Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu năng máy thu đường tải lên NB IOT (bản tóm tắt luận văn ngành kỹ thuật viễn thông)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Nguyễn Bảo Trung NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG MÁY THU ĐƯỜNG TẢI LÊN NB-IOT Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Mã số: 8.52.02.08 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - NĂM 2021 ii Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Ngọc Minh (Ghi rõ học hàm, học vị) Phản biện 1: TS Dư Đình Viên Phản biện 2: PGS.TS Bạch Nhật Hồng Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông Vào lúc: 08 00 ngày 09 tháng 01 năm 2021 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông 1 MỞ ĐẦU Ở nước phát triển Hàn Quốc, Nhật Bản, mơ hình nhà thơng minh, thành phố thông minh gần rộng khắp Internet có khắp nơi thành phố Các thiết bị thơng minh theo dõi, quản lý, giám sát nhiều thiết bị thông minh từ xa Hay đơn giản việc quản lý trẻ em, người cao tuổi lạc bị bắt cóc mà khơng cần bên cạnh 24/24… Ở Việt Nam, mạng lưới vạn vật kết nối Internet hay vạn vật kết nối Internet IoT (Internet of Thing) tương đối việc áp dụng, triển khai phục vụ cho xã hội hạn chế Các nhà mạng lớn Viettel bắt đầu đẩy mạnh xây dựng sở hạ tầng để triển khai mơ hình ứng dụng Theo ước tính từ IHS Market, dự đốn 75 tỷ thiết bị thông minh sử dụng vào năm 2025, tăng 400% so với khoảng 15 tỷ thiết bị hoạt động Việc nghiên cứu mô hình, giải pháp kỹ thuật liên quan hội động lực để phát triển kinh tế, tạo sản phẩm thông minh, hướng tới người dùng xã hội nhiều Với mong muốn mơ hình kết nối thiết bị thơng minh vùng sâu vùng xa, vùng hải đảo để phục vụ cho việc quan sát, dự báo kiểm soát đối tượng, nhóm đối tượng Ví dụ kiểm sốt biên giới, kiểm sốt nạn bn người, quản lý động vật quý hiểm, gỗ quý hay xa quản lý biển đảo, vùng đất xa xôi tổ quốc… Đề tài tiền đề cho giải pháp mơ hình đó! CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CƠNG NGHỆ TRUYỀN THƠNG NB IOT Tóm tắt: Trong mơi trường rộng lớn biển đảo, tồn vấn đề như: Vấn đề định vị, dẫn đường, cảnh báo cứu hộ cứu nạn, vấn đề quản lý thực thể biển (đảo, bãi cạn) hay giám sát nông nghiệp đảo… việc áp dụng khoa học công nghệ vào việc nhận biết, kiểm soát, theo dõi thực thể di động cố định việc làm cần thiết Tuy nhiên việc truyền thông môi trường rộng lớn thách thức Các công nghệ truyền thông không dây thông thường Wifi, Bluetooth, Zigbee, Zwave không thể, công nghệ truyền thông di động (Cellular) gặp nhiều hạn chế vấn đề khoảng cách, công suất, thời gian sử dụng chi phí… Sự đời cơng nghệ truyền thông LPWAN mang đến giải pháp thực hiệu Trong NB IOT Lora hai lựa chọn hàng đầu Chương trình bày tổng quan truyền thông NB IOT, lý lựa chọn Chương II trình bày thiết kế vấn đề quan trọng NB IOT đường tải lên (cấu trúc, vấn đề gặp phải) Chương III Phân tích, đánh giá giải pháp đưa kết luận Cuối đề xuất mơ hình áp dụng vào tốn ban đầu 1.1 Cơng nghệ mạng diện rộng công suất thấp LPWAN Mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN) [16] công nghệ không dây với đặc điểm phạm vi kết nối rộng, băng thơng thấp, kích thước gói tin nhỏ hoạt động khoảng thời gian dài mà không cần sạc hay thay pin… Hình 1.1 Ứng dụng LPWAN Mạng LPWAN mạng chiếm ưu vấn đề kết nối thiết bị phạm vi địa lý rộng lớn Hình 1.2 So sánh công nghệ truyền thông không dây [16] So sánh cơng nghệ khơng dây nhóm LPWAN Bảng 1.1 Bảng so sánh công nghệ LPWAN [3] Công nghệ Công suất Tuổi thọ Pin SIGFOX ~162dB >10 năm LORA ~157dB >10 năm Phổ tần Không cần cấp phép Không cần cấp phép UL: 100bps DL: 500bps 600Hz ~0.3 50kbps 125kHz Tốc độ Băng thông NB IOT ~164dB >10 năm GSM & LTE (Có quyền) CAT M ~156dB >10 năm LTE (Có quyền) EC-GSM ~164dB >10 năm GSM (Có quyền) ~250kbps 1Mbps ~10-240kbps 180kHz 1.4MHz 200kHz BPSK, BPSK GFSK, QPSK, QPSK, 16 or GMSK Điều chế /GFSK CSS 8PSK, 64QAM (8PSK) 16QAM Giao thức Sigfox Semtech 3GPP 3GPP 3GPP Lora GCF/PTCRB GCF/PTCRB GCF/PTCRB Giấy phép SIGFOX Alliance TBC TBC TBC Dựa hai bảng rõ rảng với tiêu chí: Tốc độ thấp, thời gian sử dụng dài, tiết kiệm chi phí, khơng cần di động… có cơng nghệ Lora NB IOT chiếm ưu 1.2 So sánh Lora NB IOT 1.2.1 Lora LoRa công nghệ lớp vật lý ứng dụng lĩnh vực công nghiệp, khoa học băng tần y tế (ISM) dựa kỹ thuật trải phổ (CSS) đánh giá cao 1.2.2 NB IOT IoT băng thông hẹp (NB-IoT) công nghệ LPWAN giới thiệu 3GPP Release 13 Bảng 1.2 Bảng so sánh NB IOT Lora [12] Tham số LoRaWAN Băng thơng 125 kHz Phủ sóng 165 dB Tuổi thọ pin Trên 15 năm Dòng tiêu thụ đỉnh 32 mA ~0.3 -50kbps Tốc độ Dòng tiêu thụ thiết bị Off µA Thơng lượng 50 Kbps Phụ thuộc vào thiết bị Độ trễ AES 128 bit Bảo mật Định vị Có (TDOA) Hiệu suất chi phí Cao  Đánh giá khả lưu động: NB-IoT 180 kHz 164 dB Trên 10 năm 120 mA ~250kbps µA 60 Kbps β, cụm thứ j gán phần mở đầu đặt P(1- li) Nếu D (i, j) < β, cụm thứ j gán mở đầu truy cập ngẫu nhiên bổ sung P (L-li + 1, L) 3.1.4 Đánh giá hiệu thuật toán Kịch mạng NB-IoT bao gồm trạm gốc ba loại thiết bị đầu cuối với đặc điểm dịch vụ khác vị trí, cường độ truy nhập triển khai trung tâm thành phố Bán kính phủ sóng mạng 10km Hình 3.2 Phân bố dịch vụ IOT thực tế trạm eNodeB Hình 3.3 kết phân cụm Hình 3.3 Bản đồ phân cụm người dùng theo khoảng cách 16 Bảng 3.1 Bảng kết phân bổ phần mở đầu ID Cụm Khoảng cách TB (km) 2.0325 2.1225 5.2345 5.8461 6.0937 8.2366 Số lượng UE 27 157 152 24 104 117 Cường độ truy cập (Số báo cáo/s/ô) 0.900 2.6167 2.5333 0.8000 0.0289 1.9500 Phân bổ phần mở đầu P(1-12) P(13-48) P(1-33) P(34-44) P(45-48) P(1-48) Hình 3.4 xác suất xung đột thuật tốn ERA-CRPA theo kết mơ Hình 3.4 Xác suất xung đột phần mở đầu Kết cho thấy chế truy cập ngẫu nhiên dựa thuật toán ERA-CRPA có xác suất xung đột mở đầu nhỏ Hình 3.5 So sánh thơng lượng độ trễ 3.2 Giải pháp lựa chọn giá trị định kỳ phù hợp 3.2.1 Mơ tả thuật tốn 17 Hình 3.6 Phân bổ MCS Khi thứ tự truy cập ngẫu nhiên sau: 1) UE truy cập ngẫu nhiên Hình 3.7 Quy trình truy cập ngẫu nhiên NB-IoT 2) ENB truy cập ngẫu nhiên 3) Thiết bị đầu cuối di động nhận phản hồi gửi tin xác nhận 4) Khi nhận tin xác nhận, trạm gốc tự động gửi đến người dùng đầu cuối tin xác nhận cuối 5) Ở giai đoạn này, trình truy cập ngẫu nhiên hoàn tất, người dùng đầu cuối kích hoạt bắt đầu truyền (Hình 3.7) 3.2.2 Đánh giá kết 18 Dựa kết ta có biểu đồ thể so sánh số lượng khung truyền tương ứng với thời lượng Hình 3.8 Số lượng khung truyền phụ cần cho truy cập thành công NPRACH Ta dễ thấy chu kỳ lớn số lượng xung đột tăng mạnh (Hình 3.9) Hình 3.9 Xung đột theo lượng người dùng Bảng 3.2 Bảng Số lượng gói gửi theo số lần lặp với số lượng UE = 40 UE = 40 Số lần lặp lại 16 32 64 128 40 100 87 53 0 0 80 100 99 87 54 0 0 Chu kỳ NPRACH (ms) 160 240 320 640 105 103 103 99 105 103 103 99 104 101 101 99 98 102 100 98 47 89 98 94 10 59 89 0 40 0 0 1280 79 81 81 83 75 76 65 31 2560 48 48 48 48 48 48 45 37 Bảng 3.15 thể số lượng gói gửi theo số lần lặp lại khác chu kỳ NPRACH khác với số lượng UE = 80 19 Bảng 3.3 Bảng Số lượng gói gửi theo số lần lặp với số lượng UE = 80 UE = 80 Số lần lặp lại 16 32 64 128 40 186 162 95 80 188 188 159 92 Chu kỳ NPRACH (ms) 160 240 320 640 204 202 167 167 204 202 197 167 201 200 200 172 183 193 188 168 80 164 173 154 17 110 156 73 1280 107 106 105 104 104 104 84 45 2560 28 28 28 28 29 29 27 22 3.3 Giải pháp sử dụng dạng sóng tín hiệu không trực giao Theo tiêu chuẩn 3GPP NB-IoT, định dạng điều chế tối đa mà NB-IoT hỗ trợ QPSK, điều làm cho ứng dụng IoT nhạy cảm với tốc độ liệu Để khắc phục hạn chế này, điều chế bậc cao 8PSK dạng sóng tín hiệu phi trực giao nâng cao sử dụng 3.3.1 Dạng sóng NB-IOT nâng cao Ý tưởng ban đầu dạng sóng khơng trực giao để đóng gói sóng mang phụ gần tần số, băng thông nén hình “SEFDM loại I” Hình 3.10 Các lược đồ phân bổ sóng mang phụ cho tín hiệu đa sóng mang 3.3.2 Thuật tốn SD loại I Do tính trực giao sóng mang phụ, tín hiệu nhận chứa nhiễu sóng mang (ICI) nghiêm trọng dẫn đến tăng tỷ lệ lỗi Một kỹ thuật với độ phức tạp 20 giảm gọi giải mã hình cầu (SD) đề xuất sửa đổi cho tín hiệu SEFDM Việc tìm kiếm ước tính tốt cho SSD SEFDM định nghĩa là: SSD  arg minN R  CS  g (3.3) SO 3.3.3 Thuật toán SD loại II Độ phức tạp tính tốn thuật tốn SD phụ thuộc vào kích thước ma trận tương quan C, mà liên kết với số lượng sóng mang Để giảm bớt phức tạp, người ta phương pháp chuyển đổi ma trận linh hoạt để giảm độ phức tạp  C1,1 C1,2 C C2,2 2,1 C   C N,1 C N,N 1 C1,N    C N 1,N   C N,N  (3.5) 3.3.4 Đánh giá hiệu Bảng bên thể so sánh cải thiện tốc độ liệu Hình 3.11 So sánh hiệu trường hợp dùng kỹ thuật SD loại II (a)  =0.8  =0.67 Trong hình 3.11 tín hiệu eNB-IoT với hiệu suất phổ 2.5bit/s/Hz đạt hiệu suất tương tự tín hiệu NB-IoT thông thường với hiệu suất phổ bit/s/Hz Trong hình 3.12 cho thấy hiệu suất tối ưu đạt việc giảm độ phức tạp cách sử dụng kỹ thuật SD loai II 21 Hình 3.12 So sánh hiệu trường hợp dùng kỹ thuật SD loại II 3.4 Đề xuất mơ hình áp dụng quần đảo Cô tô 3.4.1 Tiềm áp dụng Cơng nghệ truyền thơng NB-IOT áp dụng Cô tô để:  Quản lý nông nghiệp, xây dựng mơ hình nơng nghiệp thơng minh  Quản lý gỗ rừng, động vật quý đảo  Quản lý đánh bắt thủy, hải sản  Quản lý trạng đảo nhỏ, đá ngầm  Xây dựng hệ thống dẫn đường, cảnh báo tàu thuyền đến gần đảo 3.4.2 Mơ hình giải pháp quản lý thực thể quần đảo Các thực thể gắn thiết bị, cảm biến hỗ trợ NB-IOT để phản hồi thông tin định vị, thông tin cảm biến… Từ giúp quản lý, giám sát Hình 3.13 Mơ hình quản lý thực thể 22 Kết luận chương Nội dung chương tập trung vào giải pháp nhằm nâng cao hiệu máy thu đường tải lên phân cụm theo khoảng cách cường độ truy cập, giúp phân bổ liệu phù hợp cân đối Giải pháp tối ưu hiệu suất kênh NPRACH cách lựa chọn giá trị định kỳ phù hợp giúp tránh xung đột người dùng mà đảm bảo hiểu vệ mặt hiệu Giải pháp tăng tốc độ liệu cách thay đổi định dạng điều chế dạng sóng tín hiệu khơng trực giao Các kết kiểm nghiệm tác giả khác chứng minh hiệu giải pháp Từ vận dụng, đề xuất mơ hình vào quần đảo Cơ tơ việc giám sát, quản lý thực thể đảo Việc phủ ưu tiên áp dụng IOT nơng nghiệp thơng thể cần thiết việc áp dụng cơng nghệ truyền thơng NB-IOT tình hình thực tế 23 KẾT LUẬN Quay lại tốn giả thiết ban đầu, mục tiêu viết tiền đề để xây dựng mơ hình quản lý, giám sát thực vùng sâu vùng xa, biển đảo… Với chi phí thấp, hiệu cao thời gian sử dụng lâu dài Sự đời công nghệ truyền thông diện rộng, công suất lấp LPWAN mang đến nhiều giải pháp tốt Trong cơng nghệ NB-IOT cho thấy tiềm áp dụng, với chi phí thấp, tốc độ truyền liệu cao, bảo mật tốt Sự ưu tiên phủ việc áp dụng IOT vào Nông nghiệp thông minh, tạo hội thuận lợi để đầu tư phát triển NB-IOT cho khu vực vùng sâu, vùng xa, vùng hải đảo, nơi mà cơng nghệ truyền thơng khơng dây thơng thường khó triển khai triển khai với chi phí lớn Các công nghệ Cellular hay vệ tinh giải pháp không khả hữu mà chi phí đầu tư lớn, nhiều trạm thu phát đặc biệt hiệu không cao Luận văn trình bày khái niệm truyền thông LPWAN vấn đề liên quan chương Từ việc phân tích, lựa chọn giải pháp phù hợp tới tham số đánh giá hiệu hệ thống Các mục tiêu thiết kế ban hành mà tổ chức 3GPP đặt Chương trình bày chi tiết mục tiêu thiết kế máy thu, đường tải lên NB-IOT phân tích đánh giá yếu tố ảnh hưởng tới hiệu khoảng cách truyền dẫn, mật độ người dùng hay vật cản xây dựng Từ chương đưa giải pháp nâng cao hiệu năng, đánh giá giải pháp qua kết mô (tham khảo từ tác giả khác) Cuối đề xuất mơ hình ứng dụng quần đảo Cơ tơ Hướng nghiên cứu đề tài tương lai xây dựng mơ hình áp dụng chi tiết quần đảo Cơ tơ, nghiên cứu xác yếu tố ảnh hưởng khác thời tiết, khí hậu, mật độ thực thể hay yếu tố kinh tế Từ xây dựng mơ hình hiệu với chi phí rõ ràng ước lượng dựa kết mô kiểm nghiệm thực tế Các giải pháp phần cứng cho thiết bị NB-IOT người dùng nghiên cứu lựa chọn Mục tiêu cuối khả dụng môi trường thực tế có hiệu kinh tế bật  ... dựng đường truyền ảnh hưởng đến độ tin cậy hệ thống Chương tập trung vào nghiên cứu giải pháp nhằm nâng cao hiệu máy thu 14 CHƯƠNG III GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG MÁY THU ĐƯỜNG TẢI LÊN NB- IOT. .. thiết kế đường tải lên máy thu đánh giá yếu tố ảnh hưởng tới hiệu mạng 6 CHƯƠNG II THIẾT KẾ ĐƯỜNG TẢI LÊN MÁY THU NB IOT 2.1 Nghiên cứu thiết kế máy thu kênh NPRACH 2.1.1 Thiết kế máy thu NPRACH... thời gian sử dụng Lora NB- IOT Tuy chi phí đắt hơn, dịng tiêu thụ cao NB- IOT có tốc độ truyền tải cao hơn, độ trễ tháp quan trọng bảo mật cao Do giải pháp NB- IOT lựa chọn luận văn Các tiêu chí thiết