NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO TRONG HỆ THỐNG 5G THÔNG QUA TỐI ƯU HÓA BẢN TIN PAGING TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐINH VIỆT ANH NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG TÀI NGUYÊN MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO TRONG HỆ THỐNG 5G THƠNG QUA TỐI ƯU HĨA BẢN TIN PAGING Ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kĩ thuật viễn thơng Mã số: 8510302.02 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội – 2018 MỞ ĐẦU Việc phát triển tiếp nối kỉ nguyên công nghệ nói chung hệ mạng viễn thơng nói riêng thực hóa giấc mơ hứa hẹn đem tới diện mạo hoàn toàn cho sống nhân loại Câu chuyện 5G khơng nằm ngồi lẽ thường Trong năm gần đây, với phổ biến ngày tăng thiết bị thông minh, sống hàng ngày xoay quanh dịch vụ Internet di động Tương lai 5G bùng nổ lưu lượng liệu mạng truyền thông di động Sẽ khó để đáp ứng yêu cầu dung lượng 5G thông qua việc tăng hiệu suất phổ hay sử dụng phổ tần khác hệ mạng trước làm Khái niệm mạng mật độ siêu cao (Ultra-dense network – UDN) đời để đáp ứng kịch sử dụng tòa văn phòng, khu hộ, sân vận động hay tàu điện ngầm, nơi có mật độ thiết bị di động tăng đột biến Trong UDN, hạ tầng mạng thiết kế hướng đến người dùng với điểm truy cập hay trạm phát sóng triển khai dày đặc với phạm vi phủ sóng hẹp hơn, giúp cải thiện dung lượng hệ thống Nhưng điều đặt nhiều thách thức cho việc thiết kế kiến trúc mạng, quản lý tính di động, quản lý nhiễu đặc biệt việc sử dụng tài nguyên cách hợp lý Nhiều định hướng nghiên cứu đặt để giải trở ngại thiết kế hệ thống mạng tự tổ chức linh hoạt, xây dựng hệ thống mạng trục nhiều lớp có dây khơng dây, hay phối hợp nhiều kĩ thuật truy nhập vô tuyến Việc quản lý tính di động định hướng lại, lấy người dùng làm trung tâm, tích hợp lập trình phần mềm nhiều dựa phát triển hệ thống xử lí mạng lõi Việc quản lý tài nguyên vô tuyến phải đối mặt với phức tạp dày đặc môi trường truyền thông phải đáp ứng yêu cầu tăng vọt thông lượng Điều thúc đẩy nghiên cứu để tiết kiệm tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên lượng Khi sóng cực ngắn mmWave beamforming chọn công nghệ tàng 5G, đặc biệt phù hợp cho UDN với đặc tính vùng phủ hẹp, hiệu suất phổ cao, khái niệm truyền thông đẳng hướng đời giới hạn vùng phủ búp sóng mang thơng tin Khi đó, thơng tin quảng bá mạng cần truyền lặp lại tất búp sóng thay phát lần truyền thơng đa hướng mạng Điều cho thấy tầm quan trọng việc quản lý tài nguyên Trong phạm vi luận văn này, nghiên cứu nhằm tiết kiệm tài nguyên vô tuyến, cụ thể tối ưu hóa kích thước tin paging phát quảng bá hệ thống mạng cần tìm gọi thiết bị người dùng cuối, tập trung xem xét Luận văn bố cục phần Chương giới thiệu nhìn tổng quan 5G, đặc điểm yêu cầu kĩ thuật, thay đổi lớn 5G so với mạng 4G Chương trình bày khái niệm mạng mật độ siêu cao, thách thức định hướng nghiên cứu hay giải pháp để thực hóa UDN, nhấn mạnh tầm quan trọng việc quản lý tài ngun vơ tuyến Bài tốn quản lý tài ngun với thông tin quảng bá hệ thống mạng, cụ thể tin paging, xem xét Chương Đồng thời mơ hình kết giải pháp tối ưu kích thước tin paging nhằm tiết kiệm tài nguyên lượng hệ thống nghiên cứu đánh giá lại chương Chương TỔNG QUAN VỀ 5G 5G không tốc độ liệu cao hay dung lượng mạng cao Nó nhắm đến kiểu dịch vụ với độ tin cậy cực cao để xử lý tác vụ quan trọng Ví dụ kể tới như, ứng dụng nâng tầm trải nghiệm người dùng việc điều khiển nhà thông minh, ô tô thông minh; hay chí bác sĩ điều khiển từ khoảng cách xa cánh tay robot tham gia vào trình phẫu thuật y tế 5G hướng đến mục tiêu ảo hóa kết nối vạn vật cách hiệu quả, từ cảm biến đơn giản robot phức tạp, tất dựa vào việc nâng cấp tốt dịch vụ thông tin di động băng rộng truyền thống Điều đồng nghĩa hệ ứng dụng, dịch vụ kịch sử dụng đặt yêu cầu đa dạng Để vượt qua thử thách này, 5G cần có kiến trúc hồn tồn mới, lấy người dùng làm trung tâm Kiến trúc cần linh hoạt để tiếp nhận quản lý hàng tỉ kết nối, đem đến giải pháp để kết nối vạn vật, đồng thời lại tối ưu chi phí hiệu sử dụng lượng Tầm nhìn 5G hướng tới tảng thống cho tất loại băng tần phổ, từ băng tần thấp GHz băng tần siêu cao mmWave Nền tảng hỗ trợ hàng loạt dịch vụ cung cấp hội cho việc triển khai hay việc quản lý thuê bao tính phí Chìa khóa thành cơng cho tầm nhìn thiết kế giao diện truyền thơng linh hoạt, tùy biến cao, thích hợp với tất dải tầng tất loại dịch vụ Trong 5G tiếp tục định hình, với mục tiêu thương mại hóa vào năm 2020, 4G tiếp tục phát triển song hành Những nâng cấp 4G mang đến khả vượt xa kì vọng có bước chuyển để tiệm cận với 5G đem lại Tương lai hạ tầng mạng đa kết nối, đa tảng với kết hợp 5G, 4G Wi-Fi tạo điều kiện cho việc chuyển đổi triển khai 5G dễ dàng Hơn nữa, 5G với mạng lõi thống có khả hỗ trợ truy cập từ 4G Wi-Fi Điều chắn đầu tư nhà cung cấp mạng viễn thông tương lai đảm bảo Tồn hệ sinh thái cơng nghiệp di động tập trung tồn lực, góp sức từ nhiều khía cạnh, để sáng tạo hệ trải nghiệm di động 1.1 Kiến trúc tổng thể Hình 1-1 Kiến trúc 5G theo phân vùng ki ểu kết nối Mạng 5G cần đáp ứng đòi hỏi xã hội di động hoàn toàn kết nối Sự gia tăng đối tượng thiết bị kết nối mở đường cho loạt dịch vụ mơ hình kinh doanh liên quan cho phép tự động hóa ngành công nghiệp khác thị trường dọc (ví dụ lượng, sức khỏe điện tử, thành phố thông minh, xe kết nối, sản xuất cơng nghiệp, v.v.) Ngồi ứng dụng tập trung vào người, phổ biến thực tế ảo thực tế tăng cường, truyền video 4K, v.v., mạng 5G hỗ trợ nhu cầu liên lạc ứng dụng kiểu “máy máy” để làm sống trở nên an toàn thuận tiện Tất thay đổi hệ di động dựa khái niệm liên kết vô tuyến cung cấp gia tăng tốc độ liệu đỉnh khoảng hai bậc độ lớn Hệ thống 5G phải đáp ứng yêu cầu tỷ lệ tăng lực cần thiết năm 2020 yêu cầu độ trễ giảm Tuy nhiên, việc tích hợp dịch vụ lĩnh vực ứng dụng quan trọng tăng tỷ lệ giảm độ trễ Hệ thống 5G môi trường khơng dây thúc đẩy Internet of Things và, ngồi phục vụ nhu cầu người, 5G phải phục vụ cho giao tiếp kiểu máy khác với yêu cầu khác Tựu chung lại, phạm vi yêu cầu tăng lên đáng kể so với công nghệ Mobile Broad Band (MBB) Ví dụ, tốc độ liệu dao động từ thấp liệu cảm biến đến mức cao cho video độ nét cao Độ trễ dao động từ thấp ứng dụng quan trọng an toàn đến ứng dụng mà độ trễ khơng thực hạn chế Kích thước gói thay đổi từ nhỏ, ví dụ: ứng dụng dành cho điện thoại thơng minh, kích thước lớn, ví dụ: chuyển tập tin 5G hệ thống cơng nghệ đa truy nhập vơ tuyến, Hình 1-1, tích hợp hiệu khối xây dựng sau: - Băng thông rộng di động phát triển (eMBB) cung cấp tốc độ liệu cao truyền thông độ trễ thấp cải thiện chất lượng trải nghiệm (QoE) cho người dùng - Massive Machine Communications (MMC) cung cấp giải pháp kết nối mở rộng khả mở rộng cho hàng chục tỷ thiết bị hỗ trợ mạng, khả kết nối mở rộng quan trọng hệ thống liên lạc di động không dây tương lai - Phương tiện cho xe cộ, thiết bị sở hạ tầng (V2X) dịch vụ hỗ trợ lái xe yêu cầu hợp tác xe cộ với với môi trường chúng (ví dụ: xe người dùng dễ bị tổn thương điện thoại thông minh) để cải thiện an tồn giao thơng hiệu giao thơng tương lai Các dịch vụ V2X cho mạng di chuyển (moving networks) yêu cầu liên kết truyền thông đáng tin cậy cho phép truyền gói liệu với độ trễ tối đa đảm bảo tốc độ xe cao - Truyền thông siêu tin cậy (URC) cho phép mức độ sẵn sàng cao Nó yêu cầu để cung cấp giải pháp mở rộng tiết kiệm chi phí cho mạng hỗ trợ dịch vụ có yêu cầu cao tính khả dụng độ tin cậy Phân tích dịch vụ đáng tin cậy cung cấp chế để giảm tốc độ tăng độ trễ, thay bỏ kết nối, số lượng người dùng tăng lên, cách sử dụng kiến trúc hệ thống hỗ trợ triển khai truyền thông D2D (device to device) mạng mật độ siêu cao (UDN) 1.2 Những yêu cầu kĩ thuật hướng tiếp cận Điện thoại di động tảng công nghệ lớn lịch sử 3G giới thiệu khái niệm băng rộng di động phổ biến điện thoại thông minh kết hợp với đời 4G dẫn đến bùng nổ liệu di động ngày tăng mang đến khái niệm “thách thức liệu di động 1000x” Nhờ phát triển nhanh chóng điện tốn di động lộ trình LTE-Advanced mạnh mẽ, ngành công nghiệp viễn thông di động hướng để đáp ứng thách thức Thách thức 1000x giải 3G, 4G, Wi-Fi, thông qua việc triển khai ngày tăng tế bào nhỏ với nhiều phổ tần Do tiên lượng tích cực cho tương lai, câu hỏi đặt ra, cần 5G, làm cho 4G khơng thể? Câu trả lời tầm nhìn 5G khơng cung cấp băng thông rộng tốt với dung lượng cao tốc độ liệu cao với chi phí thấp nhiều mà cịn để giải thách thức hồn tồn vượt xa, để kích hoạt dịch vụ kết nối ngành Yêu cầu dịch vụ tồn dịch vụ khác lớn từ nhiều khía cạnh Cải tiến cực đoan khía cạnh thường địi hỏi trả giá khía cạnh khác Nói cách khác, người ta khơng thể có độ tin cậy cực cao chi phí cực thấp lúc, 5G phải mở rộng đến mức hiệu suất phù hợp cho dịch vụ, giảm chi phí cho dịch vụ khác ITU-Radiocommunication, số đơn vị Liên minh viễn thông quốc tế (ITU) tổng kết ngữ cảnh sử dụng, rõ khác tính chất khía cạnh phát triển 5G Hình 1-3 - Băng rộng di động nâng cao: Dịch vụ di động băng rộng ví dụ điển hình cho trường hợp sử dụng 5G hướng tới người, nhằm truy cập nội dung đa phương tiện, dịch vụ hay liệu Nhu cầu băng rộng di động tiếp tục tăng, dẫn đến tăng cường di động băng thông rộng Kịch sử dụng băng rộng di động nâng cao kèm với lĩnh vực ứng dụng yêu cầu vượt khả ứng dụng băng rộng di động cho hiệu suất cải thiện trải nghiệm người dùng ngày liền mạch Hình 1-3 Ba hướng phát triển hệ thống 5G [1] - Truyền thông độ trễ thấp cực đáng tin cậy: Trường hợp sử dụng có yêu cầu nghiêm ngặt khả thiết bị mạng lưới thông lượng, độ trễ tính khả dụng Một số ví dụ kể đến bao gồm kiểm sốt khơng dây sản xuất cơng nghiệp quy trình sản xuất, phẫu thuật y tế từ xa, tự động hóa phân phối lưới điện thơng minh, an tồn giao thơng, v.v - Truyền thông kiểu máy số lượng lớn: Trường hợp sử dụng đặc trưng số lượng lớn thiết bị kết nối thường truyền kiểu liệu không nhạy cảm với chậm trễ Các thiết bị u cầu phải có chi phí thấp có thời lượng pin dài IMT-2020 (5G) PG nhóm yêu cầu cấp cao cho 5G thành số số hiệu suất số hiệu Các số hiệu suất cho 5G bao gồm tốc độ liệu người dùng, mật độ kết nối, độ trễ đầu cuối, mật độ lưu lượng truy cập, tính di động tốc độ liệu đỉnh Định nghĩa chúng liệt kê Bảng 1-1 Bảng 1-1 Các số đánh giá suất 5G Chỉ số đánh giá Tốc độ liệu người dùng (bps) Mật độ kết nối (/km2) Độ trễ đầu cuối (ms) Mật độ lưu lượng truy cập (bps/km2) Tính di động (km/h) Tốc độ liệu đỉnh (bps) Định nghĩa Tốc độ bit thấp mà người dùng đạt tới điều kiện mạng thật Tổng số thiết bị kết nối vùng không gian Khoảng thời gian việc truyền gói liệu từ phía phát nhận thành cơng phía thu Tốc độ liệu tổng cộng tất người dùng vùng không gian Tốc độ tương đối bên thu bên phát điều kiện định Tốc độ liệu tối đa cho người dùng Trong số yêu cầu này, tốc độ liệu trải nghiệm người dùng, mật độ kết nối độ trễ đầu cuối ba yếu tố Trong đó, 5G cần cải thiện đáng kể hiệu việc triển khai vận hành mạng So với 4G, 5G nên có 3-5 lần cải thiện hiệu suất phổ cải thiện 100 lần lượng hiệu chi phí Hình 1-4 Khác biệt từ tiêu chuẩn IMT-Advanced lên IMT-2020 [4] 1.3 Vài nét chuẩn 5G 3GPP Release 15 5G bắt đầu định hình 3GPP Release 14, vào tháng năm 2017, với nghiên cứu vấn đề đòi hỏi then chốt Bộ tiêu chuẩn kĩ thuật từ 3GPP phát triển qua bước sau (Hình 1-6): Hình 1-6 Các giai đoạn phát triển tiêu chuẩn kĩ thuật 3GPP 5G [5] - Non-Stand-Alone (NSA): 3GPP định phát triển tiêu chuẩn “không độc lập” Release 15 với mục tiêu đưa 5G tới với thị trường sớm Bộ tiêu chuẩn hoàn thiện vào tháng 12 năm 2017 Mục đích NSA nêu nâng cấp liên quan tới hạ tầng vô tuyến Phần vô tuyến 5G kết hợp với mạng lõi 4G chờ đợi cấp điểm phủ sóng nhỏ hỗ trợ cho mạng 4G mạng che phủ Mơ hình gọi kết nối kép E-UTRA-NR (EN-DC) - Giai đoạn 1: Giai đoạn tiêu chuẩn 5G hồn thiện bao trùm hạ tầng vơ tuyến, mạng lõi, bảo mật tất tiêu chuẩn liên quan Giai đoạn tập trung vào mảng Băng rộng di động nâng cao (eMBB) ITU đề Bộ tiêu chuẩn hoàn thiện vào tháng năm 2018 - Giai đoạn 2: Phần lại tiêu chuẩn kĩ thuật cho Truyền thông kiểu máy số lượng lớn (mMTC) Truyền thông độ trễ thấp cực đáng tin cậy (URLLC) sẵn sàng giai đoạn Bộ tiêu chuẩn chờ đợi hoàn thiện vào tháng 12 năm 2019 1.3.1 Thần số Numerology cấu trúc khung Với trường hợp sử dụng rộng rãi lên kế hoạch cho 5G NR, thiết kế lớp vật lý mở rộng linh hoạt bắt buộc trường hợp Các numerology khác nhau, tương ứng cấu trúc khung linh hoạt hỗ trợ Numerology Ý tưởng OFDM chia kênh rộng thành sóng mang hẹp, trực giao với Một tập hợp tham số xác định cách phân chia thực từ thiết kế nên hệ thống OFDM, khoảng cách sóng mang (SCS), độ dài kí tự, tiền tố cyclic (CP) khoảng thời gian truyền (TTI) Một numerology định nghĩa cấu hình cố định cho tập hợp tham số Khoảng cách sóng mang (SCS): cân độ dài kí tự (giá trị SCS thấp, độ dài kí tự lớn) chi phí cho CP (SCS cao chi phí cho CP lớn) Nó đề xuất giá trị tương đối, ứng với Δf × 2µ Điều để đạt hiệu ghép kênh cao numerlogy khác Khoảng cách sóng mang thay đổi theo tần số băng tần hoạt động / tốc độ tối đa người dùng để giảm thiểu tác động hiệu ứng Doppler nhiễu pha Độ dài tiền tố cyclic: cân chi phí cho CP khả khử ISI Nó phải xác định dựa ngữ cảnh triển khai (ví dụ: ngồi trời hay nhà) dải tần số, loại dịch vụ (ví dụ: unicast hay broadcast) xác định việc cơng nghệ trun phát định hướng dùng búp sóng có sử dụng hay khơng Số ký tự TTI: cân độ trễ (số lượng kí tự thấp, độ trễ tốt) hiệu suất phổ (số lượng kí tự thấp chi phí cho kênh điều khiển cao, đồng nghĩa với hiệu suất phổ thấp) Nó đề xuất giá trị tương đối, ứng với 2M ký tự cho TTI Điều để đảm bảo thu nhỏ TTI cách linh hoạt cho URLLC từ 2M kí tự đến kí tự Đối với 5G NR, numerology khác định nghĩa, với numerology tương ứng với khoảng cách sóng mang miền tần số, cho phép khoảng cách sóng mang mở rộng từ 15 kHz đến 240 kHz Một khe thời gian bao gồm 14 ký tự OFDM cho tất SCS khác Đối với băng tần sub-6GHz, khối tín hiệu đồng (SSB – Synchronization Signal Block) sử dụng khoảng cách 15 30 kHz, truyền liệu khoảng cách 15, 30 60 kHz sử dụng Cịn mmWave, sử dụng khoảng cách 120 240 kHz cho SSB, truyền liệu khoảng cách 60 120 kHz sử dụng Cấu trúc khung Bất kể numerology sử dụng, độ dài khung vô tuyến cố định 10ms chiều dài khung phụ cố định 1ms, sử dụng làm đơn thời gian cho cấu hình lớp vật lý Các numerology khác sau dịch theo số khe thời gian khung phụ Khoảng cách sóng mang cao, số lượng khe thời gian khung phụ cao (Hình 1-8) Hình 1-8 Cấu trúc khung 5G v ới numerology khác cấu hình khe thời gian định nghĩa, cấu hình số 0, chứa 14 ký tự OFDM áp dụng cho tất numerology, cấu hình số 1, chứa ký tự OFDM áp dụng cho SCS nhỏ 60 kHz Đối với cấu trúc, khe thời gian nào, ngoại trừ khe thời gian mang SSB, tất đường xuống, tất đường lên phần đường xuống phần đường lên Điều cho phép việc tùy chọn khung phụ tích hợp nhiều kiểu liệu lập lịch, liệu thực xác nhận 1.3.2 Sóng cực ngắn mmWave Nhu cầu ngày tăng toàn cầu dịch vụ di động băng thông rộng nâng cao thúc đẩy nhu cầu tiếp cận với nhiều phổ tần số Tần số mạch máu kết nối di động - khả tiếp cận với phổ tần rộng tăng khả mạng, có nghĩa tốc độ liệu nhanh trải nghiệm người dùng tốt Một hội 5G mang lại sử dụng băng tần cao không phù hợp với truyền thông di động trước 5G NR không thiết kế cho băng tần GHz, nơi hầu hết liên lạc di động sử dụng, mà cung cấp thiết kế thống sử dụng dải tần trung bình, chẳng hạn 3,3 đến GHz, dải cao 24 GHz, gọi mmWave (Hình 1-11) Hình 1-11 Dải tần trải rộng 5G (Nguồn: rcrwireless.com) Mặc dù băng tần cao 24 GHz sử dụng thời gian dài giao tiếp không dây thiết kế kỹ lưỡng theo kiểu cố định “nhìn thấy được” (fixed line-of-sight) cho mạng hạ tầng không dây vệ tinh, mmWave biên giới cho thiết bị di động Cho đến nay, mạng di động triển khai phổ tần GHz tần số cao hơn, đặc biệt băng mmWave, không hiệu ứng dụng vào di động băng rộng khả truyền lan rộng dễ bị tắc nghẽn Để tận dụng mmWave đòi hỏi thiết kế hệ thống 5G NR để vượt qua thách thức mạnh mẽ Những cải tiến triệt để khả tính tốn, khả tích hợp số lượng lớn phần tử ăng-ten chuỗi RF thành RFIC phân đoạn theo mảng cách hiệu chi phí tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp cải tiến 5G lên thiết bị di động, bao gồm điện thoại thơng minh 1.3.3 Massive MIMO Truyền sóng dạng búp Beamforming MIMO viết tắt multiple input, multiple output MIMO tăng số lượng anten thiết bị Ví dụ, đài phát sử dụng MIMO 2×2 có hai anten sử dụng cho truyền nhận Điều tương tự xảy với MIMO 4×4 8×8 MIMO cải thiện hiệu suất phổ cách tạo nhiều đường truyền nhận trạm gốc thiết bị đầu cuối Bản thân MIMO khơng có Cả mạng Wi-Fi LTE sử dụng anten MIMO Hầu hết trạm LTE hai loại 2×2 4×4 Một số nhà mạng tiến thêm bước cách triển khai MIMO 8×8 băng tần TDD Massive MIMO khơng có ý nghĩa cụ thể khác ngồi việc có nhiều anten so với sử dụng mạng di động Việc sử dụng nhiều anten, kết hợp với tính chất tự nhiên sóng, tần số cao mmWave sử dụng, sóng phát định hình dướng dạng búp (beamforming) hướng tới mục tiêu cố định Beamforming sử dụng nhiều anten để điều khiển hướng mặt sóng cách cân đối độ lớn pha tín hiệu ăng-ten riêng lẻ (truyền chùm tia) Điều khiến cung cấp độ phủ tốt cho khu vực cụ thể nằm rìa cell Bởi anten đơn mảng đóng góp cường độ cho tín hiệu định hướng, tạo nên độ lợi mảng (hay gọi độ lợi beamforming) Beamforming ngăn chặn vài tín hiệu nhiễu cách áp dụng mẫu tia rỗng (null beam-pattern) theo hướng tín hiệu nhiễu Thích ứng beamforming kỹ thuật liên tục áp dụng beamforming cho máy thu di chuyển, giữ kết nối với tốc độ vài trăm km/h Điều địi hỏi xử lý tín hiệu nhanh chóng thuật tốn mạnh mẽ mà 5G đáp ứng Với Massive MIMO dựa beamforming, tín hiệu vơ tuyến tập trung theo nhu cầu đến khu vực có thiết bị đầu cuối cụ thể Nó cải thiện hiệu suất phổ chủ yếu beamforming 5G tiên tiến hệ mạng trước, giúp tạo độ xác tín hiệu lớn hơn, có chất lượng gọi tốt rìa cell Về bản, khác biệt Massive MIMO đến từ việc nhà cung cấp dịch vụ tăng dung lượng mạng mà không cần sử dụng tới trạm phát lặp lại hay trạm gốc bổ sung Dưới tổng kết lợi ích lớn mà Massive MIMO mang lại - Cải thiện hiệu suất quang phổ dung lượng mạng cho thông lượng cao Hệ thống gửi nhận nhiều tín hiệu liệu kênh radio, làm tăng hiệu suất quang phổ ô số lượng người dùng phục vụ lúc Điều làm tăng thông lượng tế bào đỉnh trung bình hiệu so với kỹ thuật khác, chẳng hạn phổ trang bổ sung - Tín hiệu mạnh giảm nhiễu cho độ phủ sóng tốt Beamforming cung cấp chùm xác hẹp thơng qua mục tiêu tín hiệu, làm giảm nhiễu cải thiện chất lượng tín hiệu, đặc biệt cạnh tế bào Beamforming cho phép mở rộng phạm vi tế bào so với ăng-ten truyền thống Điều đặc biệt tần số cao hơn, nơi chùm tia bù đắp cho tổn thất đường dẫn cao 1.3.4 Trạng thái RRC-Inactive Với xu hướng hướng tới Internet of Things (IoT) mMTC, 5G chờ đợi phục vụ số lượng khổng lồ thiết bị đầu cuối trang bị pin (ví dụ: cảm biến, thẻ hành lý, v.v.) Do đó, hiệu suất tuổi thọ pin cần thiết, đặc biệt thiết bị có khả truy cập hạn chế (ví dụ: địa điểm xa, khu vực hạn chế) Đồng thời, yêu cầu truyền gói tin nhanh (hoặc DL UL) dự kiến nghiêm ngặt 5G so với hệ di động trước Sự cân hiệu suất lượng thiết bị khả tiếp cận nhanh thường gọi "Vấn đề ngủ UE" Một trạng thái RRC mới, bổ sung cho hai trạng thái LTE RRC-Idle RRC-Connected, giới thiệu để giải vấn đề Trạng thái gọi RRC-Inactive Nó cho phép UE hưởng lợi từ số khía cạnh hai trạng thái ban đầu Hình 1-13 cho thấy ba trạng thái đề xuất trình chuyển đổi trạng thái lợi ích ước tính Hình 1-13 Trạng thái RRC-Inactive lợi ích đạt [15] Chương MẠNG MẬT ĐỘ SIÊU CAO TRONG 5G Yêu cầu kĩ thuật mạng truyền thông trở thành vấn đề quan trọng Đến năm 2020, lưu lượng truy cập di động toàn cầu tăng gấp khoảng 1.000 lần so với năm 2010 Theo lịch sử 4G hệ trước, hệ mạng di động, tức 5G vào năm 2020 xa nữa, đạt 20 Gbps, gấp 10 lần so với tốc độ liệu cao 4G Nghiên cứu gần đòi hỏi 5G cho thấy mật độ lưu lượng khu vực thành phố đông đúc khu vực tập trung đạt 10 Tbps/km2 Ngoài ra, yêu cầu khác độ trễ thấp hơn, hiệu suất quang phổ cao hiệu suất lượng đề cập Thường có ba cách để cải thiện thông lượng hệ thống không dây: (1) nâng cao hiệu suất phổ thông qua cơng nghệ mã hóa điều chế mới; (2) tăng băng thông phổ tần; (3) tách cell để cải thiện mật độ tái sử dụng phổ Đến năm 2008, dung lượng vô tuyến tăng lên triệu lần so với năm 1957 Trong số này, 25 lần cải tiến đến từ phổ tần rộng hơn, 25 lần cải tiến đóng góp việc nâng cấp thiết kế giao diện vô tuyến 1600 lần cải tiến giảm kích thước cell khoảng cách truyền Từ quan điểm phát triển kỹ thuật, tiềm lợi ích xuất phát từ nâng cấp phương pháp điều chế công nghệ đa ăng-ten tiến tới giới hạn Trong LTE-Advanced, hiệu suất phổ đỉnh lý thuyết đạt tới 30 bps/Hz thông qua ghép kênh không gian lớp Giá trị gần đạt đến mức tối đa công nghệ truyền dẫn không dây điển hình Thứ hai, tài ngun phổ ln bị hạn chế Sự phát triển liên tục dịch vụ vơ tuyến vệ tinh, phát truyền hình, thiết bị đầu cuối di động khiến phổ tần số trở thành tài nguyên khan Đó thách thức lớn để xác định phân bổ đủ nguồn tài nguyên phổ cho hệ thống viễn thông di động tồn cầu Các phân tích cho thấy, khó để đáp ứng yêu cầu dung lượng 5G thông qua việc tăng hiệu suất phổ phân bổ phổ tần khác Vì vậy, kết luận rằng, việc tăng mật độ điểm truy cập khơng dây với phạm vi phủ sóng nhỏ cách hiệu để cải thiện dung lượng hệ thống, đặc biệt khu vực đông đúc Trong báo cáo M.2320 ITU-R, khái niệm mạng mật độ siêu cao đề xuất làm xu hướng công nghệ để đáp ứng yêu cầu thông lượng cao 5G Các kịch điển hình UDN bao gồm: tịa văn phịng, khu hộ, điểm truy cập cơng cộng ngồi trời, sân vận động, tàu điện ngầm ga đường sắt Các yêu cầu chung kịch số lượng lớn kết nối, lưu lượng mạng mật độ cao cần đảm bảo tốc độ liệu cao 2.1 Khái niệm mạng mật độ siêu cao (UDN) Sự khác biệt UDN mạng di động truyền thống nằm mật độ điểm truy cập (AP) Trong UDN, bán kính vùng phủ sóng AP khoảng 10 m có hàng ngàn AP km2 Nhưng mạng di động truyền thống, phạm vi cell 500 m thường có 3-5 trạm gốc (BS) km2 Tương ứng, có thiết bị đầu cuối kết nối với UDN AP, có hàng trăm chí hàng ngàn người dùng cư trú hoạt động macro cell mạng truyền thống Bảng 2-1 đưa so sánh UDN mạng di động truyền thống Bảng 2-1 So sánh UDN mạng di động truyền thống Tiêu chí Kịch triển khai Mật độ AP Vùng phủ AP Loại AP Mạng lõi AP Mật độ người dùng Tính di động người dùng Mật độ lưu lượng Phân bổ Băng thông Phổ tần UDN Mạng di động truyền thống Trong nhà, Điểm phát sóng Vùng phủ rộng Hơn 1000 trạm/km2 3~5 trạm/km2 Khoảng 10m Vài trăm mét Small cell, Pico cell, Femto cell, Macro cell UE relay, Relay Lý tưởng/Không lý tưởng Lý tưởng Có dây/Khơng dây Có dây Siêu cao Trung bình Thấp Cao Cao Trung bình Khơng đồng nhất, khơng Một lớp, đồng Hàng trăm MHz Hàng chục MHz > GHz mmWave < GHz 2.2 Thách thức định hướng kĩ thuật UDN Mục tiêu cung cấp mật độ lưu lượng truy cập cao trải nghiệm người dùng tốt UDN đặt nhiều thách thức bao gồm kiến trúc mạng, quản lý tính di động, quản lý nhiễu, v.v Từ đó, định hướng kĩ thuật để phát triển hạ tầng mạng xây dựng để vượt qua thách thức 2.2.1 Thách thức định hướng kiến trúc mạng Kiến trúc mạng di động truyền thống thiết kế cho vùng phủ sóng rộng liền mạch Do khác biệt UDN so với mạng di động truyền thống liệt kê Bảng 2-1, có nhiều vấn đề nảy sinh tận dụng kiến trúc mạng di động truyền thống (ví dụ: kiến trúc mạng 4G) cho UDN - Thứ nhất, tải tín hiệu điều khiển đường truyền liệu phân cấp dài: Quá nhiều chức kiểm soát dịch vụ điều khiển di động tập trung mạng lõi (CN) thực thể hệ thống mạng 4G MME - Thực thể quản lý tính di động PDN-Gateway - Cổng truy nhập mạng liệu gói hay Serving Gateway - Cổng phục vụ Điều không hiệu UDN lưu lượng truy cập tăng cao AP triển khai dày đặc số lượng tín hiệu điều khiển trở nên cao, chí tải, đường truyền liệu phải qua nhiều chặng phân cấp, dẫn tới trễ giảm độ tin cậy - Thứ hai, chuyển giao thường xuyên: Gắn kết chặt chẽ user plane control plane giao diện vô tuyến hệ thống mạng 4G dẫn đến việc chuyển giao thường xuyên vùng phủ sóng AP UDN nhỏ Điều không hiệu linh hoạt hệ thống mạng có tính khơng đồng UDN bao gồm vùng phủ sóng cell vĩ mơ UDN AP - Thứ ba, phân tán chức mạng: Để hỗ trợ tốt việc quản lý nhiễu quản lý tài nguyên cho UDN, chức AP phân tán cần tập trung Nói cách khác, xử lý lớp cao quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM), chức quản lý di động cần phân tán AP cách độc lập 10 - Thứ tư, trải nghiệm người dùng tốt hơn: UDN đặt mục tiêu cung cấp trình chuyển giao mượt mà với tốc độ liệu cao cho người dùng với mật độ AP dày đặc Chức thu thập truyền liệu đơn giản Local Gateway (LGW) hệ thống mạng 4G hỗ trợ trải nghiệm người dùng tốt Cần có nhiều chức cho LGW Do đó, tìm kiến trúc UDN cần thiết để hỗ trợ triển khai AP với mật độ cao quản lý mạng cách linh hoạt Trong kiến trúc này, cần có trung tâm dịch vụ người dùng tập trung cục để đo lường môi trường vô tuyến người dùng Bên cạnh đó, RRM trung tâm điều khiển dịch vụ người dùng gần với người dùng để giải tốt bước xử lý chung kiểm soát chất lượng dịch vụ (QoS) Cùng với đó, chức mạng lõi nên đơn giản hóa để cung cấp dịch vụ mức cao cho người dùng 2.2.2 Thách thức định hướng quản lý tính di động Với phạm vi phủ sóng nhỏ cấu trúc liên kết mạng bất quy tắc, quản lý di động UDN khác với mạng di động truyền thống - Trong mạng truyền thống, location area cấu hình tĩnh Và cách chia LA không liên quan đến yếu tố người dùng Khác với UDN, ranh giới LA mạng di động trở nên khơng rõ ràng Do đó, chế độ quản lý vị trí thay đổi từ quy hoạch AP tĩnh thành kết hợp AP động - Mạng UDN lấy người dùng làm trung tâm nên hoạt động dựa theo cách mà người dùng sử dụng dịch vụ, ví dụ dịch vụ theo yêu cầu tính di động người dùng, để cung cấp dịch vụ tốt môi trường vô tuyến phức tạp Vì vậy, việc quản lý tính di động cần tối ưu kết hợp với việc quản lý tài nguyên hay quản lý nhiễu - Trong tình mà AP triển khai dày đặc, phạm vi bao phủ AP nhỏ, tức vài mét đến vài chục mét, theo phương pháp định chuyển giao truyền thống, việc chuyển giao xảy thường xuyên khả gián đoạn trải nghiệm liệu tốc độ cao người dùng tăng lên Thêm vào đó, từ quan điểm nhà mạng, tình dẫn tới tải tín hiệu điều khiển 2.2.3 Thách thức định hướng quản lý nhiễu Số lượng lớn AP mang lại thông lượng cao nhiều trải nghiệm người dùng tốt hơn, dẫn đến vấn đề nhiễu Việc quản lý nhiễu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu hệ thống Cùng với việc ghép kênh tài nguyên để phục vụ nhiều lượng truy cập hơn, nhiễu tăng lên trở nên phức tạp mạng di động truyền thống Chúng ta cần giải vấn đề sau: - Môi trường vô tuyến siêu dày đặc dẫn đến nhiều nguồn gây nhiễu Ví dụ, đám đông tàu điện ngầm, nhiều thiết bị đầu cuối AP tồn Tín hiệu có nhiều đường phản xạ phân tán Sau đó, cơng suất truyền tải tăng lên, điều tạo nhiều nhiễu trước - Giảm nhiễu tăng hiệu suất sử dụng tài nguyên trở thành hai phần mâu thuẫn lẫn cần phải tìm điểm cân thích hợp - Các thông số để đánh giá tác động nhiễu ngưỡng nhiễu khơng phản ánh hiệu suất tổng thể mạng Vì vậy, cần sử dụng thông số phù hợp để đưa báo tốt kết việc quản lý nhiễu thông lượng, hiệu suất lượng thơng số khác hệ thống Vì vậy, nên thiết lập mơ hình can thiệp thích hợp, phân tích kịch truyền dẫn khơng dây điển hình, sau đề xuất phương pháp kiểm soát nhiễu hiệu cho UDN 2.2.4 Thách thức định hướng tính linh hoạt hệ thống mạng Với mật độ cực cao việc triển khai phức tạp mạng không đồng nhất, việc lập kế hoạch tối ưu hóa mạng trở nên khó khăn UDN Điều quan trọng tăng cường Mạng tự tổ chức (SON) để có hệ thống mạng linh hoạt Một số lượng lớn AP UDN làm cho việc tự cấu hình, tự tối ưu tự sửa chữa trở nên phức tạp Thông lượng cực cao, độ trễ cực thấp, độ tin cậy cực cao, lượng kết nối lớn cần phải cung cấp UDN Ở khía cạnh khác, UDN mạng phức tạp bao gồm việc hỗ trợ kịch nhà trời, với mạng trục liên kết AP triển khai cách lý tưởng lẫn không lý tưởng Từ quan điểm công nghệ truy cập vô tuyến, tồn công nghệ truy cập 5G, công nghệ truy cập LTE, công nghệ truy cập WLAN làm việc Vì vậy, kiến trúc mạng linh hoạt với cảm biến mạng thông minh tối ưu hóa mạng quan trọng mạng linh hoạt tăng hiệu phổ UDN 11 Dựa phân tích trên, xây dựng kiến trúc mạng cho UDN hướng quan trọng Các công nghệ chủ chốt hướng tới mạng linh hoạt, tự tái cấu trúc, phối hợp nhiều RAT, quản lý nhiễu nâng cao, quản lý di động nâng cao quản lý tài nguyên vô tuyến cần thiết cho UDN Ngồi ra, kịch vơ tuyến khác tần số cao hơn, băng thông rộng hơn, công nghệ truyền dẫn thiết kế giao diện vô tuyến cần thiết để nâng cao hiệu hệ thống cho UDN Truyền thơng sóng milimet hướng hấp dẫn UDN cung cấp trải nghiệm người dùng lên tới hàng Gbps thông lượng hàng chục Gbps AP Và thích hợp cho việc cải tiến mạng trục không dây cho UDN AP 2.3 Các kiến trúc mạng đề xuất cho UDN 2.3.1 Nguyên lý chung Cấu trúc liên kết UDN hướng tới 5G tóm tắt với đặc điểm sau đây: (1) AP động phân phối ngẫu nhiên với mật độ cao mà khơng cần quy hoạch mạng trước đó; (2) loại AP khác với mạng backhaul fronthaul khác nhau; (3) mạng không đồng với phạm vi khác nhau, dải phổ khác nhiều công nghệ truy cập vô tuyến (RAT) tồn Dựa vào đặc điểm trên, để cung cấp thông lượng cao trải nghiệm người dùng tốt hơn, số nguyên tắc phương pháp cho thiết kế kiến trúc mạng nêu ra: - Địa phương hóa phẳng hóa: Đây phương pháp có hiệu kinh tế đầy hứa hẹn, giảm tải 1000 lần lưu lượng truy cập khu vực UDN địa phương Một kiến trúc phẳng cần thiết để hỗ trợ địa phương hóa giảm chi phí truyền tải Địa phương hóa đường dẫn liệu chức điều khiển giới thiệu kiến trúc cho 5G UDN đề xuất METIS NGMN - Tách rời user plane control plane: Nguyên tắc đưa kiến trúc LTE-Hi việc tách biệt mặt phẳng người dùng mặt phẳng điều khiển Đó cách hiệu để cung cấp cho người dùng tốc độ liệu cao thông qua small cell với mật độ cao tính di động khơng làm suy giảm trải nghiệm kết nối Tính thức hỗ trợ 3GPP Release 12 thông qua kết nối kép / đa node - Lấy người dùng làm trung tâm: Hướng tới 5G, UDN hoàn toàn khác với mạng di động truyền thống Việc đảm bảo nguyên tắc người dùng làm trung tâm điều tối quan trọng Mạng tổ chức với AP động, bố trí dày đặc để phục vụ người dùng, khiến người dùng cảm thấy trung tâm cell Mạng siêu dày đặc với người dùng làm trung tâm (UUDN) cung cấp khả quản lý di động tập trung vào người dùng, phân lớp mạng lấy người dùng làm trung tâm cho data plane kiểm sốt mạng theo người dùng cụ thể, mang lại trải nghiệm người dùng tốt hiệu phổ cao - Mạng truy cập tập trung, mạng truy cập phân tán mạng truy cập linh hoạt: Đối với kiến trúc truy nhập vô tuyến tập trung, cung cấp việc xử lý phối hợp tốt có hiệu suất phổ cao hơn, cần có tảng mạng backhaul / fronthaul tốt Đối với kiến trúc phân tán, linh hoạt cho việc triển khai mạng, việc quản lý nhiễu khó có hiệu suất phổ thấp Vì vậy, kiến trúc linh hoạt cần đề xuất để kết nối cách thích ứng AP với mạng backhaul / fronthaul có dung lượng khác - Mạng định nghĩa phần mềm ảo hóa chức mạng: Các xu hướng mạng định nghĩa phần mềm (SDN) ảo hóa chức mạng (NFV) ảnh hưởng đến thiết kế kiến trúc mạng cho 5G Với việc tách phần mềm điều khiển chuyển tiếp, phần mềm phần cứng, kiến trúc mạng thiết kế lại để xác định chức mạng giao diện chúng thực thể giao diện chúng Điều cho phép xây dựng kiến trúc linh hoạt cho 5G UDN 2.3.2 Kiến trúc GPP HeNB Kiến trúc HeNB dễ dàng để phát triển thiết bị giai đoạn triển khai sớm với mật độ HeNB thấp Nhưng mật độ AP tăng lên, kiến trúc gặp thách thức sau: - Nhiều chức kiểm soát dịch vụ quản lý di động tập trung mạng lõi Điều không hiệu lưu lượng truy cập cao triển khai AP dày đặc UDN Nó dẫn đến q tải tín hiệu điều khiển độ trễ truyền liệu cao AP mạng lõi - Gắn kết chặt chẽ user plane control plane giao diện vô tuyến dẫn đến việc chuyển giao tần số mạng UDN dày đặc - Chức truyền liệu Local GW hỗ trợ cho trải nghiệm dịch vụ với người dùng trung tâm 12 Hình 2-1 Kiến trúc GPP HeNB [16] 2.3.3 Kiến trúc tăng cường Small Cell Hình 2-2 Kiến trúc tăng cường Small Cell [17] Một “kết nối kép” sử dụng để hoạt động UE cho trước chiếm tài nguyên vô tuyến cung cấp hai điểm mạng khác kết nối với thông qua mạng backhaul không lý tưởng Kết nối kép thực cách tổng hợp tài nguyên vô tuyến nhiều eNB để truyền liệu user plane minh họa Hình 2-2 Theo giải pháp này, lượng tín hiệu điều khiển mạng lõi giảm tải điểm mốc chuyển giao giữ macro cell Trong hoạt động kết nối kép, UE có kết nối điều khiển RRC với trạm macro Với nguyên lý này, có Master eNB (MeNB) tạo tin điều khiển RRC cuối gửi tới UE MeNB Secondary eNB (SeNB) phối hợp chặt chẽ để cung cấp kết nối kép user plane Lớp RRC UE nhận tất tin điều khiển đến từ thực thể RRC (trong MeNB) UE trả lời lại thực thể Với kiến trúc này, lượng tín hiệu điều khiển tải chuyển giao giảm người dùng di chuyển small cell Nhưng cịn nhiều tín hiệu điều khiển UE tốc độ cao trạm macro trình di chuyển tín hiệu q trình cập nhật SeNB 2.3.4 Kiến trúc UDN METIS UDN xác định năm chủ đề xương sống dự án METIS hướng tới 5G, bốn yếu tố tảng kỹ thuật UDN sử dụng giao diện vơ tuyến dựa tảng OFDM kĩ thuật TDD phổ tần linh hoạt để cung cấp phổ tần rộng từ vài GHz đến mmWave, chế lập lịch đường lên / đường xuống linh hoạt giảm độ trễ gói tin Đồng thời, UDN tích hợp tận dụng tương tác nhiều loại small cell phân bố dày đặc để áp dụng thuật toán chia lớp dịch vụ kích hoạt / hủy kích hoạt node 13 Hình 2-3 Kiến trúc UDN METIS [7] Dựa tách biệt mặt phẳng người dùng mặt phẳng điều khiển, sáu chức định nghĩa kiến trúc Đồng hóa chức vơ tuyến control plane (SRC) đồng hóa chức vơ tuyến user plane (SRU) triển khai gần với người dùng Việc hỗ trợ Multi-AP RRH với backhaul lý tưởng với PHY / MAC tập trung, giống công nghệ C-RAN Các chức vô tuyến không đồng control plane (ARC) user plane (ARU) với user plane CN (Core-U) đặt phía RAN, gần với người dùng so với kiến trúc 3GPP SAE truyền thống Chúng cung cấp chức điều khiển lớp cao quản lý di động, điều khiển QoS, phối hợp RAT chức user plane Chức CN control plane (Core-C) chức CN user plane (Core-U) đặt tập trung CN để cung cấp khả quản lý cấp cao Xác thực, Ủy quyền Kế toán (AAA) chuyển vùng Kiến trúc UDN METIS dựa công nghệ C-RAN, SDN, NFV với nguyên tắc chia tách U/C cục kiến trúc phù hợp cho 5G linh hoạt hiệu 2.3.5 Kiến trúc người dùng trung tâm cho UDN Hình 2-4 Kiến trúc người dùng trung tâm cho UDN [18] Kiến trúc UDN tập trung vào người dùng (User-centric UDN) với nguyên tắc phân tách User / Control plane, lấy người dùng làm trung tâm địa hóa triển khai dễ dàng linh hoạt với SDN NFV Hình 2-4 14 Trong kiến trúc này, khơng cịn khái niệm “cell vật lý” hay “cell logic” từ quan điểm người dùng Các AP dày đặc khu vực tổ chức cách thông minh để theo dõi chuyển động người dùng cung cấp lưu lượng liệu theo yêu cầu Bốn thực thể chức giới thiệu để cung cấp dịch vụ tập trung vào người dùng Ở phía radio, trung tâm dịch vụ cục (LSC) trung tâm liệu cục (LDC) giới thiệu để cung cấp tách rời hợp lý mặt phẳng điều khiển mặt phẳng người dùng Tất loại AP kết nối với LSC LDC nhiều phương án khác (lý tưởng / không lý tưởng, dây / không dây) Ở phía mạng lõi, trung tâm dịch vụ mạng (NSC) trung tâm liệu mạng (NDC) giới thiệu để cung cấp chức điều khiển truyền tải LSC LDC tích hợp vào Local Gateway thực thể vật lý, NSC NDC tích hợp vào thực thể CN 2.4 Định hướng nghiên cứu cho thách thức nêu Dựa kiến trúc mới, nhiều cơng nghệ chủ chốt giới thiệu để cung cấp QoE cao, hiệu suất phổ khu vực cao chi phí thấp Các cơng nghệ đầy hứa hẹn tóm tắt 2.4.1 Mạng linh hoạt Các công nghệ mạng linh hoạt, SON 4G, công nghệ đầy hứa hẹn cho phép hướng tới triển khai thực UDN Với mật độ cực cao, UDN phải đối mặt với thách thức lớn việc tự cài đặt, tự định cấu hình lớp định danh vật lý (ID), quan hệ hàng xóm tự động (ANR), cân tải thiết bị di động (MLB), v.v - Tự cài đặt: Trong việc triển khai mạng siêu dày đặc, số lượng AP lớn Sẽ khó cho nhà khai thác cấu hình khởi tạo thiết bị theo cách thủ cơng, địi hỏi AP cắm chạy (plug ‘n’ play) Sử dụng chế này, trạm gốc tự động cài đặt LTE, AP tự động khởi động ngừng khởi động, bao gồm tự động nhận địa IP, tự động thiết lập kết nối với máy chủ Quản trị bảo trì vận hành (OAM), tự động tải phần mềm, khởi tạo cấu hình vơ tuyến truyền dẫn - Mã số định danh cell vật lý tự cấu hình: Trong UDN, hàng trăm chí hàng nghìn AP triển khai khu vực Số lượng AP ID khơng đủ Chủng loại AP đa dạng, bao gồm AP di động Như vậy, AP cần hỗ trợ tính tự cấu hình ID Để giảm khả xung đột nhầm lẫn AP ID, có hai phương pháp Một cung cấp đủ số ID thiết kế lớp vật lý; hai AP liền kề tự động tránh sử dụng ID thơng qua phát phối hợp tín hiệu - Tự động thiết lập quan hệ với cell lân cận Trong UDN, số AP lớn thay đổi liên tục Mối quan hệ cell lân cận phức tạp so với LTE Điều khiến cho việc thiết lập trì danh sách cell lân cận AP theo cách thủ công trở nên không phù hợp Vì vậy, điều cần thiết để thiết lập chức tự động cấu hình để hỗ trợ mối quan hệ topo lân cận - Cân tải Trong UDN, phạm vi phủ sóng AP nhỏ eNB truyền thống AP phục vụ UE thay đổi nhanh chóng Cân tải AP, ví dụ cân tải tài nguyên, quan trọng để đạt mục đích nâng cao hiệu hệ thống trải nghiệm người dùng 2.4.2 Hạ tầng mạng trục Triển khai kịch tất AP có mạng backhaul có dây lý tưởng liên kết với mạng lõi lúc tồn Do đó, triển khai AP với mạng backhaul không dây tránh UDN Sự phối hợp chặt chẽ AP ưu tiên để cung cấp truyền nhận kết hợp tạo chùm tia kết hợp Điều đòi hỏi tương tác tín hiệu chuyển tiếp liệu thường xuyên nhóm AP phối hợp Giao diện không dây AP cách hiệu để trao đổi trực tiếp thông tin giảm độ trễ giao diện xuống mức ms kịch UDN - Cơ chế backhaul đa chặng Sử dụng chế đa chặng làm cho chế backhaul không dây trở nên phức tạp Không phải dễ dàng để gán AP tương hỗ cho AP backhauling không dây tay Làm để phát AP tương hỗ phát đường dẫn backhaul tương ứng, sau đó, cập nhật UDN chìa khóa vấn đề 15 Tím kiếm AP tương hỗ: Khi AP khơng có liên kết dây kích hoạt, trước tiên cần phải làm việc UE để phát AP láng giềng, từ phục vụ với tư cách AP tương hỗ Tín hiệu phát phải thiết kế định cách miền thời gian miền tần số Nó cần hỗ trợ đủ phạm vi phủ sóng khơng q nhiều chi phí Sau tìm kiếm AP lân cận, cần có thêm thông tin hệ thống thông tin đo lường để giúp AP không dây chọn AP tương hỗ Phát đường dẫn backhaul không dây: Phát đường dẫn backhaul không dây đề cập đến việc đo lường điều kiện liên kết truyền dẫn cho đường dẫn backhaul không dây tại, thu thập xử lý kết đo lường, để xây dựng đánh giá trạng thái liên kết không dây Khi liên kết backhaul không dây đáp ứng yêu cầu việc truyền tải khơng thể cung cấp dịch vụ, báo cáo phản hồi sớm tốt sau bắt đầu q trình cập nhật Cập nhật đường dẫn backhaul khơng dây: Q trình việc cập nhật đường dẫn không dây phá hủy đường cũ thiết lập đường mới, phương pháp đường dẫn giống trình thiết lập đường dẫn - Cơ chế backhaul đa kết nối So với mạng truyền thống, backhaul đa kết nối cung cấp lựa chọn đường dẫn định tuyến phong phú Khi chất lượng đường trở nên tồi, liệu người dùng tín hiệu truyền qua đường dẫn khác Hơn nữa, tổng lưu lượng liệu tổng tất đường dẫn nhiều đường dẫn sử dụng lúc Backhaul đa kết nối nâng cao độ tin cậy tăng tốc độ liệu backhaul Để tạo thuận lợi cho việc quản lý phối hợp kết nối, cần phải có kết nối đóng vai trị kết nối chính, kết nối khác kết nối thứ cấp Phương pháp định kết nối thường trạm macro phục vụ cho kết nối phần cịn lại AP phục vụ cho kết nối thứ cấp AP truy cập phục vụ cho kết nối phần lại AP phục vụ cho kết nối thứ cấp Kết nối có hầu hết chức điều khiển dễ quản lý kiểm soát tập trung Để thuận tiện, kết nối thứ cấp giữ lại số chức điều khiển để tự điều khiển chức truyền dẫn liên quan - Giao diện không dây AP Trong giải pháp 3GPP relay, node chuyển tiếp tương đương với cell thuộc DeNB từ góc nhìn node lân cận Các DeNB hoạt động cổng proxy node chuyển tiếp xử lý tất loại giao diện mạng Ý tưởng sử dụng kịch backhaul không dây UDN với liên kết backhaul đa kết nối / đa chặng Nhưng cần phải tăng cường thiết kế thay đổi kiến trúc mạng gia tăng kết nối backhaul không dây Hơn nữa, khoảng cách giảm AP UDN làm cho AP truyền số thông điệp điều phối động lẫn thông qua giao diện vô tuyến để tăng cường hiệu hệ thống 2.4.3 Phối hợp nhiều kĩ thuật truy nhập vô tuyến Cùng với phát triển UDN, công nghệ đa truy cập tồn xu hướng dài hạn, đặc biệt 4G, 5G WLAN Làm để chạy trì nhiều hệ thống mạng cách hiệu quả, giảm chi phí bảo trì tiết kiệm lượng vấn đề quan trọng cần giải Tích hợp chặt chẽ nhiều RAT trở thành hướng quan trọng q trình tiêu chuẩn hóa truyền thơng khơng dây tương lai Trong 3GPP Release-12 Release-13, cơng nghệ tích hợp mạng nghiên cứu chuẩn hóa, tích hợp mạng khơng đồng dựa kết nối WLAN-LTE Mục đích việc kết nối WLAN-LTE giải vấn đề tính di động UE cách UE sử dụng đồng thời nguồn tài nguyên WLAN tài nguyên trạm LTE Các lĩnh vực nghiên cứu tiềm tương lai bao gồm: - Truy cập công nghệ lựa chọn thông minh: Xây dựng chế lựa chọn công nghệ truy cập không cần nhận thức người dùng Theo trạng thái mạng thời gian thực, môi trường không dây, kết hợp với công nghệ cảm biến dịch vụ thông minh, dịch vụ khác ánh xạ tới công nghệ truy cập phù hợp - Công nghệ đa kết nối đa RAT: Thiết bị đầu cuối đồng thời thiết lập kết nối với nút mạng với RAT khác nhận nhiều luồng truyền song song để cải thiện thông lượng, nâng cao trải nghiệm người dùng, đạt dịch vụ phân chia hội tụ linh động công nghệ mạng truy cập khác 2.4.4 Quản lý tính di động Trong UDN, hỗ trợ di động định kết hợp quan trọng kích thước AP nhỏ gây chuyển giao thường xuyên, dẫn đến gián đoạn dịch vụ ngắn hạn thường xuyên đến AP sau ảnh hưởng đáng kể 16 đến trải nghiệm người dùng UDN mạng đa lớp đa RAT, chức mạng xây dựng với nhiều mức phân cấp Các điểm mốc di động tập trung tự nhiên phù hợp với kiến trúc phân cấp, điều dẫn đến tải tín hiệu nhiều cho mạng lõi truyền tải đường dẫn mức tối ưu Lợi chế quản lý di động tập trung (CMM) nằm đơn giản nó, điểm mốc trung tâm theo dõi chuyển động người dùng cách định tuyến lại gói đường truyền tạo định tuyến truy cập nơi UE kết nối - Kiến trúc quản lý di động UDN Xu hướng ngày hôm đến việc triển khai UDN để cung cấp kết nối phổ biến tốc độ liệu cao Tuy nhiên, khó để kết hợp với kiến trúc mạng di động tập trung mạnh mẽ, tạo thách thức khó khăn đối mặt với đo lường tần suất cao hay chuyển giao thất bại Ngoài ra, mạng 5G tương lai hỗ trợ loại dịch vụ khác nhau, đặt yêu cầu kết nối khác Có nhiều đề xuất quản lý di động phân tán (DMM) lên tảng phù hợp để thiết kế kiến trúc mạng di động tương lai, có tính đến u cầu để chuyển giao tần suất cao gia tăng mạng truy cập vô tuyến dày đặc Trong mạng truy cập vô tuyến dày đặc, điều quan trọng thiết kế kiến trúc quản lý di động phẳng linh hoạt Mạng di động không đủ đáp ứng nhu cầu người dùng di động tương lai, phần thiết bị không linh hoạt đắt tiền mặt phẳng điều khiển phức tạp không nhanh Mạng xác định phần mềm lên giải pháp tự nhiên cho mạng di động hệ cho phép lập trình mạng sâu - Quản lý di động lấy người dùng làm trung tâm Các location area cấu hình tĩnh mạng tại, ranh giới location area kiểu truyền thống UDN trở nên không rõ ràng Do đó, chế độ quản lý vị trí thiết kế lại, từ “lập kế hoạch AP tĩnh” thành “hợp tác AP linh động” Một phương pháp đề xuất tạo nhóm động AP (DAPGing – Dynamic AP Grouping), coi phương pháp quản lý di động tập trung vào người dùng Với phương pháp này, người dùng đăng ký có APG với APG-ID Thông tin APG lưu trữ trung tâm phục vụ địa phương (LSC), hầu hết quy trình DAPGing thực LSC Một số quy trình cấp cao xác thực, chuyển giao quản lý trung tâm phục vụ mạng (NSC) Trong người dùng di chuyển, APG người dùng điều chỉnh động để hỗ trợ tính di động thiết bị, điều hoàn toàn khác với trình chuyển giao quản lý di động truyền thống Trong mạng di động truyền thống, người dùng chuyển giao từ cell sang cell khác Nhưng với phương pháp này, mạng theo dõi chuyển động người dùng DAPGing khiến cho chức quản lý di động trở nên khác Có ba tình di động sau phương pháp quản lý di động tập trung vào người dùng có liên quan: 2.4.5 Quản lý nhiễu Quản lý nhiễu quan trọng UDN để đáp ứng yêu cầu thông lượng cao với khoảng cách ngắn Việc ghép kênh tài nguyên sử dụng để tăng hội truy cập, đồng thời mang lại nhiều thách thức cho việc kiểm soát nhiễu Các phương pháp truyền thống bao gồm tạo nhiễu ngẫu nhiên, hủy bỏ nhiễu phối hợp nhiễu cell (ICIC), liên kết nhiễu vv Cần thảo luận thêm để sử dụng kỹ thuật UDN Trong đó, cơng nghệ sóng milimet đưa vào UDN mang đến thách thức Nghiên cứu quản lý nhiễu bao gồm, khơng giới hạn, điều sau đây: - Mơ hình kênh phân tích lực Các môi trường truyền dẫn không dây UDN trở nên phức tạp với AP bị hạn chế điều kiện nhiều lớp multiRAT Do đó, mơ hình kênh hiệu cần phải thiết lập cho kịch khác Trong đó, thông lượng kênh nên nghiên cứu Cần lưu ý hướng nghiên cứu không liên quan đến đánh giá nhiễu mà cịn cơng nghệ chủ chốt khác, chẳng hạn phương pháp mã hóa, kỹ thuật ăng-ten, v.v - Mơ hình can thiệp dựa phương pháp đánh giá hiệu Môi trường dày đặc dẫn đến nhiều nguồn gây nhiễu Ví dụ, tàu điện ngầm, nhiều thiết bị đầu cuối AP tồn tại, đó, tín hiệu có nhiều đường phản xạ phân tán Phải thiết lập mơ hình phù hợp để mơ tả mức nhiễu thông số để đo lường đánh giá tác động nhiễu, chẳng hạn nhiệt độ nhiễu ngưỡng nhiễu, không phản ánh biện pháp can thiệp tổng thể kiểm soát hiệu suất mạng 17 - Công nghệ quản lý nhiễu với độ phức tạp phù hợp Công nghệ quản lý nhiễu nghiên cứu với nhiều kết nghiên cứu mạng di động truyền thống Xem xét ràng buộc UDN, kỹ thuật nên tối ưu hóa với sửa đổi thích hợp Việc quản lý nhiễu cần phải xem xét chung với quản lý tài nguyên, quản lý di động triển khai mạng Trong trình thiết kế thuật toán tương đối, cần kiểm soát nhiễu Do đó, u cầu thơng lượng cao thực UDN 2.4.6 Quản lý tài ngun vơ tuyến Như đề cập trước đó, RRM UDN phải đối mặt với thách thức từ môi trường truyền thông phức tạp yêu cầu thông lượng tăng vọt Các dịch vụ khác phát triển với yêu cầu QoS khác nhau, đòi hỏi thời gian thiết lập độ trễ ngắn hơn, giảm chi phí tín hiệu tiêu thụ lượng Điều có nghĩa chương trình quản lý tài nguyên linh hoạt hiệu Hơn nữa, mạng không đồng tồn cấu trúc liên kết mang lại nhiều RAT kịch nhiều lớp Làm để phân bổ tài nguyên mạng khác để tối đa hóa hiệu tiện ích tổng thể tối ưu hóa hiệu hệ thống vấn đề quan trọng thú vị UDN Nghiên cứu RRM UDN bao gồm, không giới hạn hướng sau: - Vấn đề liên kết thiết bị đầu cuối phương pháp phân bổ tài nguyên tương ứng Các AP lân cận thường có ISD ngắn với Điều có nghĩa người dùng nằm phạm vi phủ sóng số AP sau tận hưởng dịch vụ truy cập từ nhiều AP Tùy thuộc vào điều kiện liên kết, tài nguyên gán để phục vụ người dùng khác Các yếu tố tác động bao gồm số AP kết nối thiết bị đầu cuối, nguồn lực sẵn có, tốc độ liệu cần thiết thông số QoS khác, v.v Một số nhà nghiên cứu dải tần số cho UDN tăng từ GHz đến milimét, băng thơng, tính linh hoạt cao sử dụng tài nguyên đường lên / đường xuống dựa truy cập song công phân chia thời gian (TDD) Điều cho thấy lựa chọn rộng cho tài nguyên phổ khan hiếm, thuật toán phân bổ phức tạp - Hợp tác cân tải AP Khi nhiều AP phục vụ cho thiết bị đầu cuối, AP cần hợp tác chặt chẽ với để cung cấp dịch vụ tốt Sự hợp tác đến từ lớp PHY lớp MAC Sau đó, nguồn lực giao cho AP phải tuân theo phương pháp hợp tác Trong đó, khả điều kiện tiếp cận AP khác nhau, cân nhắc tải trọng công AP cần xem xét Bên cạnh đó, chi phí tín hiệu cần thiết cho cân hợp tác tải cần xem xét Trong mạng di động truyền thống, tương tác tế bào bị ảnh hưởng hạn chế thực tế chậm trễ backhaul, khả hồi quy tính di động người dùng Trong đó, UDN, thơng điệp báo hiệu xử lý đơn vị điều khiển cục sau tiết kiệm chi phí xử lý - Sơ đồ phân bổ điện tiết kiệm lượng Trong UDN, Aps bị densified cho biết khả tiêu thụ lượng tổng thể cao Do đó, công nghệ truyền thông xanh điều cần thiết cho mạng Việc phân bổ nguồn điện cần xem xét để đảm bảo chồng chéo tín hiệu không dây yêu cầu QoS, theo phương pháp kiểm sốt nhiễu hiệu Ngồi ra, mạng di động tương lai, phân phối tải lưu lượng không bị ảnh hưởng khu vực địa lý mà liên quan đến thời gian, chẳng hạn hành vi người vào ban đêm lại hàng ngày văn phòng khu dân cư Để tiết kiệm tiêu thụ lượng AP không hoạt động, nhiều nhà nghiên cứu đề xuất bật / tắt phương thức cho UDN Điều ảnh hưởng trực tiếp đến thuật toán phân bổ truy cập tài nguyên - Kịch mạng không đồng Nhiều mạng tồn với trở thành điều kiện triển khai điển hình mạng truyền thơng tương lai Điều có nghĩa UDN nên xem xét tồn hợp tác với mạng di động truyền thống khác Theo cách thức không đồng giao diện nhiều RAT, RRM có nhiều thách thức Các hoạt động RAT khác xác định độc lập theo tiêu chuẩn tương ứng, dẫn đến việc sử dụng tối ưu tài nguyên không dây Nhiều mạng nên quản lý tài nguyên vơ tuyến sau cải thiện hiệu hệ thống tổng thể Việc kiểm soát truy cập mạng không đồng cần thảo luận thêm xem xét tối ưu hóa chung RRM Cân tải nhiều mạng, truyền dẫn hợp tác backhaul không dây có sơ đồ phức tạp linh hoạt 2.5 Tổng kết UDN công nghệ nhằm đáp ứng yêu cầu lưu lượng di động 5G Nó cung cấp trải nghiệm người dùng tốt trường hợp người dùng với mật độ dày đặc Mật độ siêu cao AP tính UDN Hiệu suất phổ hiệu suất lượng cao hơn, mạng linh hoạt, chi phí thấp mục tiêu quan trọng UDN User-centric localization khái niệm cho thiết kế kiến trúc 18 UDN Dựa kiến trúc mới, công nghệ chủ chốt quản lý di động, quản lý nhiễu, quản lý tài nguyên vô tuyến, điều phối SON multi-RAT cần tăng cường Trong đó, việc thiết kế thuật toán liên quan tới quản lý tài nguyên hệ thống trở thành lĩnh vực nghiên cứu nóng cho UDN Các giải pháp khả thi hiệu cải thiện đáng kể hiệu suất tổng thể mạng đáp ứng yêu cầu người dùng Khi beamforming dựa mmWave chọn công nghệ tảng 5G, vai trò việc quản lý tài nguyên trở nên quan trọng Kĩ thuật truyền thông đẳng hướng sử dụng beamforming giảm bớt ảnh hưởng nhiễu lan truyền mát tin mmWave Nhưng ngược lại, hạn chế độ phủ không gian búp sóng đẳng hướng, beamforming khơng thể tiết kiệm lượng tài nguyên truyền thông đa hướng hệ cũ Đặc biệt, thông tin mạng cần phát quảng bá, beamforming cần lặp lại thơng tin nhiều búp sóng khác Điều dẫn tới việc lãng phí tài nguyên hệ thống 3GPP đưa khái niệm “OnDemand SI” 5G NR để tiết kiệm tài nguyên lượng hao phí Chỉ có thơng tin hệ thống (System Information) phát định kì Cịn lại phát đến thiết bị người dùng cuối có yêu cầu gửi lên Tuy nhiên, bên cạnh system information, cịn loại thơng tin với thông lượng lớn cần phát quảng bá Đó tin paging Để tìm gọi thiết bị mạng, trạm phát sóng cần gửi lại tin paging nhiều búp sóng, dẫn tới lãng phí tài nguyên Khi mật độ thiết bị trở nên dày đặc UDN, tài nguyên dành cho tin paging tăng lên đột biến Trong phạm vi luận văn này, giải pháp tiết kiệm lượng tài nguyên bị lãng phí cách giảm kích thước tin paging phát đưa nghiên cứu trình bày Chương TỐI ƯU TÀI NGUYÊN PAGING TRONG 5G UDN Paging chế quan trọng giúp tìm kiếm định hướng gọi, tin nhắn hay phiên trao đổi liệu tới UE cụ thể chế độ nhàn rỗi Cơ chế hoạt động thiếu mạng di động từ hệ sơ khai nhất, mạng GSM tới hệ mạng 5G tiến tiến Điều thể rõ tiêu chuẩn 3GPP 5G [26] Mạng phát quảng bá tin paging cell để truyền tải thông báo gọi, tin nhắn hay phiên liệu tới tất UE chế độ tiếp nhận không liên tục (Discontinuous Reception – DRx) nằm vùng quản lý MSC 2G/3G, MME 4G, hay AMF 5G Việc phát quảng bá tin Paging hoạt động UE chế độ DRx hai yếu tố tách rời Trong 5G, “UE sử dụng chế DRx trạng thái RRC_IDLE RRC_INACTIVE nhằm giảm mức tiêu thụ lượng” [26] Đặc biệt, với nâng cấp khả tính tốn, cơng nghệ điều chế mã hóa bậc cao, ứng dụng cơng nghệ massive MIMO, việc sử dụng chế DRx để lắng nghe tin quảng bá trở nên quan trọng vấn đề tiết kiệm lượng UE 5G Sự khác biệt 5G so với hệ mạng trước việc thiết lập kết nối vô tuyến cách sử dụng giao tiếp dựa búp sóng đẳng hưởng (beamforming) Truyền tin có tính định hướng thay đổi cách giao diện vô tuyến vận hành Vì phạm vi phủ sóng búp sóng bị giới hạn, việc phát quảng bá tin nhắn paging trở nên phức tạp 5G Để bao phủ diện tích tồn cell, tin paging cần truyền qua tất búp sóng Tuy nhiên, việc truyền đồng thời tất búp sóng lúc khơng thể giới hạn phần cứng, cụ thể số lượng bảng ăng-ten bị hạn chế gNB Do đó, tin paging phát theo hướng số búp sóng thời điểm chiếm dụng nhiều khe thời gian để bao phủ toàn cell, phát sóng vơ hướng 4G cần phát khe thời gian PO Việc phát quảng bá tin Paging tất búp sóng làm tăng số bit dành cho tin Paging tăng lên đột biến số lượng búp sóng lớn Đây thách thức lớn cho việc quản lý tài nguyên, cụ thể thông lượng hệ thống bị chiếm dụng nhiều tin Paging, so với mạng 4G Trong phần này, luận văn xem xét lại phương pháp tối ưu tài nguyên, đề xuất việc tinh gọn kích thước tin Paging để giảm bớt phần thông lượng bị tiêu tốn cho việc phát quảng bá Paging mạng 5G định hướng [27] Dựa ý tưởng phương pháp này, luận văn đề xuất cải tiến để nâng cao hiệu tối ưu thông lượng hệ thống mà đảm bảo mục tiêu tìm gọi xác UE vùng quản lý tin Paging 19 3.1 Cơ chế Paging Cơ chế DRx sinh hướng tới mục đích tiết kiệm lượng cho thiết bị đầu cuối trạng thái RRC kết nối hay RRC nhàn rỗi, trạm phát UE có thỏa thuận trước với khoảng thời gian trạm không phát liệu tới UE, đồng nghĩa với việc UE vào trạng thái ngủ, khơng cần tiếp nhận đo đạc, kiểm soát liệu gửi từ trạm phát Việc phát paging liên hệ chặt chẽ với hoạt động chế DRx Khi UE trạng thái khơng kết nối với trạm phát, vào trạng thái ngủ dài (Long DRx) thức dậy để lắng nghe thông tin phát quảng bá từ mạng vào khoảng thời gian thống trước với trạm phát Vì thế, tin paging cần phát xác vào khoảng thời gian 3.1.1 Lắng nghe paging từ phía UE Trong chu kỳ DRx, UE chuyển chế độ ngủ để bảo tồn lượng UE biết chắn khơng có liệu từ trạm gốc gửi đến Tuy nhiên, UE thức dậy thời điểm định sẵn để giám sát kênh điều khiển chung đường xuống vật lý (PDCCH - Physical Downlink Control Channel) Khung phụ (subframe) chứa tin paging, từ gọi PO - paging occasion, phát xác khoảng thời gian khung vô tuyến PF - paging frame Nếu UE đọc dấu hiệu tin paging (P-RNTI) thơng báo PDCCH UE giải mã kênh dùng chung đường xuống vật lý (PDSCH - Physical Downlink Shared Channel) để đọc tin paging Nếu tin paging không chứa số định danh UE MME (S-TMSI), nghĩa khơng có thơng tin tìm gọi từ MME gửi đến UE, ngủ lại PO Mỗi chu kỳ DRx, UE giám sát PO PF định PF chứa nhiều PO (tối đa LTE) Trong hệ thống 4G, vị trí PO PF mà UE cần theo dõi xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật 3GPP [21] PF khung vô tuyến thỏa mãn: 𝑆𝐹𝑁 𝑚𝑜𝑑 𝑇 = (𝑇/𝑁) × (𝑈𝐸_𝐼𝐷 𝑚𝑜𝑑 𝑁) (3.1) 𝑁 = 𝑚𝑖𝑛(𝑇, 𝑛𝐵) (3.2) 𝑆𝐹𝑁 số khung hệ thống (System Frame Number) 𝑇 độ dài chu kì DRx UE 𝑛𝐵 tổng số lượng PO chu kì DRx, có giá trị 𝑇/32, 𝑇/16, 𝑇/8, 𝑇/4, 𝑇/2, 𝑇, 2𝑇 hay 4𝑇 UE đọc từ tin quảng bá thông tin hệ thống SIB (System Information Block) Số thứ tự khung phụ (sub-frame) mà PO phát xác định 𝑖𝑠 = (𝑈𝐸_𝐼𝐷/𝑁) 𝑚𝑜𝑑 𝑁𝑠 (3.3) (3.4) 𝑁𝑠 = 𝑚𝑎𝑥(1, 𝑛𝐵/𝑇) 𝑁𝑠 số lượng PO PF 𝑖𝑠 số thứ tự khung phụ PF mà PO phát Số thứ tự định sẵn tương ứng với giá trị 𝑁𝑠 Trong 5G, 3GPP mô tả hoạt động lắng nghe Paging UE môi trường truyền sóng đẳng hướng với beamforming tương tự chế 4G nói Điểm khác biệt nằm việc “UE giả sử tin Paging phát lặp lại tất búp sóng kiểu hình qt búp sóng (beam sweeping pattern) việc lựa chọn búp sóng dành cho việc nhận tin Paging hoàn toàn phụ thuộc vào định UE” [28] 3.1.2 Paging phát quảng bá nhà mạng Như vừa đề cập, tin Paging phát lặp lại tất búp sóng Điều đặt toán tải tài nguyên hệ thống bị chiếm dụng tin Paging lượng bit tin phát quảng bá lặp lại nhiều búp sóng Bên cạnh đó, trạng thái RRC nhàn rỗi, UE tự chuyển vùng nhóm eNB khu vực cụ thể (hay gọi vùng theo dõi TA - Tracking Area) UE cần cập nhật lại thông tin vị trí vùng theo dõi thay đổi Đồng nghĩa với việc, MME biết UE cư trú TA Quá trình paging kích hoạt MME Bản tin paging gửi đến TA cuối mà UE cư trú, từ phát quảng bá tất eNodeB TA đó, để gọi, tin nhắn hay phiên liệu gửi đến UE chuyển hướng xác Khi chế độ chờ, UE thực thủ tục cập nhật TA để thông báo vị trí sở liệu mạng với Thực thể quản lý tính di động (MME - Mobility Management Entity) Cơ chế paging kích hoạt MME TA, sau đó, tin paging thơng báo tới tất eNB TA Các thủ tục paging với tin cập nhật TA chiếm 33% tổng dung lượng tín hiệu quản lý MME mạng LTE [28] 20 Với gia tăng dự kiến số thuê bao di động tương lai gần, hoạt động hiệu MME trở nên quan trọng Truyền thơng dùng búp sóng mmWave (nền tảng hệ thống 5G) làm bật thêm tải lên thông lượng hệ thống tin Paging phát theo mơ hình định hướng Mặc dù có số nghiên cứu tập trung vào tối ưu hóa paging chủ yếu dựa toán quản lý phân vùng Trong [28], khu vực paging định mơ hình di động để giảm lưu lượng tín hiệu LTE Phân vùng đồ thị đa cấp để xuất [29] nhằm tối ưu hóa TA paging thông minh Theo quan điểm việc triển khai dày đặc lồng cell nhỏ, lược đồ quản lý vị trí dựa trạm mốc cục cho HetNets trình bày [30] Khung quản lý TA cho mạng 5G trình bày [31] Tuy nhiên, giới hạn tài nguyên paging giao diện vô tuyến định hướng chưa nghiên cứu đầy đủ 3.2 Phương pháp tinh gọn tin Paging Bản tin paging phát PO tạo nên từ UE ID tất UE tìm gọi PO với bit mang thông tin điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC bits), ví dụ thơng tin số lượng UE tìm gọi, bit đệm, bit mang thơng tin điều khiển kênh vật lý đường xuống, bit sửa lỗi Tài nguyên mạng cần thiết để phát quảng bá tin paging phụ thuộc vào số lượng UE số lượng búp sóng Trong số lượng búp sóng liên quan tới tần số hệ thống số lượng UE phụ thuộc vào mật độ kết nối, lượng bit dành cho điều khiển khơng nhiều Vì thế, việc giảm số lượng búp sóng, tối ưu bit điều khiển hay kéo dãn mật độ kết nối để tối ưu tài nguyên không phù hợp Luận văn giới thiệu giải pháp tối ưu kích thước tin paging, giảm lượng bit dành cho UE ID tin paging cách phân chia lại UE ID [27] 3.2.1 Nguyên lý hoạt động UE ID với 𝑁 bit đánh số từ đến 𝑛 − Phương pháp chia 𝑁 bit thành phần Hình 3- Thay phát đầy đủ 𝑁 bit tin paging để xác định UE cần tìm gọi, có 𝑁2 bit (từ bit 𝑘 đến bit 𝑛 − 1) phát đi, 𝑁1 bit (từ bit đến bit 𝑘 − 1) dùng để phân chia UE danh sách tìm gọi vào PO để tránh nhầm lẫn UE ID ngắn sử dụng, đảm bảo UE ID PO Bước 1: Chia tách UE ID Hình 3-3 Chia tách UE ID thành ph ần Việc có phần 𝑁2 bit gửi tin paging thay tồn 𝑁 bit làm giảm đáng kể thơng lượng mạng dành cho trình paging đảm bảo tin paging phát nhiều búp sóng Bước 2: Cấu hình phân phối lại UE vào PO Việc phân phối UE vào PO để phát tin Paging thông thường định (RoundRobin) tất UE gán vào tất PO chu kì DRx Nhưng phương pháp này, MME cấu hình lại số lượng PO phát chu kì DRx dựa 𝑁1 bit Số lượng PO cần phát chu kì DRx (3.5) 𝑁𝑃𝑂 = 2𝑁1 = 2𝑁−𝑁2 Đồng thời, MME phân phối lại UE vào PO dựa 𝑁1 bit Tất UE có 𝑁1 bit (từ bit đến bit 𝑘 − 1) giống phát PO Việc đảm bảo rằng, tất UE đợi tìm gọi có ID tin Paging phát với 𝑁2 bit phát cho UE ID, trùng lặp UE ID tin Paging không xảy 3.2.2 Tính tốn mơ hình hệ thống Để phân tích hiệu phương pháp này, trước hết cần phải tính tốn thơng số liên quan Số lượng UE ID PO tính tốn dựa tần suất paging 𝑃𝑅 độ dài chu kì 𝑇𝐷𝑅𝑥 𝑃𝑅 × 𝑇𝐷𝑅𝑥 𝑁𝑈𝐸 = (3.6) 𝑁𝑃𝑂 21 Bản tin paging phát kênh truyền định nghĩa sẵn Vì thế, ngồi số bit dành cho 𝑁𝑈𝐸 tìm gọi, UE chiếm 𝑁2 bit, tin paging chứa bit điều khiển RRC Mỗi PO lại phát tất búp sóng Như vậy, số bit cần truyền PO 𝑏𝑖𝑡𝑃𝑂 , gọi 𝑁𝑏𝑒𝑎𝑚 số lượng búp sóng, tính sau (3.7) 𝑏𝑖𝑡𝑃𝑂 = 𝑁𝑏𝑒𝑎𝑚 × (𝑁𝑈𝐸 × 𝑁2 + 𝑏𝑖𝑡𝑅𝑅𝐶 ) Mỗi UE trạng thái ngủ thức dậy khoảng thời gian định, gọi “chu kì DRx dài” Độ dài khoảng thời gian thỏa thuận trước trạm phát UE Vì thế, để đảm bảo UE thức dậy chắn nhận tin tìm gọi (nếu có), UE cần giải mã tất tin paging Việc có nghĩa tất PO phải phát hết “chu kì DRx dài” Từ đây, số lượng bit cần phát giây 𝑏𝑖𝑡𝑠 tính 𝑁𝑃𝑂 𝑇𝐷𝑅𝑥 Tổng dung lượng hệ thống giây tính dựa hiệu suất phổ băng thơng 𝑏𝑖𝑡𝑠 = 𝑏𝑖𝑡𝑃𝑂 × 𝑏𝑖𝑡𝑚𝑎𝑥 = 𝜀 × 𝐵 Tỉ lệ chiếm dụng thông lượng hệ thống với phương pháp (3.8) (3.9) 𝑏𝑖𝑡𝑠 (3.10) 𝑏𝑖𝑡𝑚𝑎𝑥 Để thấy hiệu phương pháp này, ta tính tỉ lệ chiếm dụng thơng lượng hệ thống với phương pháp paging truyền thống Như đề cập phần 3.1.1, 3GPP mô tả chế truyền thống để phát quảng bá Paging mơi trường truyền sóng đẳng hướng sử dụng beamforming việc phát lặp lại tin Paging giống nhiều búp sóng Trong tin Paging đó, tồn UE ID phát 𝑈𝑝𝑟𝑜 = Số bit tối đa tồn hệ thống, phát PO với độ dài khe thời gian để truyền tin paging với UE ID đầy đủ 𝑁 bit, (3.11) 𝑏𝑖𝑡𝑚𝑎𝑥𝑃𝑂 = × 𝑇𝑠 × 𝜀 × 𝐵 Như phân tích trên, số bit bao gồm số bit điều khiển RRC Vì thế, số bit tối đa dành cho UE ID tin paging cần trừ lượng bit điều khiển Số lượng UE cần tìm gọi giây tần suất paging Mỗi UE cần phát đầy đủ 𝑁 bit số định danh Từ đây, ta tính số PO cần phát giây để tìm gọi tồn UE 𝑁 × 𝑃𝑅 𝑁𝑃𝑂_𝑙𝑒𝑔𝑎𝑐𝑦 = (3.12) 𝑏𝑖𝑡𝑚𝑎𝑥𝑃𝑂 − 𝑏𝑖𝑡𝑅𝑅𝐶 Bản tin paging phát lặp lại toàn số búp sóng Vì thế, ta tính số bit hệ thống cần dành cho tin paging giây 𝑏𝑖𝑡𝑠_𝑙𝑒𝑔𝑎𝑐𝑦 = 𝑁𝑏𝑒𝑎𝑚 × 𝑁𝑃𝑂_𝑙𝑒𝑔𝑎𝑐𝑦 × 𝑏𝑖𝑡𝑚𝑎𝑥𝑃𝑂 (3.13) Như vậy, tỉ lệ chiếm dụng thông lượng hệ thống với phương pháp paging truyền thống 𝑈𝑙𝑒𝑔𝑎𝑐𝑦 = 𝑏𝑖𝑡𝑠_𝑙𝑒𝑔𝑎𝑐𝑦 𝑏𝑖𝑡𝑚𝑎𝑥 (3.14) 3.2.3 Đề xuất cải tiến Loại UE ID sử dụng tin Paging S-TMSI Nó cấu thành từ MME code M-TMSI M-TMSI gán MME UE thực trình cập nhật TA MME cần đảm bảo số M-TMSI UE vùng quản lý Vì thế, cải tiến đề xuất lược bớt thành phần MME code (8 bit) UE ID phát tin Paging (Hình 3-) Hình 3-4 Cải tiến lược bỏ MME code UE ID 22 Mục đích chế Paging để tìm gọi xác UE có gọi, tin nhắn hay phiên truy cập liệu chờ Với cải tiến này, có 𝑁2′ bit UE ID phát tin Paging Vì MME code giống vùng quản lý MME nên việc bỏ bit MME code khơng ảnh hưởng đến tính 𝑁2′ bit phát UE ID Ở chiều ngược lại, UE giải mã tin Paging đọc danh sách 𝑁2′ bit UE tìm gọi, UE biết MME code nên với 𝑁2′ bit đọc được, UE xác định có Paging dành cho khơng Như vậy, mục đích cuối chế Paging đảm bảo Với cải tiến này, số lượng PO tính theo 𝑁1 bit số bit truyền PO giảm xuống 𝑏𝑖𝑡𝑃𝑂 = 𝑁𝑏𝑒𝑎𝑚 × {𝑁𝑈𝐸 × (𝑁2 − 𝑁3) + 𝑏𝑖𝑡𝑅𝑅𝐶 } (3.15) Vẫn sử dụng công thức phần Error! Reference source not found., ta đánh giá cải thiện tỉ lệ chiếm dụng tài nguyên lược bỏ thêm MME code 3.3 Khảo sát đánh giá hiệu suất Các tham số hệ thống đề xuất dựa theo tiêu chuẩn 3GPP ITU Bảng 3-1 Tham số hệ thống Tham số Kích thước UE ID đầy đủ Tần suất paging Số lượng búp sóng Băng thông hệ thống Hiệu suất phổ Số lượng bit điều khiển RRC Độ dài khe thời gian Độ dài chu kì DRx Giá trị đề xuất 40 bit [32] 1600 ~ 6400 UE/s [34] 8, 16, 32, 64, 128, 256 [26] 100 MHz [36] 0.225 bit/s/Hz [33] 64 bits [35] 0.25 ms sf128 ~ 1.28 giây [26] Dựa bảng tham số tính tốn phần trước, ta có kết so sánh hiệu suất phương pháp khảo sát, phương pháp cải tiến phương pháp truyền thống, thể tỉ lệ chiếm dụng thông lượng hệ thống Kết thể đồ thị Hình 3- cho thấy khác biệt hai phương pháp tương ứng với thay đổi số lượng búp sóng Trong điều kiện mạng dày đặc UDN, số búp sóng cần tăng lên để đảm bảo độ phủ sóng tốt tới tất UE Điều đồng nghĩa với việc số tin paging phát lặp lại nhiều Khi đó, ưu điểm phương pháp khảo sát thể rõ ràng Hình 3-5 So sánh tỉ lệ chiếm dụng tài nguyên hệ thống 23 Với số búp sóng lớn, 128 búp sóng, lượng tài nguyên tiết kiệm 7% kích thước UE ID lược giảm 5% (𝑁2 = 38), tăng lên 22% kích thước UE ID lược giảm 20% (𝑁2 = 32) Hình 3-6 Tài nguyên cho paging đư ợc tối ưu với cải tiến lược bỏ MME code Nếu cải tiến phần Error! Reference source not found áp dụng, UE ID lược bỏ thêm bit MME code, hiệu việc tinh gọn tin paging với hệ thống 128 búp sóng giảm xuống thêm gần 30% so với phương pháp khảo sát, tiết kiệm đến 50% tài nguyên so với phương pháp truyền thống, giảm tỉ lệ chiếm dụng thông lượng hệ thống giây xuống mức 100% (Error! Reference source not found.) Tuy nhiên, việc tinh gọn tin Paging giảm số bit phát tiết kiệm tài nguyên Để xem xét rõ hiệu phương pháp tinh gọn này, ta so sánh tỉ lệ chiếm dụng tài nguyên giá trị 𝑁2 hệ thống sử dụng 64 búp sóng Kết thể Hình 3- Hình 3-7 So sánh mức tối ưu tài nguyên giá trị 𝑁2 Kết cho thấy, lược bỏ nhiều bit số định danh UE tiết kiệm tài nguyên hệ thống Khi 𝑁2 giảm xuống 30 bit, lợi việc lược bỏ bit bị đảo ngược hồn tồn, Hình 3- (a) Lý số bit sử dụng để định danh UE số PO cần để phát hết lượng UE ID cần tìm gọi lại tăng lên theo cấp số mũ với công thức (3.5) Số lượng PO lại cần phát lặp lại tất búp sóng Điều khiến tài nguyên hệ thống bị chiếm dụng cho việc phát paging tăng lên đột biến Với việc áp dụng cải tiến lược bỏ thêm bit mã MME, phương pháp cải tiến mang lại kết tốt việc tiết kiệm thông lượng tăng thêm số lượng bit lược bỏ Phương pháp cải tiến tiết kiệm xấp xỉ 15% so với phương pháp khảo sát với giá trị 𝑁2 bit Điều dễ hiểu số lượng PO cần phát khơng có thay đổi so với phương pháp khảo sát mà có số lượng bit phát 24 PO giảm Ngay 𝑁2 bit 40, tức toàn 𝑁 bit UE ID truyền phương pháp truyền thống, lợi thể hiện, Hình 3- (b) KẾT LUẬN Như vậy, thông qua chương nội dung, luận văn trình bày đầy đủ kết tìm hiểu nghiên cứu tơi suốt q trình học tập nghiên cứu bậc Thạc sĩ Chương tóm tắt nêu bật thay đổi hệ thống 5G tương lai gần dựa tiêu chuẩn kiến trúc định hình ITU 3GPP cấu trúc khung linh hoạt hơn, phục vụ cho nhiều kịch sử dụng với nhiều mục đích hơn, song song với cách phân chia băng thông sử dụng kết hợp nhiều cấu trúc khung khác hệ thống; kĩ thuật truyền dẫn đẳng hướng sử dụng búp sóng khai thác dựa tảng massive MIMO sóng cực ngắn mmWave Những cơng nghệ móng để đáp ứng u cầu kĩ thuật địi hỏi cao mơ hình mạng giới thiệu Chương Chương trình bày cụ thể khái niệm mạng 5G, khái niệm mạng mật độ siêu cao UDN, đặc trưng mật độ kết nối lên tới hàng triệu vùng phủ sóng nhỏ; mật độ trạm truy cập tương đương, chí ngang với mật độ kết nối; yêu cầu tốc độ truy cập lên tới hàng Gbps tính di động khơng cao Từ đặc điểm đó, Chương thách thức phương hướng phát triển mặt kiến trúc mơ hình tổ chức hệ thống mạng cần phân chia theo lớp, đưa mạng lõi gần với người dùng tăng tốc độ xử lý, giảm trễ mạng lõi dựa phát triển công nghệ phần mềm SDN, NFV Bên cạnh đó, việc quản lý tài nguyên hệ thống vấn đề thiết thực cần quan tâm Chương sâu vào khai thác khía cạnh việc quản lý tài nguyên, việc tối ưu tài nguyên dành cho việc phát tin paging hệ thống 5G mà công nghệ truyền dẫn đẳng hướng dùng búp sóng làm tảng Theo đó, việc phát paging thơng thường dẫn tới tải cho hệ thống tin paging phát lặp lại tất búp sóng Một phương pháp xem xét phân chia lại số định danh UE sử dụng tin paging cách chia UE cần tìm gọi PO cách hợp lý để đảm bảo không UE bị sót q trình tìm gọi Hiệu phương pháp sau tính tốn cho thấy ưu rõ rệt so với phương pháp paging truyền thống Thêm vào đó, cải tiến đề xuất để áp dụng phương pháp Trong đó, mã số định danh UE lược bỏ thêm bit mã MME Thơng qua tính tốn so sánh, phương pháp sau áp dụng cải tiến thể rõ ưu vượt trội so với paging thông thường 25