR MNO Mobile Network Operator Nhà khai thác mạng di động NFC Near Field Communication Gần lĩnh vực truyền thơng NLOS Non Line of Sight Khơng có đường quan sát Orthogonal Frequency Division Ghép kênh tần số trực giao OFDM Multiplexing Orthogonal Frequency Division Ghép kênh tần số trực giao đa Multiple Access truy nhập PAPR Peak to Average Power Ratio Tỷ số điện trung bình PBCH Physical Broadcast Channel Kênh phát sóng vật lý Physical Control Format Kênh thị định dạng kiểm Indicator Channel soát vật lý OFDMA PCFICH Kênh điều khiển đường xuống PDCCH Physical Downlink Control Channel PF Proportional Fair PFS Proportional Fair Scheduling PHICH Physical Hybrid-ARQ Indicator Chan Kênh thị Hybrid-ARQ vật lý ProSe Proximity-Based Services Dịch vụ dựa Trên diện Tích PRACH Physical Random Access Channel Kênh truy cập ngẫu nhiên vật lý PSD Power Spectral Density Mật độ phổ điện PSS Primary Synchonization Signal Tín hiệu đồng PUSCH Physical Uplink Shared Channel Lớp vật lý chia sẻ đường lên Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B vật lý Tỷ lệ cân Lập kế hoạch công theo tỉ lệ Trang Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE PUCCH Physical Uplink Control Channel Lớp vật lý điều khiển đường lên QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RACH Random Access Channel Kênh truy cập ngẫu nhiên RAN1 Radio Access Network Working Gro Mạng truy nhập vô tuyến RAR Random Access Response Truy cập truy cập ngẫu nhiên Random Access Radio Network Truy cập ngẫu nhiên mạng vô Temporary Identifier tuyến định danh tạm thời RB Resource Block Khối tài nguyên RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RI Rank Indicator Chỉ số xếp hạng RIT Radio Interface Technologies Công nghệ giao diện vô tuyến RMA Rural Macro Phạm vi nơng thơn RRC Radio Resource Control RS Reference Signals Tín hiệu tham khảo SAC Set-based Admission Control Kiểm soát nhập học dựa đặt SAE System Architecture Evolution Phát triển kiến trúc hệ thống SIG Special Interest Group Nhóm lợi ích đặc biệt SINR Signal to Interference plus Noise Rat SRIT Sets of Radio Interface Technologies Bộ công nghệ giao diện vơ tuyến SRS Sounding Reference Signal Tín hiệu tham chiếu âm SSS Secondary Synchronization Signal Tín hiệu đồng thứ cấp STA Station Trạm RA-RNTI S-TMSI Kiểm soát tài ngun vơ tuyến điện Tín hiệu tới nhiễu cộng với tỉ số tạ âm SAE Temporary Mobile Subscriber Tài khoản thuê bao tạm thời Identity SAE TDD Time Division Duplex Phân chia theo thời gian TDM Time Division Multiplexing Ghép kênh thời gian TDMA Time Devision Multiple Access TSG Technical Specification Group Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Đa truy cập phân chia theo thời gian Nhóm kỹ thuật Trang Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE Dựa toàn phân tích hội tụ thuật tốn điều khiển cơng suất tối đa hóa tiện ích, nói tốc độ hội tụ bị ảnh hưởng tham số kích thước bước SINR, Mặc dù Є chìa khóa hội tụ vịng ngồi, điều khiển hội tụ vịng q trình cập nhật vịng lặp nội chức mục tiêu SINR (xem công thức 3.11 Phương trình 3.12) Đối với Є = 0.05, phải có 70 vịng lặp lặp lại để đạt tối ưu, ω số lượng người dùng Ảnh hưởng ω Một số dương ω tham số thiết kế quan trọng thuật tốn điều khiển rối ưu cơng suất Theo Phương trình 3.4, ω thiết lập để có giá trị thấp, cho kết SINR cao công suất phát cao Ngược lại, ω thiết lập để có giá trị cao, tác động việc tăng cơng suất phát đến mức giảm tiện ích nghiêm trọng Do đó, thuật tốn định công suất phát thấp mức SINR đạt thấp, nghĩa tỷ lệ thấp Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 79 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE Hình 3.10: Điều khiển tối ưu công suất với ω khác nhau: Phân bố SINR công suất Tất ô hình 3.10 so sánh bốn giá trị khác ω đánh giá công suất SINR cho phân bố tế bào di động D2D UE Hiệu suất so sánh với điều khiển công suất mở LTE mở (với α = 0.8) Hình 3.10 cho thấy cách điều khiển tối ưu cơng suất linh hoạt Ví dụ, ω = 1, việc phân phối điện truyền điện thoại di động UE tương tự điều khiển công suất LTE vịng lặp mở Điều khiển tối ưu cơng suất rõ ràng tốt hiệu suất SINR D2D UE Tuy nhiên, lựa chọn ω nguyên tắc tùy tiện Nếu thiết kế mạng đòi hỏi hiệu suất quang phổ cao nhu cầu sử dụng lượng hiệu nên chọn ω thấp Nếu hiệu lượng ưu tiên thay vào đó, ω phải cao Tuy nhiên, cần lưu ý ω cao không thấp Nếu ω thấp, xảy tất UE cấp phát công suất Pmax (công suất phát cao cho phép UE) Tương tự quan sát thấy hình 3.10, ω = 0.01 khoảng nửa UE chế độ di động truyền tải công suất lớn Nếu ω cao, tất UE truyền với công suất Pmin mà có nghĩa khơng UE truyền 3.4.2.3 Điều khiển cơng suất hỗn hợp Phân tích hội tụ Hình bên trái hình 6.8 trình bày tăng công suất phát UE thuật tốn điều khiển cơng suất hỗn hợp với 200 vịng ngồi 10 vịng lặp Con số đảm bảo rằng, hội tụ đạt Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 80 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE Hình 3.11: Sự hội tụ SINR cơng suất UE sử dụng điều khiển công suất hỗn hợp Có thể nhìn thấy hình 3.11, mức công suất phát cell (được rút đường màu đỏ) giữ liên tục suốt q trình hoạt động lặp Trong đó, D2D UE (đường màu xanh) theo thuật toán tối đa hóa tiện ích để tiếp cận mức cơng suất truyền tải tối ưu Các lô bên phải cho thấy hội tụ SINR tương ứng Từ hình 3.11, thấy tốc độ hội tụ thuật tốn điều khiển cơng suất hỗn hợp tương tự điều khiển tối ưu cơng suất, hai sử dụng giá trị (cả hai mô cho điều khiển công suất tối ưu hỗn hợp tiện ích giả định Є) Điều hợp lý hội tụ công suất hỗn hợp không bị nhiễu công suất phát cell cố định ấn định điều khiển cơng suất LTE Theo nghĩa này, tìm cơng suất truyền tải D2D tối ưu cách đơn giản xử lý liên kết cell tiếng ồn bổ sung Ảnh hưởng ω I* Hình 3.12 trình bày hiệu suất SINR điều khiển công suất hỗn hợp với giá trị khác ω I* Trong trường hợp này, luận văn xem xét I* = 500N0 Đây trường hợp ngưỡng đặt giá trị cao, hiệu suất dự kiến gần với điều khiển tối ưu cơng suất Hình ảnh cho thấy thiết bị UE D2D, hiệu việc kiểm sốt điện ω điều khiển cơng suất hỗn hợp hoàn toàn giống điều khiển tối ưu công suất Hạ ω tăng SINR cao cho liên kết D2D Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 81 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE Hình 3.12: Điều khiển công suất hỗn hợp với ω I khác nhau: Phân phối SINR Mô xem xét ba giá trị I*: 500N0, N0, N0/500 Đối với I*= 500N0 trường hợp xấu, ngưỡng nhiễu cao Khi đó, khơng có giới hạn ttrên D2D truyền công suất cao áp đặt vòng bên Khi I * đặt thành N0, ngưỡng công suất phát thấp định nghĩa cho liên kết D2D, phụ thuộc vào đường dẫntới BS Kết mô chứng minh phương pháp tiếp cận làm giảm đáng kể can thiệp tạo cho liên kết cell Tuy nhiên, I* thấp, liên kết D2D có SINR thấp với khơng có cải tiến đưa tới SINR liên kết di động Điều chứng minh trường hợp thấp, I* = N0/500 Trên thực tế, xét theo đường cong CDF SINR D2D, tất máy phát D2D truyền với công suất tối thiểu cho phép Pmin Ngưỡng I* = N0/500 đơn giản thấp cho vòng bên hoạt động bình thường 3.4.3 So sánh thuật tốn điều khiển cơng suất Hình 3.13 tổng kết cơng suất hiệu suất SINR tất thuật toán điều khiển công suất xem xét luận văn Phân bố tài ngun vịng kín LTE hiển thị có hiệu suất tốt D2D SINR so với điều khiển cơng suất vịng lặp mở Đối với liên kết D2D, phân bố tài nguyên tối ưu kết tốt nhiều so với điều khiển công suất LTE Ngay ω thiết lập mức 10, giá trị cao, nhằm mục đích sử dụng hiệu lượng tốt, cịn khoảng dB đạt SINR Việc điều khiển tối ưu cơng suất phát cho UE có xu hướng làm giảm SINR liên kết cell vùng SINR thấp (khoảng dB tổn thất) Tuy nhiên, thực cải thiện SINR cell khu vực SINR cao Điều khiển công suất hỗn hợp chứng minh có hiệu suất cao SINR liên kết di động Khi I* điều chỉnh đến giá trị đúng, UE chế độ di động bảo vệ nhận SINR chấp nhận liên kết D2D Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 82 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE Khi I* thiết lập để 500N0, giá trị cao, điều khiễn công suất hỗn hợp điều khiển tối ưu công suất phát (với một) có hiệu suất SINR giống cho liên kết D2D Tuy nhiên, SINR cell di động khác Hình 3.13: So sánh thuật tốn điều khiển cơng suất: đường cong CDF SINR công suất 3.4.4 Hiệu suất quang phổ hiệu suất lượng tăng cường D2D Sau vào chi tiết điều khiển cơng suất từ tối ưu tài ngun vơ tuyến, hai kịch đánh giá: Có tài nguyên trực giao có sẵn cho UE chế độ D2D Khơng có nguồn trực giao cho UE chế độ D2D, tức cần tái sử dụng tài nguyên 3.4.4.1 Không sử dụng lại tài nguyên Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 83 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE Hình 3.14 trình bày kết mơ liên quan đến cách D2D cải thiện hiệu hệ thống cách sử dụng tài nguyên trực giao Hình 3.14: So sánh chế độ di động, chế độ D2D lựa chọn chế độ khơng có tái sử dụng tài ngun Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 84 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE Để chứng minh lợi ích D2D, mô thực để đánh giá tổng công suất hệ thống tổng tỷ lệ hệ thống ba tình khác nhau: 1, Tất UE-UE chế độ di động UE-UE chế độ D2D-bị buộc phải hoạt động chế độ di động UE-UE chế độ D2D buộc phải hoạt động chế độ D2D Chế độ lựa chọn kích hoạt; UE-UE chế độ D2D hoạt động chế độ di động D2D tùy thuộc vào chất lượng liên kết Mô giả định có khối tài nguyên điện thoại di động UE ô Số lượng UE-UE chế độ D2D dao động từ đến 4, có nghĩa có đủ nguồn trực giao cho cell di động D2D UE Ngoài ra, khoảng cách trung bình máy phát máy thu ứng viên D2D (rD2D) dao động từ 10 đến 250 m, với mức độ tự Δ rD2D = m Tổng lượng thông qua hệ thống công suất phát, trung bình 100 lần lặp Monte Carlo, vẽ hình 3.14 Hình 3.14 cho thấy chế độ D2D làm tăng đáng kể tổng lưu lượng hệ thống giảm tổng công suất phát máy thu D2D gần với máy phát tương ứng chúng Mức tăng công suất công suất truyền tải tỷ lệ thuận với số lượng ứng viên D2D ô tỷ lệ nghịch với rD2D Điều cho thấy rõ ràng khoảng cách đạt truyền thông D2D Tuy nhiên, khoảng cách máy phát máy thu vượt ngưỡng định (khoảng 100 m mô đặc biệt này), D2D khả cải thiện hiệu sử dụng lượng quang phổ Trên thực tế, buộc ứng cử viên D2D phải hoạt động chế độ D2D rD2D xa làm hỏng hệ thống thông tin khơng cần thiết tăng cường truyền tải Hình 3.14 lựa chọn chế độ giải pháp tốt - ln cho kết cao công suất truyền tải thấp so với chế độ di động truyền thống Bao nhiêu chế độ lựa chọn cải thiện thơng lượng truyền tải điện phụ thuộc vào khoảng cách D2D phát người nhận, số lượng ứng cử viên D2D hệ thống Lựa chọn chế độ trở nên thuận lợi có nhiều ứng cử viên D2D rD2D nhỏ 3.4.4.2 Sử dụng lại tài nguyên Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 85 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE Mặc dù khơng có nguồn trực giao cho ứng cử viên D2D, cho phép truyền thông D2D cách tái sử dụng tài nguyên phân bổ cho điện thoại di động UE / D2D UE khác Một xu hướng chung mong đợi từ tái sử dụng tài nguyên tổng công suất hệ thống tăng lên chi phí truyền tải cao Để chứng minh điều này, mô thực cách thêm nhiều ứng cử viên D2D hệ thống Hệ thống mơ thiết lập để có khối tài nguyên điện thoại di động UE ô, làm trước cho trường hợp không sử dụng lại Lần này, đến 16 ứng cử viên D2D bị bỏ ô để áp dụng tái sử dụng tài nguyên Mô lặp lại cho khoảng cách rD2D khác khoảng từ 10 đến 150 m Hình 3.15: lưu lượng công suất D2D tăng với việc tái sử dụng tài ngun Hình 3.15 trình bày kết mơ Các trục x đại diện cho rD2D, khoảng cách trung bình máy phát thu D2D (với mức độ tự m) Các đường màu đỏ ô cho biết trường hợp không sử dụng lại áp dụng làm điểm chuẩn Trường hợp điểm chuẩn chọn có ứng viên D2D ô tất tài nguyên trực giao phân bổ trục Y số bên trái tỷ số tổng lưu lượng tính tốn trường hợp sử dụng lại tổng lượng tương ứng tương ứng trường hợp chuẩn Do đó, số trái cho thấy đạt Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 86 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE thơng qua mong đợi D2D liên kết phép sử dụng lại tài nguyên vô tuyến Tương tự, trục y số bên phải tượng trưng cho tổng tỷ số công suất tình tái sử dụng khơng sử dụng lại Dựa kết thể hình 3.15, kết luận việc tái sử dụng tài nguyên nên cho phép máy phát thu D2D gần Cụ thể, tái sử dụng tài nguyên hợp lý làm rD2D khoảng 70 m trở xuống Trong thực tế, rD2D nhỏ (20 m nhỏ hơn), việc tái sử dụng tài nguyên thực nhiều tốt, thu lợi nhuận mà không làm tăng công suất phát Kết cho thấy tái sử dụng tài nguyên cho truyền thông D2D từ xa khái niệm đầy hứa hẹn Nó làm bật tầm quan trọng thuật toán cấp phát tài nguyên 3.4.5 Kết luận Tích hợp vào mạng di động, truyền thông D2D cho phép máy phát máy thu trao đổi thông tin thông qua liên kết trực tiếp thay phải sử dụng BS relay Điều cải thiện hiệu suất phổ hiệu suất lượng mạng Cũng cho liên kết D2D để tái sử dụng tài nguyên vô tuyến điện Tuy nhiên, liên kết D2D hệ thống tế bào gây nhiễu cho cell Do đó, điều quan trọng phải quản lý tài ngun vơ tuyến từ xử lý can thiệp Luận văn đề cập đến vấn đề tối ưu tài nguyên vô tuyến cho truyền thông D2D mạng di động, đặc biệt tối ưu điều khiển cơng suất từ tăng dung lượng hệ thống Điều khiển công suất LTE, điều khiển tối ưu công suất cho UE điều khiển công suất hỗn hợp xem xét Việc lựa chọn chế độ thực phần chế phân bố tài nguyên Các kết số thu cách thực mô Hệ thống mơ hình hóa lưới lục giác cell với số khối tài nguyên cố định UE thả ngẫu nhiên cell, với phân bố đồng đều, giữ khoảng cách khoảng cách máy phát D2D máy thu chúng Tài nguyên Uplink giả thiết nguồn cấp phát cho liên kết D2D Mơ hình kênh bao gồm khoảng cách đường phụ thuộc vào khoảng cách Các số hiệu suất quan tâm hiệu phổ hiệu suất lượng tương ứng với SINR công suất phát tương ứng Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 87 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE Về nguyên tắc, việc thực tất thuật tốn điều khiển cơng suất kiểm sốt cách điều chỉnh thơng số thuật tốn Ví dụ, tăng hệ số bù đường kiểm soát nguồn LTE để đạt SINR tốt liên kết D2D, để trao đổi quyền truyền tải D2D cao Điều khiển công suất hỗn hợp đề xuất luận văn để tối ưu tài nguyên nâng cao dung lượng hệ thống, với hai mục tiêu: Cho phép cell UE tiếp tục sử dụng điều khiển công suất tiêu chuẩn LTE bảo vệ liên kết cell cách áp đặt ngưỡng can thiệp Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 88 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ĐỀ XUẤT Trong luận văn này, tơi 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) 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 cơng nghệ cho hệ thống tin di động hệ rõ nhu cầu số lượng chất lượng dịch vụ truyền thông người sử dụng ngày cao, địi hỏi hệ thống thơng 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 cơng trình nghiên cứu kết hợp cơng nghệ tiên tiến MIMO, OFDM/OFDMA, Relay cho mạng LTE-A, để từ có sở thúc đẩy cho việc nghiên cứu tốn tối ưu điều khiển cơng 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 mơ Hình truyền thơng D2D Cell hệ thống LTE-A, xem xét phân tích tỉ số Tín hiệu tạp âm cộng nhiễu với trường hợp khoảng cách Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 89 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE thiết bị D2D khác 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 tốn suy hao đường truyền (PL) với hệ thống nhiều người dùng nhiều Cell với mơ Hình mơ 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 đề cập đến vấn đề tối ưu tài nguyên vô tuyến cho truyền thông D2D mạng di động, đặc biệt điều khiển cơng suất từ tối ưu dung lượng Có ba phương pháp điều kiển cơng suất nghiên cứu điều khiển công suất LTE, điều khiển tối ưu công suất phát cho cac UE điều khiển công suất hỗn hợp Các kết đánh giá thực mô Về nguyên tắc, việc thực tất thuật tốn điều khiển cơng suất thực hiẹn cách điều chỉnh thơng số thuật tốn Ví dụ, tăng hệ số bù đường điều khiển công suất LTE để đạt SINR tốt liên kết D2D, để trao đổi quyền truyền tải D2D cao Trong đó, điều khiển cơng suất cho cac UE điều khiển công suất hỗn hợp điều khiển ω, tham số ưu tiên thiết kế, mang lại hiệu suất quang phổ cao hiệu suất lượng thấp ngược lại Và cuối điều khiển công suất hỗn hợp đề xuất luận văn Bên cạnh thuận lợi, luận văn gặp nhiều khó khăn việc đơn giản hóa thuật tốn 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 Trong q trình nghiên cứu hồn thiện luận văn cố gắng không tránh khỏi sai sót mặt nội dung tơi mong nhận góp ý thầy cô giáo bạn để luận văn tơi hồn thiện Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 90 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE 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 Space-Time 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 Stă uber (2001), Principles of Mobile Communication, Kluwer Academic Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 91 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE [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) [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: Deviceto-device 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 Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 92 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE [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 device-to-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 SpringerVerlag, Berlin Heidelberg [30] Yu, C.-H., Tirkkonen, O., Doppler, K., Ribeiro, C.: On the performance of device-to-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 Nguyễn Thị Mỹ Lệ - CHKTĐT2014B Trang 93 ... 2: Tăng cường D2D mạng LTE Chương 3: Tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE Chương 4: Kết luận hướng phát triển Nội dung đề tài nghiên cứu tối tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng. .. Trang 17 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE 1.1.2 Kiến trúc mạng LTE Mạng LTE mạng hội tụ nhiều cơng nghệ có phát triển 2G, 3G, WiMAX, WiFi… để cung cấp kết nối vô tuyến. .. CHKTĐT2014B Trang 21 Nghiên cứu tối ưu tài nguyên vô tuyến tăng cường D2D mạng LTE 1.2 Ưu nhược điểm giải pháp công nghệ LTE 1.2.1 Ưu điểm Mạng LTE hứa hẹn mở hội tăng lưu lượng thông qua ứng