Quản lý nhiễu truyền thông d2d trong mạng thông tin di động 5g

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HÀ THẾ LUÔN QUẢN LÝ NHIỄU TRUYỀN THÔNG D2D TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội – 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ HÀ THẾ LUÔN QUẢN LÝ NHIỄU TRUYỀN THÔNG D2D TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 8510302.02 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS ĐINH THỊ THÁI MAI Hà Nội – 2020 GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học tôi, hướng dẫn khoa học Tiến sĩ Đinh Thị Thái Mai Các kết nêu Luận văn chưa công bố cơng trình khác Các số liệu Luận văn trung thực, có nguồn gốc rõ ràng, trích dẫn theo quy định Tôi xin chịu trách nhiệm tính xác trung thực Luận văn Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Tác giả Luận văn Hà Thế Luôn GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, xin chân thành cảm ơn tới thầy cô giáo trường Đại học Công Nghệ- Đại học Quốc gia Hà Nội nói chung, thầy khoa Điện tửViễn thơng nói riêng tận tâm dạy dỗ, truyền đạt cho kiến thức môn học giúp tơi tích lũy kiến thức quan trọng suốt trình học tập, rèn luyện trường Đặc biệt xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên Tiến sĩ Đinh Thị Thái Mai, người trực tiếp tận tình hướng dẫn, bảo giúp đỡ tơi suốt q trình thực Luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè đồng nghiệp giúp đỡ động viên tơi q trình học tập hồn thành Luận văn Dù cố gắng để hồn thành Luận văn, chắn khơng tránh khỏi sai sót Kính mong nhận góp ý chân thành quý thầy cô bạn bè Luận văn hỗ trợ Đại học Quốc gia Hà Nội, thông qua Đề tài QG.18.35 "Nghiên cứu giải pháp loại bỏ nhiễu, nâng cao hiệu mạng phát triển phần mềm mạng truyền thông ánh sáng nhìn thấy sử dụng chùm sáng định hướng" Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Hà Thế Luôn GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG D2D 1.1 Giới thiệu 1.2 Những thách thức kỹ thuật truyền thông D2D mạng tế bào 1.2.1 Phát thiết bị 1.2.2 Lựa chọn chế độ giao tiếp 1.2.3 Bảo mật 1.2.4 Quản lý nhiễu 1.3 Quản lý nhiễu truyền thông D2D 1.3.1 Các loại nhiễu kiến trúc mạng hai tầng 1.3.2 Mức kiểm soát nhiễu 1.4 Tính tốn 10 1.4.1 Hình học ngẫu nhiên 10 1.4.2 Lý thuyết đồ thị 10 1.4.3 Lý thuyết tiến hóa 11 1.4.4 Lý thuyết hàng đợi 11 1.5 Các công nghệ tiên tiến quản lý nhiễu mạng di động hỗ trợ D2D 11 1.5.1 Tách phổ 12 1.5.2 Điều khiển công suất 13 1.5.3 Phân bổ tài nguyên vô tuyến 14 1.6 Thách thức quản lý nhiễu mạng 5G hỗ trợ D2D 17 1.6.1 D2D giao tiếp mmWave 17 1.6.2 Mật độ cell giảm tải 17 1.7 Kết luận 18 CHƯƠNG 2: QUẢN LÝ NHIỄU TRONG TRUYỀN THÔNG D2D 19 2.1 Giới thiệu 19 2.2 Phương pháp quản lý nhiễu ISA cho truyền thông D2D Underlay 20 2.2.1 Mô hình hệ thống 20 2.2.2 Các công thức tính tốn 21 2.2.3 Xây dựng khu vực ngăn chặn nhiễu (ISA) 24 2.2.4 Điều khiển công suất 25 GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn iv 2.2.5 Phân bổ tài nguyên 26 2.3 Phương pháp vùng hạn chế nhiễu ILA cho truyền thông D2D 27 2.3.1 Giới thiệu 27 2.3.2 Mơ hình hệ thống 28 2.3.3 Đánh giá hiệu hệ thống đường xuống 29 2.3.4 Hạn chế nhiễu từ truyền thông D2D 31 2.3.5 Hạn chế nhiễu từ truyền thông di động 32 2.3.6 Phân bổ tài nguyên 33 2.4 Kết luận 35 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA PHƯƠNG PHÁP QUẢN LÝ NHIỄU DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA KÊNH PHA ĐINH RAYLEIGH 36 3.1 Ảnh hưởng pha đinh quản lý nhiễu 36 3.2 Đánh giá hiệu hệ thống dựa phương pháp ISA (khu vực ngăn chặn nhiễu) 38 3.2.1 Mơ hình mơ 38 3.2.2 Kết mô 40 3.3 Đánh giá hiệu hệ thống dựa phương pháp ILA (vùng hạn chế nhiễu) 42 3.3.1 Mơ hình mơ 42 3.3.2 Kết mô 43 3.5 Kết luận 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt AP Access Point Điểm truy cập BS Base Station Trạm sở Close Loop Power control Sơ đồ điều khiển cơng suất Scheme vịng đóng CSI Channel State Information Thơng tin tình trạng kênh CUE Cellular User Equipment Thiết bị người dùng di động CU Cellular User Người dùng di động D2D Device to Device Thiết bị - Thiết bị DSR Dynamic Source Routing Định tuyến nguồn động DUE D2D User Equipment Thiết bị người dùng D2D Institute of Electrical and Viện công nghệ Điện Điện Electronics Engineers tử Fractional Frequency Reuse Tái sử dụng tần số phân số Global mobile Suppliers Hiệp hội nhà cung cấp di Association động toàn cầu ILA Interference Limited Area Vùng hạn chế nhiễu IoT Internet of Things Internet vạn vật ISA Interference Suppression Area Khu vực ngăn chặn nhiễu LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn LTE-A Long Term Evolution Advance Tiến hóa dài hạn phát triển MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào- đa đầu MNO Mobile Network Operator Nhà khai thác mạng di động Orthogonal Frequency- Đa truy nhập phân chia theo Division Multiplexing Access tần số trực giao Open Loop fraction Power Sơ đồ điều khiển cơng suất control Scheme vịng mở PC Power Control Điều khiển công suất PFR Partial Frequency Reuse Tái sử dụng tần số phần CLPS IEEE FFR GSA OFDMA OLPS GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn vi QoS Quality of Sevice Chất lượng dịch vụ RRA Radio Resource Allocation Phân bổ tài nguyên vô tuyến RRM Radio Resource Management Quản lý tài nguyên vô tuyến RUE Receiver User Equipment Thiết bị người nhận Single-Carrier Frequency Đơn sóng mang đa truy cập Division Multiplexing Access phân chia theo tần số Signal to Interference-plus- Tỷ lệ tín hiệu nhiễu cộng Noise Ratio tạp âm SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu tạp âm TUE Transmitter User Equipment Thiết bị người truyền UE User Equipment Thiết bị người dùng UL/DL Uplink/Downlink Đường lên/Đường xuống SC - FDMA SINR GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Ln vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1 Truyền thơng D2D multi-tier cells HetNets Hình Phân loại truyền thơng D2D (theo phổ tần số) Hình Sơ đồ phân loại chi tiết truyền thông D2D Hình Các loại nhiễu mạng di động D2D hai tầng Hình 5.Các kịch nhiễu cho tài nguyên tái sử dụng khác Hình 1.6 Mức độ kiểm sốt nhiễu truyền thơng D2D Hình Phân loại kỹ thuật quản lý nhiễu D2D 12 Hình Chia phổ 12 Hình Phân bổ băng tần dựa FFR 15 Hình Mơ hình hệ thống truyền thơng D2D phương pháp ISA 21 Hình 2 Khu vực ngăn chặn nhiễu 25 Hình Mơ hình hệ thống truyền thơng D2D phương pháp ILA 28 Hình 2.4 Kịch mô ILA 29 Hình PDF biến ngẫu nhiên Rayleigh 37 Hình Phân bố CUE cặp D2D mạng 39 Hình 3 Các CUE nằm vùng gây nhiễu lên truyền thơng D2D 40 Hình Dung lượng hệ thống thay đổi ngưỡng nhiễu thay đổi 41 Hình Phân bố CUE cặp D2D mạng 42 Hình Dung lượng hệ thống thay đổi ngưỡng nhiễu c thay đổi 43 Hình Dung lượng hệ thống với trường hợp có cặp hai cặp D2D 44 Bảng Tham số mô 38 GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn MỞ ĐẦU Truyền thông thiết bị với thiết bị (D2D) cho phép tăng cường hiệu suất thiết bị cách cho phép truyền trực tiếp cặp thiết bị có vị trí gần Các nghiên cứu ban đầu chứng minh rằng, giao tiếp trực tiếp cải thiện việc tái sử dụng phổ, thông lượng, tiêu thụ lượng, vùng phủ sóng giảm độ trễ đầu cuối đến đầu cuối Do đó, xu hướng nghiên cứu cho thấy D2D công nghệ ứng dụng mạng di động hệ - tức mạng 5G Tuy nhiên, việc giới thiệu D2D cho mạng di động đặt thách thức kỹ thuật khác Quản lý nhiễu người dùng di động người dùng D2D coi vấn đề quan trọng D2D đưa vào mạng di động người dùng D2D chia sẻ dải phổ cấp phép với người dùng di động Từ lý trên, chọn đề tài: “Quản lý nhiễu truyền thông D2D mạng thông tin di động 5G” Trong luận văn này, hướng đến việc tìm hiểu số nghiên cứu tìm thấy khảo sát trước cách tập trung vào kỹ thuật quản lý nhiễu đề xuất năm gần cho LTE/LTE-A HetNets Trong đó, luận văn tập trung sâu vào hai phương pháp quản lý nhiễu ISA ILA Khác với nghiên cứu trước, luận văn tổng quát hóa mơ hình hóa hệ thống mạng di động có nhiều cặp D2D thực truyền thông đánh giá xem xét hiệu hệ thống ảnh hưởng pha đinh Kết cấu luận văn chia làm chương: Chương 1: Tổng quan truyền thông D2D Chương 2: Quản lý nhiễu truyền thông D2D Chương 3: Mô phỏng, đánh giá hiệu phương pháp quản lý nhiễu ảnh hưởng kênh pha đinh Rayleigh GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 49 [22] G Fodor, E Dahlman, G Mildh, S Parkvall, N Reider, G Miklós, Z Turányi (2012), “Design aspects of network assisted device-to-device communications”, IEEE Commun Mag, 50(3), pp 170-177 [23] G L Stuber (2001), “Principles of Mobile Communication”, Kluwer Academic [24] J Hong, S Park, H Kim, S Choi, and K B Lee, “Analysis of Device-to-Device discovery and link setup in LTE networks” [25] N P Kuruvatti, A Klein, L Ji, C Zhou, O Bulakci, J Eichinger, R Sattiraju, H D Schotten (2015), “Robustness of location based D2D resource allocation against positioning errors,” in Vehicular Technology Conference (VTC Spring), IEEE 81st, pp 1-6 [26] Pimmy Gandotra, Rakesh Kumar Jha (June 2016), “Device-to-device communication in cellular networks: A Survey”, Journal of Network and Computer Applications Vol 71, pp 99-117 [27] S.Andreev, A.Pyattaev, K.Johnsson, O.Galinina, Y.Koucheryavy (2014), “Cellular traffic offloading on to network-assisted device-to-device connections”, IEEE Communications Magazine, vol 52, no 4, pp 20 - 31 [28] X Chen, B Proulx, X Gong, J Zhang (2015), “Exploiting social ties for cooperative D2D communications: A mobile social networking case”, IEEE/ACM Transactions on Networking, vol 23, no 5, pp 1471-1484 [29] X Chen, L Chen, M Zeng, X Zhang, and D Yang (2012), “Downlink Resource Allocation for Device-to-Device Communication Underlaying Cellular Networks” IEEE 23rd International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications - (PIMRC), Sydney, NSW, Australia [30] Krishnan, S., Dhillon, H.S (2015), “Distributed caching in device-todevice networks: A stochastic geometry perspective, Proceedings Asilomar, Pacific Grove, CA” [31] Yang, L., Zhang, W., Jin, S (2015), “Interference alignment in device-to-device Lan underlaying cellular networks 1–1” IEEE Trans Wirel Commun 1276 [32] Zhang, R., Song, L., Han, Z., Cheng, X., and Jiao, B (2013) “Distributed Resource Allocation for Device-to-Device Communications Underlaying Cellular Networks” Commun (ICC), 2013 IEEE International Conference, pp 1889– 1893 GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn 50 [33] Cheng, P., Deng, L., Yu, H., Xu, Y., and Wang, H (2012), “ Resource allocation for cognitive networks with D2D communication: An evolutionary approach” IEEE Wireless Communication Networking Conference, pp 2671–2676 [34] Giambene, G., (2005), “Queuing Theory And Telecommunications Networks And Applications Springer ScienceỵBusiness Media. Inc [35] Lei, L., Shen, X.S., Dohler, M., Lin, C., Member, S., Zhong, Z (2014), “Queuing models with applications to mode selection in device-to-device communications underlaying cellular networks” IEEE Trans Wirel Commun 13 (12), 6697–6715 [36] Cho, B., Koufos, K., Riku, J (2014) “Spectrum allocation and mode selection for overlay D2D using carrier sensing threshold Cogn Radio Oriented Wirel Networks Commun, 26–31 [37] Xing, H., Hakola, S (2010) “The investigation of power control schemes for a device -to-device communication integrated into OFDMA cellular system” IEEE Int Symp Pers Indoor Mob Radio Commun PIMRC, 1775–1780 [38] Yu, C.H., Tirkkonen, O., Doppler, K., Ribeiro, C (2009) “On the performance of deviceto-device underlay communication with simple power control” IEEE Veh Technol Conf, 4–8 [39] Kaufman, B., Member, S., Lilleberg, J., Member, S (2013), “Spectrum sharing scheme between cellular users and ad-hoc device-to-device users” IEEE Trans Wirel Commun 12 (3), 1038–1049 [40] Mumtaz, S., Mohammed, K., Huq, S., Radwan, A , Rodriguez, J., and Aguiar, R.L (2014), “Energy Efficient Interference-Aware Resource Allocation in LTED2D Communication” IEEE Int Conf Commun., pp 282–287 [41] Jänis, P., Koivunen, V., Ribeiro, C.B., Doppler, K., Hugl, K (2009), “Interferenceavoiding MIMO schemes for device-to-device radio underlaying cellular networks” IEEE Int Symp Pers Indoor Mob Radio Commun PIMRC, 2385–2389 [42] Le, L.B (2012), “Fair resource allocation for device-to-device communications in wireless cellular networks” IEEE Global Communication Conference, pp 5451–5456 GVHD: TS Đinh Thị Thái Mai HVTH: Hà Thế Luôn ... số D2D Thời gian Out band In band Underlay Overlay D2D D2D Di động Di động Phổ di động Phổ di động Truyền thông di động Truyền thông D2D Phổ di động Phổ ISM Hình 1.3 Sơ đồ phân loại chi tiết truyền. .. Out-band Truyền thông D2D chế độ Inband định nghĩa truyền thông D2D truyền thông di động thông thường sử dụng chung dải tần số truyền thông di động, mức độ ưu tiên cho truyền thơng di động cao... quản lý nhiễu mạng di động cho phép D2D tiếp tục nhiều đề án đề xuất Trong phần này, kế hoạch quản lý nhiễu xem xét Có nhiều phương án khác để quản lý nhiễu tầng nhiễu tầng tạo truyền thông D2D