Công nghệ d2d trong hệ thống LTE a

Kiến trúc D2D trong hệ thống LTE-A ra đời với mục đích hỗ trợ các thiết bị gần nhau trong mạng có thể giao tiếp trực tiếp với nhau qua đó đảm bảo các dịch vụ, ứng dụng cho các thiết bị n

LỜI CAM ĐOAN

Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tập thể các thầy cô trong Viện Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo ra một môi trường thuận lợi về cơ sở vật chất cũng như về chuyên môn trong quá trình tôi thực hiện đề tài Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Viện Đào tạo sau đại học đã quan tâm đến khóa học này, tạo điều kiện cho các học viên như tôi có điều kiện thuận lợi để học tập và nghiên cứu Và đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Nguyễn Ngọc Văn đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và hướng dẫn, sửa chữa cho nội dung của luận văn này

Tôi xin cam đoan rằng nội dung của luận văn này là hoàn toàn do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và viết ra Tất cả đều được tôi thực hiện cẩn thận và có sự định hướng và sửa chữa của giáo viên hướng dẫn

Tôi xin chịu trách nhiệm với những nội dung trong luận văn này

Tác giả

Đào Xuân Hoàng

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 9

DANH MỤC HÌNH VẼ 10

PHẦN MỞ ĐẦU 12

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 14

1.1 Hệ thống thông tin di động 14

1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động 14

1.1.2 Xu hướng công nghệ 22

1.1.2.1 Công nghệ OFDM và OFDMA 23

1.1.2.2 Công nghệ MIMO 25

1.1.2.3 Công nghệ trạm lặp 30

1.2.1.4 Công nghệ CoMP 35

1.1.3 Những vấn đề còn tồn tại trong các thế hệ thông tin di động 35

1.2 Nội dung nghiên cứu 37

1.3 Kết luận 39

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG D2D TRONG HỆ THỐNG LTE-A 40

2.1 Giới thiệu chung 40

2.2 Chuẩn 3GPP cho công nghệ D2D trong LTE-A 41

2.3 Các khối chức năng D2D trong mạng LTE-A 41

2.3.1 Lớp giao thức và điều khiển kênh mang 43

2.3.2 Kiến trúc tham chiếu D2D 45

2.3.3 Cấu trúc khung trong giao tiếp D2D 46

2.3.4 Đồng bộ 47

2.3.5 Đo đạc kênh 47

2.3.6 Điều khiển công suất 48

2.4 Các cách kết nối D2D trong mạng 49

2.5 Mô Hình truyền thông D2D 51

2.6 Lựa chọn phương thức truyền thông D2D 58

2.7 Kết Luận 62

CHƯƠNG 3 TỐI ƯU CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN D2D TRONG HỆ THỐNG LTE-A 63

3.1 Giới thiệu chung 63

3.2 Quản lý tài nguyên vô tuyến 64

3.2.1 Lý thuyết tro chơi 67

3.2.2 Mô hình quản lý tài nguyên và cơ chế đấu giá 69

3.2.3 Thuật toán cấp phát tài nguyên 73

3.2.4 Phân tích thuật toán cấp phát tài nguyên dựa vào đấu giá 78

3.2.5 Kết quả mô phỏng và kết luận 78

3.3 Kết Luận 84

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ĐỀ XUẤT 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

Identifier

the Transmitter CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with

Interface plus Noise Ratio Mapping

E-UTRA Evolved Universal Terrestrial

Radio Access E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial

Radio Access Network

Communications

ICIC Inter-Cell Interference Coordination

Telecommunications

SINR Mapping

Orthogonal Frequency Division

OFDMA Orthogonal Frequency Division

Multiple Access

Indicator Channel

PHICH Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel

Temporary Identifier

SC-FDMA Single Carrier Frequency Division

Multiple Access

SINR Signal to Interference plus Noise Ratio

SRIT Sets of Radio Interface Technologies

SSS Secondary Synchronization Signal

Identity

WIMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

anten thu N, anten phát M

Tập ma trận kích thước M,

Vùng dung lượng kênh đa

Vùng dung lượng kênh

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh các tham số cơ bản của các thế hệ mạng thông tin di động….……15

Bảng 2.1 Các thông số mô phỏng chính……… ………….53

Bảng 2.2 Mô Hình suy hao đường truyền………53

Bảng 2.3 Hàm Xác suất Tầm nhìn thẳng LOS……… … 54

Bảng 2.4 Thông số OFPC……….55

Bảng 3.1 Các thông số mô phỏng……….……… 79

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động 14

Hình 1.2 Kiến trúc hệ thống tiến hóa từ GSM và UMTS tới LTE……….… 17

Hình 1.3 Kiến trúc hệ thống mạng LTE-A……….….….18

Hình 1.4a Chồng giao thức điều khiển LTE-A……… … 19

Hình 1.4b Chồng giao thức người dùng LTE-A……….….19

Hình 1.5 Kiến trúc mạng lõi LTE-A……… ………….… 20

Hình 1.6 Công nghệ đa ăng-ten……… ……… 25

Hình 1.7 Minh họa một hệ thống MIMO xác định……… … 26

Hình 1.8 Dung lượng Ergodic của một hệ thống MIMO xác định……… 27

Hình 1.9 Công nghệ trạm lặp……… ……… 30

Hình 1.10 Dải phổ làm việc mới của hệ thống 3G/4G khuyến nghị bởi ITU 2007….31 Hình 1.10 Hệ thống di động được triển khai cới các node mạng chuyển tiếp…… 32

Hình 1.11 Hệ thống thông tin relay với ba node……….……….… 32

Hình 1.12 Công nghệ phối hợp truyền dẫn đa điểm CoMP……….…….… 35

Hình 2.1 a, Kiến trúc mạng lõi cho D2D b, kiến trúc mạng truy nhập cho D2D… 43

Hình 2.2 Khối chức năng mạng tiến hóa LTE-A………… ……… 43

Hình 2.3 Lớp giao thức điều khiển cho D2D……… 44

Hình 2.4 Lớp giao thức dữ liệu cho D2D……….45

Hình 2.5 Kiến trúc LTE-A tăng cường cho D2D……….46

Hình 2.6 a, Kiến trúc khung D2D và Cell b, Thích ứng kênh……….47

Hình 2.7 Thủ tục chuyển giao kênh……….48

Hình 2.8 Giao tiếp D2D trong chuẩn 3GPP……….………51

Hình 2.9 Mô Hình truyền thông D2D……… ……… 52

Hình 2.10 Phân bố SINR của truyền thông D2D với L = 25m đường xuống……….56

Hình 2.11 Phân bố SINR của truyền thông D2D với L = 25m đường lên………… 56

Hình 2.12 Phân bố SINR truyền thông D2D điều khiển công suất L = 25m đường xuống……… 57

Hình 2.13 Phân bố SINR truyền thông D2D điều khiển công suất L = 25m đường xuống……….………….57

Hình 2.14 Phân bố SINR của truyền thông D2D với điều khiển

công suất với L = 25m, D = 0.5R CFOL: Vòng mở điều khiểnCell…….…….…… 58 Hình 2.15 Phân bố SINR truyền thông D2D dưới các

phương thức khác nhau L = 5m……… …… 60 Hình 2.16 Phân bố SINR truyền thông D2D dưới các

phương thức khác nhau L = 15m……….…… ………60 Hình 2.17 Phân bố SINR truyền thông D2D dưới các

phương thức khác nhau L = 35m……… 61 Hình 2.18 Phân bố SINR truyền thông D2D dưới các

phương thức khác nhau L = 45m……… 61 Hình 3.1 Mô Hình mạng triển khai giao tiếp D2D chia sẽ tài nguyên đường xuống 66 Hình 3.2 Tốc độ tổng hệ thống khi dùng các thuật toán

cấp phát tài nguyên khác nhau dùng tám đơn vị tài nguyên……….81 Hình 3.3 Tốc độ tổng hệ thống khi dùng các thuật toán

cấp phát tài nguyên khác nhau dùng hai đơn vị tài nguyên……….…… 81 Hình 3.4 Tốc độ tổng hệ thống khi dùng các thuật toán cấp

phát tài nguyên khác nhau dùng bốn cặp D2D……… 82 Hình 3.5 Hiệu quả hệ thống với các cặp D2D và số đơn vị tài nguyên khác nhau …82 Hình 3.6 Tính đơn điệu của giá: ví dụ về tính không đơn điệu của

giá trong cơ chế I-CA ngược……… 83

PHẦN MỞ ĐẦU

Hiện nay cùng với xu hướng phát triển của công nghệ điện tử, viễn thông và công nghệ thông tin, tốc độ phát triển của các mạng không dây cũng như nhu cầu của người

sử dụng về các dịch vụ vô tuyến ngày một gia tăng Nhu cầu bức thiết về mở rộng vùng

phủ sóng, nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên và tăng tốc độ truy nhập đòi hỏi nhiều tổ chức khoa học trên thế giới phải tập trung nghiên cứu để tìm ra những giải pháp công nghệ tiên tiến nhằm đáp ứng các yêu cầu trên

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị đầu cuối thông minh và mạng

di động thông tin LTE-A (Long Term Evolution - Advanced), giao tiếp Thiết bị đến Thiết

bị (D2D – Device To Device) là tính năng mới đầy hứa hẹn cho các đầu cuối trong mạng LTE-A Trong mạng di động truyền thống, các thiết bị kết nối với nhau qua các đường giao tiếp lên xuống qua trạm thu phát gốc Việc bắt buộc phải qua các trạm thu phát không đáp ứng được các dịch vụ, ứng dụng dựa trên các thiết bị gần nhau trong mạng Kiến trúc D2D trong hệ thống LTE-A ra đời với mục đích hỗ trợ các thiết bị gần nhau trong mạng

có thể giao tiếp trực tiếp với nhau qua đó đảm bảo các dịch vụ, ứng dụng cho các thiết bị này đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng tài nguyên cũng như chất lượng của mạng LTE-A[6] Với D2D, các thiết bị gần nhau có thể phát hiện, trao đổi và giao tiếp dữ liệu trực tiếp với nhau sử dụng sóng vô tuyến của mạng Thêm vào đó, vì giao tiếp với nhau trong khoảng cách gần nhau, Truyền thông D2D rất an toàn và bảo mật [7]

Để đi sâu phân tích đánh giá hiệu quả tối ưu công suất, hiệu quả tái sử dụng tài nguyên và cấp phát tài nguyên khi tăng cường D2D trong Cell hệ thống LTE-A, luận văn nghiên cứu, mô phỏng và phân tích Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A

Nội dung của luận văn được trình bày trong bốn chương:

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương 2: Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A

Chương 3: Tối ưu cấp phát tài nguyên D2D trong hệ thống LTE-A

Chương 4: Kết luận và kiến nghị đề xuất

Nội dung chính của luận văn nghiên cứu công nghệ D2D, sự thay đổi kiến trúc

hệ thống LTE-A để hỗ trợ kết nối D2D và các chuẩn của 3GPP cho nhận biết, giao tiếp D2D Luận văn sẽ đi sâu nghiên cứu các công thức toán học tối ưu điều khiển công

suất, tối ưu cáp phát tài nguyên, giảm tải hệ thống tại nút nguồn (eNode B), tại các nút chuyển và nút đích (UE) dựa trên mô Hình ba điểm đặc trong của hệ thống LTE-A hỗ trợ D2D

Để truyền thông D2D hoạt động tốt, có giá trị, yêu cầu kiểm soát điều khiển nhiễu rất nghiêm ngặt, vì khi dùng chung tài nguyên tần số, giao tiếp D2D gây nhiễu lên các giao tiếp khác trong Cell Để làm được điều này, việc điều khiển công suất và cấp phát tài nguyên là kỹ thuật chủ đạo để giảm thiểu nhiễu và tăng cường hiệu quả tái sử dụng tài nguyên Do vậy luận văn đi sẽ đi sâu phân tích các thuật toán điều khiển công suất, các thuật toán cấp phát tài nguyên trong Cell hệ thống LTE-A tích hợp D2D Kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ góp phần giải quyết vấn đề tối ưu điều kiển công suất nhằm tối ưu dung lượng Cell khi triển khai ứng dụng kết hợp công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A

Mặc dù tôi đã có nhiều cố gắng nhưng thời gian để tìm hiểu trang bị kiến thức cho nội dung luận văn của tôi còn hạn chế bởi đặc thù công việc cơ quan rất bận rộn, nên luận văn của tôi không thể tránh khỏi những sai sót Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Nguyễn Ngọc Văn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà nội, ngày 15 tháng 10 năm 2015

Học viên

Đào Xuân Hoàng

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG1.1 Hệ thống thông tin di động

1.1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động

Hình 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất (1G) được phát triển vào những năm cuối thập niên 70, sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multiple access) [19] Các hệ thống điển Hình thuộc thế hệ di động thứ nhất gồm có hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS (Advanced Mobile Phone Service) do phòng thí nghiệm AT&T Bell triển khai năm 1982, hệ thống thông tin truy nhập tổng thể TACS (Total Access Communication System) và hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 450 Mhz NMT 450 (Nordic Mobile Telephone băng tần 450 Hhz) hay hệ thống NMT 900 băng tần 900 Mhz

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) sử dụng kỹ thuật số với các công nghệ đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) và

đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code Division Multiple access) Hai thông số quan trọng đặc trưng cho các hệ thống thông tin di động 2G là tốc độ bit thông tin của người sử dụng và tính di động Một số hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai điển

Hình đã được triển khai trên thế giới đó là hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM, hệ thống IS-95 (Interim Standard 95) của Mỹ do Qualcomm đề xuất, hệ thống thông tin di động TDMA cải tiến IS-136 (Interim Standard 136) của Mỹ do AT&T đề xuất và hệ thống tổ ong cá nhân PDC (Personal Digital Cell) của Nhật Bản

Các

nội

dung

Thế hệ di động 1G 2G 2.5G 2.75G 3G 3.5G 3.75G 4G

TDMA hoặc CDMA

TDMA hoặc CDMA

WCDM

A CDMA-

2000 TD- SCDMA

WCDMA CDMA-

2000 TD- SCDMA

WCDMA CDMA-

2000 TD- SCDMA

Thoại

và data (EDGE )

Thoại và data R99

Thoại và Data

Thoại và Data Data

2048 kbps 14 Mbps

21.2 Mbps

20-100 Mbps Chuyể

CS switch

PS switch

CS switch

PS switch

CS switch

PS switch

CS switch

PS switch

CS switch

PS switch

PS switch

Bảng 1.1 So sánh các tham số cơ bản của các thế hệ mạng thông tin di động

Trong thập kỷ 90, ITU đã đưa ra đề án tiêu chuẩn hóa thông tin di động thế hệ thứ ba với tên gọi IMT-2000 nhằm nâng cao tốc độ truy nhập, mở rộng nhiều loại Hình dịch vụ, đồng thời tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có để đảm bảo

sự phát triển liên tục của thông tin di động Các tiêu chuẩn cho IMT-2000 đã được đề xuất, trong đó hai hệ thống điển Hình của CDMA là CDMA băng rộng WCDMA (Wide band Code Division Multiple Access) và CDMA-2000 đã được Hiệp hội Viễn thông Quốc tế ITU (International Telecommunication Union) đề xuất và đưa vào hoạt động, các hệ thống này đều sử dụng công nghệ CDMA [20] Điều đó cho phép thực hiện tiêu chuẩn toàn thế giới cho giao diện vô tuyến của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G)

Trước khi triển khai hệ thống thông tin di động 3G, các chuẩn hệ thống mạng trên thế giới có xu hướng quá độ lên thế hệ 2,5G Chuẩn chính của 2,5G là hệ thống các dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS (General Packet Radio Services), hệ thống các dịch

vụ dữ liệu tốc độ cao EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution) và IS-95B GPRS được coi là một bước phát triển tiếp theo để cung cấp dịch vụ dữ liệu tốc độ cao cho người dùng GSM và IS-136 Triển khai các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đến truyền số liệu như nén số liệu người sử dụng, số liệu chuyển mạch kênh tốc độ cao, dịch vụ vô tuyến gói chung đa năng và truyền số liệu với băng thông 144 Kbps

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba (3G) là thế hệ thông tin di động cho các dịch vụ truyền thông cá nhân đa phương tiện [21] Chuẩn 3G toàn cầu của ITU đã mở đường cho các ứng dụng và dịch vụ sáng tạo (ví dụ loại Hình giải trí đa phương tiện, các dịch vụ dựa trên vị trí) Mạng 3G đầu tiên được thiết lập tại Nhật bản năm 2001 Vào đầu năm 2000 các mạng 2.5G như GPRS đã được sẵn sàng triển khai ở Châu Âu Công nghệ 3G hỗ trợ băng thông 144 Kbps với tốc độ di chuyển lớn (trên xe hơi), 384 Kbps (trong một khu vực) và 2 Mbps (đối với trường hợp trong nhà) Năm 1997 Hiệp hội công nghiệp Viễn thông TIA ở Mỹ chọn CDMA như là một công nghệ cho 3G, năm 1998 CDMA băng rộng (W-CDMA) và CDMA2000 được thông qua cho hệ thống thông tin di động chung UMTS Trong đó W-CDMA và CDMA2000 là hai đề xuất chính của 3G Trước khi tiến tới hệ thống thông tin thế hệ thứ 4, hệ thống 3,5G (3G+) cũng được nghiên cứu cho giai đoạn quá

độ lên 4G và hệ thống này có các ứng dụng được nâng cấp dựa trên công nghệ hiện có của 3G, công nghệ chính của 3,5G là HSDPA (High Speed Packet Access), đây cũng là giải pháp mang tính đột phá về mặt công nghệ và được phát triển trên cơ sở của hệ thống 3G (W-CDMA)

Hình 1.2 Kiến trúc hệ thống tiến hóa từ GSM và UMTS tới LTE

Theo con số thống kê của lịch sử các cuộc cách mạng về công nghệ diễn ra trong hơn một thập kỷ qua thì thời điểm hiện tại chính là thời điểm thích hợp để nghiên cứu hệ thống thông tin di động 4G Thông tin di động thế hệ thứ tư với tên gọi LTE-A[21] thực chất là bản nâng cấp của LTE nhằm thỏa mãn các yêu cầu của IMT-Advanced, việc nâng cấp này được thể hiện ở chỗ các công nghệ đã được sử dụng trong LTE như OFDMA, SC-FDMA, MIMO, AMC, Hybrid ARQ thì vẫn được sử dụng trong LTE-A tuy nhiên có một số cải tiến để phát huy tối đa hiệu quả của chúng như MIMO tăng cường (8x8 MIMO), đồng thời LTE-A còn ứng dụng thêm nhiều công nghệ mới như truyền dẫn băng rộng và chia sẻ phổ tần, đa ăng-ten cải tiến, công nghệ trạm lặp, công nghệ MC-MC CDMA Do vậy, LTE-A có nhiều đặc tính kỹ thuật ưu việt hơn hẳn LTE, tốc độ truyền dữ liệu đỉnh có thể lên đến 1Gbps, độ trễ xử lý nhỏ nhất của LTE-A khoảng 5ms nhanh gấp 2 lần độ trễ xử lý trong LTE

LTE-A được thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ chuyển mạch gói, hướng đến cung cấp các kết nối IP giữa các UE (User Equipment) và PDN (Packet Data Network) Phương pháp chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao gồm cả thoại thông qua các kết nối gói Kết quả là trong một kiến trúc phẳng hơn, rất đơn giản chỉ với hai loại cụ thể

là nút B phát triển (eNode B) và thực thể quản lý di động/cổng (MME/GW–Mobility

Management Entity/Gateway) Điều này hoàn toàn trái ngược với nhiều nút mạng trong kiến trúc mạng phân cấp hiện hành của hệ thống 3G

Hình 1.3 Kiến trúc hệ thống mạng LTE-A

Mô tả kiến trúc và các thành phần mạng trong cấu Hình kiến trúc tổng quát mạng 4G LTE/SAE cơ sở với mạng truy nhập EUTRAN Sự phân chia kiến trúc thành bốn vùng chính: thiết bị người dùng (UE), UTRAN phát triển (E-UTRAN), mạng lõi phát triển (EPC) và các vùng dịch vụ

- PDCP (Packet Data Convergence Protocol): giao thức hội tụ số liệu gói, đảm bảo nén tiêu đề giao thức và thực hiện mật mã hóa số liệu

- RLC (Radio Link Control): điều khiển liên kết vô tuyến, chịu trách nhiệm truyền

số liệu tin cậy, lớp con của lớp hai

- MAC (Medium Access Control): điều khiển môi trường, chịu trách nhiệm lập biểu và phát lại nhanh, lớp con của lớp hai

Hình 1.4a: Chồng giao thức điều khiển LTE-A

Hình 1.4b: Chồng giao thức người dùng LTE-A

Mạng lõi LTE-A

Kiến trúc mạng lõi LTE-A được thiết kế để hỗ trợ lưu lượng chuyển mạch gói, đảm bảo di động liên tục, chất lượng dịch vụ QoS và trễ tối thiểu Chuyển mạch gói cho phép hỗ trợ tất cả các dịch vụ bao gồm cả thoại thông qua các kết nối gói Vì thế kiến trúc trở nên đơn giản và phẳng hơn với chỉ còn hai kiểu nút là eNodeB và MME/GW Thay đổi chính trong kiến trúc mạng là RNC bị loại bỏ khỏi đường truyền số liệu và các chức năng của nó được tích hợp vào eNodeB Hai trong số các lợi ích khi chỉ dụng một nút trong mang truy nhập là giảm trễ và phân bổ tải xử lý của RNC vào nhiều eNodeB Lý do

có thể lọai bỏ RNC trong mang truy nhập một phần là LTE không hỗ trợ phân tập vĩ mô hay chuyển giao mềm

Hình 1.5 Kiến trúc mạng lõi LTE-A

Thực thể quản lý di động (MME – Mobility Management Entity)

Thực thể quản lý di động (MME) là phần tử điều khiển chính trong mạng lõi Thông thường MME là một máy chủ đặt tại một vị trí an toàn ngay tại nhà khai thác Nó chỉ hoạt động trong mặt phẳng điều khiển CP (Control Plane) và không tham gia vào đường truyền

số liệu củ mặt phẳng người dùng UP (User Plane)

Ngoài các giao diện kết cuối tại MME như thấy trong cấu trúc Hình vẽ, MME cũng

có một kết nối logic trực tiếp CP đến UE và kết nối này được sử dụng như là kênh điều khiển sơ cấp giữa UE và mạng Dưới đây là chức năng chính của MME trong kiến trúc hệ thống cơ sở:

- An ninh và nhận thực

- Quản lý di động

- Quản lý hồ sơ thuê bao và kết nối dịch vụ

Cổng phục vụ S-GW (Serving GateWay)

Trong cấu Hình kiến trúc cơ sở, chức năng mức cao của S-GW là quản lý tunnel mặt

phẳng người dùng và chuyển mạch S-GW là bộ phận của hạ tầng mạng được quan lý tập trung tại nơi khai thác

Khi giao diện S5/S6 được xấy dựng trên cơ sở GTP, S-GW sẽ có các GTP tunnel trên tất cả các giao diện mặt phẳng người dùng Quá trình sắp xếp các luồng dịch vụ IP vào các GTP (GPRS Tunnel Protocol) trên tất cả cá giao diện mặt phẳng người dùng Quá trình sắp xếp các luồng dịch vụ IP vào các GTP tunnel được thực hiện trong P-GW và S-

GW không cần nối đến PCRF (Policy Control Rule Function) Tất cả điều khiển đều liên quan đến các GTP tunnel và từ MME hoặc p-GW Khi giao diển S5/S6 sử dụng PMIP, S-

GW sẽ thực hiện sắp xếp các luồng dịch vụ IP trong S5/S6 vào các GTP tunnel trong các giao diện S1-U và sẽ nối đến PCRF để nhận thông tin sắp xếp

Cổng mạng số liệu P-GW (Package Domain – GateWay)

Cổng mạng số liệu gói P-GW là một bộ định tuyến (Router) biên giữa mạng lõi

LTE-A và các mạng số liệu bên ngoài Nó là một mỏ neo di động mức cao nhất trong hệ thống và thường hoạt đọng như một điểm nhập mạng IP đối với UE Nó thực hiện các chức năng mở cổng lưu lượng và lọc theo yêu cầu của dịch vụ Tương tự như S-GW, các P-GW

có thể được khai thác ngay tại vị trí trung tâm nhà khai thác

Thông thường P-GW ấn định địa chỉ IP cho UE và UE sử dụng nó để thông tin với các máy IP trong các mạng ngoài (Internet) Cũng có thể mạng ngoài nơi ma UE nối đến

sẽ ấn định địa chỉ IP cho UE sử dụng và P-GW truyền tunnel tất cả lưu lượng đến mạng này Lưu lượng mặt phẳng người dùng giữa P-GW và các mạng ngoài có dạng các gói IP thuộc các luồng dịch vụ IP khác nhau Nếu giao diện S5/S8 đến S-GW được xây dựng trên

cơ sở GTP thì P-GW thực hiện sắp xếp các luồng dữ liệu IP lên các GTP tunnel P-GW thiết lập các kênh mang dựa trên yêu cầu hoặc thông qua PCRF hoặc từ S-GW làm nhiệm

vụ chuyển tiếp thông tin từ MME

Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên PCRF (Policy Charging Control Rule Function)

Chức năng chính sách và tính cước tài nguyên là một phần tử mạng chịu trách nhiệm cho việc điều khiển chính sách và tính cước Nó quyết định cách xử lý các dịch vụ theo QoS và cung cấp thông tin cho Chức năng thực thi và chiến lượng tính cước trong P-GW

và nếu áp dụng nó cũng cung cấp thông tin cho Thiết lập ràng buộc kênh mang và báo cáo

sự kiện để có thể thiết lập các kênh mang và chính sách tương ứng PCRF là một bộ phận của chương trình khung PCC (Policy and Charging Control)trong tiêu chuẩn PCRF là một máy chủ thường được đặt cùng các phần tử mạng lõi tại các trung tâm chuyển mạch của nhà khai thác

Máy chủ thuê bao nhà HSS (Home Subscriber Server)

Máy chủ thue bao nhà HSS là một bộ lưu giữ số liệu thuê bao cho tất cả số liệu cố

định của người sử dụng Nó cũng ghi lại vị trí của người sử dụng ở mức nút điều khiển

bảo trì tại vị trí nhà khai thác mạng nhà

HSS lưu bản sao chính của hồ sơ thuê bao chứa thông tin về các dịch vụ áp dụng cho người sử dụng bao gồm cả thông tin về các kết nối PDN được phép và có được phép chuyển đến một mạng khác nào đó hay không Để hỗ trợ di động giữa các mạng truy nhập không phải 3GPP, HSS cũng lưu các số nhận dạng của các P-GW hiện tại sử dụng

Công nghệ mạng 4G đã và đang hướng tới những đặc tính ưu việt sau:

 Hỗ trợ tốt hơn các dịch vụ tương tác đa phương tiện

 Băng thông rộng hơn, tốc độ bit lớn hơn

 Tính di động toàn cầu và tính di chuyển dịch vụ

Xu hướng thứ hai là xu hướng nghiên cứu phát triển mạng LAN vô tuyến Sự phát triển rộng khắp của WiFi được bắt đầu từ năm 2005 cho các máy tính xách tay và các thiết bị hỗ trợ cá nhân Trong các doanh nghiệp, tín hiệu thoại được truyền đi bởi công nghệ thoại qua mạng LAN vô tuyến Tuy nhiên chưa ai thấy rõ được công nghệ sẽ thành công tiếp theo là công nghệ nào Để đạt tới sự thống nhất về công nghệ 200 Mbps và cao hơn nữa vẫn còn là một chặng đường dài và rất nhiều giải pháp cần đề xuất

Xu hướng thứ 3 là IEEE 802.16e và 802.20 thực hiện đơn giản hơn 3G Sự phát triển của mạng lõi hướng tới thế hệ NGN băng rộng sẽ hỗ trợ cho việc áp dụng các công nghệ mạng truy nhập mới thông qua các cổng truy nhập tiêu chuẩn, dựa trên các chuẩn hiệp hội viễn thông quốc tế, phân hệ viễn thông ITU-T (International Telecommunication Union – Telecommunication Sector), Dự án đối tác thế hệ thứ 33GPP (3rd Genneration Project Partnership), hiệp hội tiêu chuẩn viễn thông Trung Quốc CCSA (China Communications Standards Association) và các chuẩn khác

Hiện thế giới đang tồn tại hai chuẩn công nghệ lõi của mạng 4G là WiMax và LTE WiMax là chuẩn kết nối không dây được phát triển bởi IEEE, còn LTE là chuẩn do 3GPP - một bộ phận của liên minh các nhà mạng sử dụng công nghệ GSM phát triển Cả WiMax và LTE đều sử dụng các công nghệ thu phát tiên tiến như công nghệ MIMO, công nghệ trạm lặp (Relays) để nâng cao khả năng thu phát sóng và hoạt động của thiết

bị mạng lưới Một số công nghệ tiên tiến được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu sử dụng trong mạng thế hệ mới 4G được mô tả như sau:

1.1.2.1 Công nghệ OFDM và OFDMA

Công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) không chỉ tạo nên lợi ích rõ ràng cho thực thi lớp vật lý, mà còn hợp nhất việc cải thiện hiệu năng lớp 2 nhờ việc đưa ra thêm một mức độ tự do Công nghệ OFDM có thể khai thác miền thời gian, miền không gian, miền tần số và thậm chí

cả miền mã để tối ưu hoá việc sử dụng kênh vô tuyến Chắc chắn rằng công nghệ này sẽ

có ưu thế lớn về mặt truyền dẫn trong môi trường đa đường với việc làm giảm thiểu sự phức tạp của bộ thu Tín hiệu được chia thành các sóng mang nhỏ trực giao, trên mỗi sóng mang đó tín hiệu là băng hẹp (vài KHz), vì vậy tránh được hiệu ứng đa đường, tạo nên một khoảng bảo vệ chèn vào giữa mỗi tín hiệu Công nghệ OFDM cũng tạo ra độ lợi về

phân tập tần số, cải thiện hiệu năng của lớp vật lý của kênh truyền

Công nghệ đa truy nhập phân tần trực giao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access)[24] cho phép đa truy nhập bằng cách cung cấp cho mỗi người dùng một phần trong số sóng mang có sẵn, bằng cách này OFDMA tương tự như phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA, tuy nhiên công nghệ này không cần có dải phòng vệ lân cận rộng như trong FDMA Công nghệ OFDMA có thể chuyển đổi một fading chọn lọc tần số thành nhiều kênh phụ pha-ding phẳng Một tính năng rất quan trọng của OFDMA là khả năng khai thác sự đa dạng đa người dùng, trong đó, kết hợp với việc phân bổ tài nguyên động Ứng dụng công nghệ OFDMA có thể làm tăng đáng kể thông lượng cho hệ thống thông tin di động

Trong truyền dẫn OFDM, mỗi sóng mang con có thể sử dụng được nạp một ký tự QAM hoặc PSK a(k), trong đó k là chỉ số sóng mang con Sự phức tạp miền thời gian

mẫu băng gốc b(l) của một ký tự OFDM với N sóng mang con được tạo thành bởi việc thực hiện biến đổi Fourier ngược rời rạc (IDFT) N điểm như sau:

Và phần có ích của mỗi ký tự ODFM chiếm miền thời gian của T, tương ứng với

N mẫu Bên cạnh đó Ng là số lượng tiền tố tuần hoàn (CP) mẫu Kí tự kết quả sau đó được truyền thông qua kênh fading đa đường, đáp ứng xung hữu hạn của nó là h(l) Giả

sử rằng việc đồng bộ tần số/thời gian hoàn hảo đã đạt được Tín hiệu băng gốc phức hợp được nhận thì được lấy mẫu với chu kỳ Ts = T/N và có thể được biểu thị như sau:

(m) exp(j ) (m l) h(l) n(m)

l

Trong đó,  là một nhân tố ph tùy ý và n(m) là mẫu của nhiễu phức hợp trong

miền thời gian

Việc tiến hành N điểm biến đổi Fourier rời rạc (DFT) sau khi loại bỏ các CP của

Ng mẫu từ r(m), tìn hiệu miền tần số được nhận được viết như sau:

Trong đó H(k) là đáp ứng tần số của kênh liên quan với sóng mang con thứ k và

n biểu thị nhiễu trong miền tần số Sau đó, a(k) có thể khôi phục bằng việc thực hiện các chức năng lọc khác nhau trên z(k) tại bộ thu

Trong mạng LTE/LTE-A, OFDMA đã được thông qua cho việc truyền dẫn hướng xuống, đó là, đa thiết bị người dùng (UE) thì được phục vụ bởi một trạm BS trên mỗi nhóm khác nhau của sóng mang con Về hướng lên, đa truy nhập phân chia tần số sóng mang con đơn (SC-FDMA) thì được áp dụng do việc cân nhắc về việc giảm tỉ lệ công suất trung bình với đỉnh (PAPR) của tín hiệu đường lên đã gửi từ UE Trong SC-FDMA, các nguồn tài nguyên tần số cho một UE phải bao gồm các sóng mang con liền kề nhau

và các biểu tượng dữ liệu của UE nên được trải rộng trên nguồn tài nguyên tần số bằng

(1.1)

(1.2)

(1.3)

(1.4)

các hoạt động DFT Do đó, trong các mạng LTE/LTE-A, SC-FDMA cũng được gọi OFDM trải DFT

1.1.2.2 Công nghệ MIMO

Công nghệ MIMO[8] sử dụng ghép kênh tín hiệu giữa rất nhiều các anten phát (đa thành phần không gian) trên miền thời gian hoặc miền tần số Trong mô Hình kênh truyền của hệ thống MIMO, tín hiệu được phát đi bởi m anten và tại phía thu người ta triển khai n anten thu tương ứng để thu tín hiệu từ trạm phát truyền tới Việc xử lý các tín hiệu thu được có thể mang lại một số cải thiện đáng kể như mở rộng vùng phủ, cải thiện chất lượng của tín hiệu thu được và nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần vô tuyến

Kỹ thuật MIMO (Multiple Input Multiple Output ) trong lĩnh vực truyền thông là

kỹ thuật sử dụng nhiều ăng-ten phát và nhiều ăng-ten thu để truyền dữ liệu Công nghệ MIMO tận dụng sự phân tập - diversity (không gian, thời gian, mã hóa ) nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu, tốc độ dữ liệu Tuy nhiên không giống OFDM, MIMO phát đồng thời và cùng tần số

Hình 1.6: Công nghệ đa ăng-ten

Mô Hình hệ thống MIMO điển Hình:

Hình 1.7: Minh họa một hệ thống MIMO

Phương án truyền dẫn MIMO yêu cầu và máy thu và máy phát cần được trang bị nhiều ăng-ten Các đáp ứng kênh của các cặp ăng-ten truyền/nhận tạo thành một ma trận của các hệ số kênh Một minh họa của hệ thống MIMO được biểu diễn như hình 1.6

Một vấn đề cơ bản nhất của hệ thống MIMO điểm tới điểm là dung lượng như các thiết kế máy thu hướng đến dung lượng Giả sử rằng trong một hệ thống MIMO, các node truyền và nhận, lần lượt là ăng-tenN TvàN R Sau đó, tín hiệu được nhận N R 1

 là các ma trận kênh, x là vec-tơ tín hiệu được truyền và n

là vec-tơ nhiễu Gau-sơ phức hợp tròn đối xứng (ZMCSCG) với E{ H

I biểu thị chuyển bị liên hợp, các nhà khai khác kỳ vọng, và một N

xN nhận dạng ma trận Không mất tính tổng quát, chúng ta giả sử rằng các phương sai của ma trận của x là Q X= E{ H

XX } và hạn chế công suất tại máy phát được viết như sau:

tr{Q x} ≤ P

Trong đó, tr{.} chỉ thị dấu của ma trận và P là công suất truyền cực đại Xem xét các kênh MIMO biến đổi thời gian, chúng ta có thể có được dung lượng Ergodic của một hệ thống MIMO được biển diễn như sau:

Trong đó, det(.) chỉ thị các hoạt động quyết định Nếu chúng ta nhắc lại các hoạt động quyết định như việc tính toán khối lượng, sau đó biểu thức (1.7) có thể được giải thích như việc đóng gói nhiễu trong lĩnh vực nhiễu-tín hiệu và biểu thức (1.7) có thể được định nghĩa lại như sau:

Trong đó, tử số và mẫu số trong hàm logarit thể hiện lượng bóng nhiễu-tín hiệu

và một quả bóng nhiễu Khi H trải nghiệm pha-ding nhanh và không có trạng thái thông tin kênh (CSI) ở bên truyền, chiến lược tối đa hóa dung lượng được gọi là sự phân bổ công suất trền tất cả các ăng-ten truyền, đó là:

hệ thống FDD hoặc kênh tương hỗ trong một hệ thống TDD Các chiến lược truyền tối

ưu để tối đa dung lượng hệ thống được giải quyết trong phần sau

Chúng ta thực hiện sự phân hủy giá trị đơn lẻ (SVD) trên H và nhận được:

H U VTrong đó, U  CNr x Nr và V  CNt x Nt là các ma trận đơn nhất và ^  CNr x Nt là một ma trận đường chéo bán xác định với đường chéo λis, đó là, các giá trị đặc biệt, là căn bậc hai của các giá trị đặc trưng của H

nU n Sau đó có thể viết lại (1.12) như sau:

0 2

y    x n Trong đó,

~ ~

~

~

1 min(N ,N ) i

, min(N N )

suất tải Một phát hiện thú vị từ công thức (1.16) là công suất nhiều hơn đi vào các kênh con với độ lợi lớn, dẫn đến công suất kênh con thậm chí còn cao hơn

Hình 1.8 Dung lượng Ergodic của một hệ thống MIMO xác định

Hình 1.8 cho thấy kết quả mô phỏng của dung lượng Ergodic của hệ thống MIMO xác định cho các thiết lập ăng-ten khác nhau trong các kênh pha-đing Relay (Proakis 2001) Chúng ta cũng có thể quan sát rõ các đường cong công suất trong chế độ SNR cao, trong đó chỉ ra độ lợi ghép kênh được đề cập trong Telatar (1999)

Từ công thức (1.15) tới (1.18), cho thấy rằng chiến lược truyền dẫn hướng đến

dung lượng nên được gửi ~ H

xV xvới tải công suất được biểu thị trong công thức (1.19),

mà thường được gọi là phân bổ công suất đầy nước Chú ý rằng truy trình tối ưu hóa việc truyền tin thường được gọi chung là tiền mã hóa (Mai 2007) Cũng lưu ý rằng với

bộ lọc Wiener (Prodkis 2001) được triển khai tại bộ thu, các chiến lược truyền dẫn tối

ưu để giảm thiểu tổng MSE của hệ thống MIMO xác định cũng là ~ H

xV xnhưng với hàm công suất tải khác nhau được đưa ra bởi Palomar (2003):

Đối với việc phát hiện và giải mã tín hiệu ở máy thu, một số thuật toán thông thường bao gồm lọc phù hợp (MF), lọc ZF, lọc lỗi vuông trung bình tối thiểu (MMSE), thuật toán bình phương ít nhất (LS), thuật toán tối đa khả năng (ML), và thuật toán tối

đa một nghiệm (MAP) Trong số chúng, các bộ lọc MF, ZF và MMSE là các bộ dò tuyến tính

1.1.2.3 Công nghệ trạm lặp

Công nghệ trạm lặp (Relay) sử dụng hệ thống các trạm lặp trong mạng di động nhằm mục đích giảm khoảng cách ở giữa trạm gốc và thiết bị đầu cuối (nút đích UE) [29] Một trạm lặp cơ bản có 2 anten, một anten hướng về trạm gốc (eNB) và một anten hướng về vùng dịch vụ Trạm lặp khuếch đại các tín hiệu thu được và phát lại các tín hiệu này theo

cả hai hướng đường lên và đường xuống với độ trễ vài micro giây.Các trạm lặp có thể được

sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau Ứng dụng cổ điển nhất là làm tăng vùng phủ cho trạm gốc Tuy vậy, trạm lặp cũng có thể được sử dụng để làm giảm bớt nhiễu trong hệ thống vì các thiết bị đầu cuối truyền thông qua trạm lặp cần công suất phát ra thấp hơn so với các thiết bị đầu cuối khác khi không có trạm lặp

Hình 1.9 Công nghệ trạm lặp

Hiện tại, hiện tượng thắt nút cổ chai của sự phát triển thông tin không dây thì vẫn

là sự khan hiếm của dải quang phổ tần số Trong thực tế, phổ tần số thấp với độ phủ sóng lớn thì khó để thực hiện Tháng 10 năm 2007, hội nghị thông tin vô tuyến thế giới (WRC07) ở Thụy Sĩ Trong suốt hội nghị, ITU đã quy định bốn dải phổ tần số cho hệ thống 3G và 4G, trong đó 3.4G~3.6GHz (băng thông 200MHz), và 2.3G~2.4GHz (băng thông 100MHz), 698M~806MHz (băng thông 108MHz), và 450M~470MHz (băng thông 20MHz), đã được minh họa trong Hình 2.10

Để tăng công suất thu được tại phía các UE, hai phương pháp tiếp cận đơn giản

có thể được xem xét Các phương pháp tiếp cận đầu tiên gọi cho rất nhiều các trạm BS nhỏ để khởi động dịch vụ, với mỗi trạm BS nhỏ điều khiển nguồn tài nguyên vô tuyến của một cell nhỏ Công suất được nhận của UE có thể được thúc đẩy rộng chủ yếu do khoảng cách ngắn giữa các UE và các BS Phương pháp tiếp cận thứ hai xuất hiện công nghệ MIMO, loại mà có thể tạo ra một chùm tín hiệu mạnh hướng tới các UE Trong phương pháp tiếp cận thứ nhất sẽ làm tăng đáng kể nguồn vốn đầu tư của các nhà điều hành mạng trong cơ sở mạng hạ tầng và có thể gây ra một vài vấn đề pháp lý Mặt khác, phương pháp tiếp cận thứ hai thì có thể chùm lên công suất được nhận của truyền dẫn đơn luồng, trong khi truyền dẫn đa luồng sẽ đối mặt nhiều khó khan như khe cắm ăng-ten bị giới hạn cài đặt trong các máy điện thoại UE, SNR cao được yêu cầu để cung cấp nhiên liệu dung lượng của truyền dẫn MIMO đa luồng để gia tăng tính tuyến tính, và xử

lý tín hiệu phức tạp để giảm thiểu nhiễu nội luồng và nội UE trong SU/MU MIMO Để đối phó với vấn đề này, công nghệ Relay liên tục thu hút sự chú ý trong những năm gần đây Ý tưởng cơ bản của Relay là để phát triển các node chi phí thấp và công suất thấp trong mạng, loại mà nhận và chuyển tiếp tín hiệu được gửi từ các BS, do đó việc mở

2004) Một mạng di động được triển khai với các node Relay được minh họa trong hình 2.11 Một UE có thể cũng phục vụ như một node Relay, ví dụ, UE2 giúp chuyển tiếp tín hiệu từ các BS tới UE4 Vì có rất nhiều các UE trong mạng, tín hiệu có thể được chuyển tiếp từ nhiều các UE với các kênh độc lập và tỷ lệ lỗi bít (BER) tại điểm cuối sẽ giảm đáng kể do sự gia tăng đa dạng nhiều UE

Hình 1.11 Hệ thống di động được triển khai cới các node mạng chuyển tiếp

Một hệ thống thông tin chuyển tiếp cơ bản ba node, để đơn giản, chế độ TDD được giả định cho các node chuyển tiếp (Relay), đó là, các node chuyển tiếp nhận tín hiệu từ node nguồn và chuyển tiếp tín hiệu tới node đích trong hai khe thời gian không gian Và tất cả ba node trong hình 2.12 được giả địng chỉ có một ăng-ten Hệ thống MIMO relay sẽ được trình bày như sau:

Hình 1.12 Hệ thống thông tin relay với ba node

Trong khe thời gian đầu tiên, node nguồn S truyền tín hiệu tới node Relay R và nốt đích D, và tín hiệu được nhận tại R và D có thể là:

ySR h xSR nSR

ySD h xSD nSD Trong (1.20) và (1.21), x là ký hiệu dữ liệu nguồn được ràng buộc bởi:

E{| x | } P2  s Trong đó, |.| cho các giá trị tuyệt đối và Ps là công suất truyền cực đại của S Bên

cạnh đó, hSR và hSD là các hệ số của kênh ngược (S tới R) và kênh trực tiếp (S tới D)

nSR và nSD đại diện cho nhiễu Gau-sơ trắng cộng sinh (AWGN) tại R và D khi nhận tín

hiệu từ S

Khi node chuyển tiếp R nhận ySR, nó sẽ thực hiện một vài loại xử lý tín hiệu được

biểu thị như G(ySR), trong đó G(.) là một hàm chung mà phụ thuộc vào giao thức Relay

tương ứng Hai giao thức Relay được nghiên cứu rộng là khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

(Laneman 2004) và giải mã-chuyển tiếp (DF)

Về chuyển tiếp AF, tín hiệu tương tự được nhận thì được khuếch đại và chuyển

tiếp đơn giản tới node đích D Do đó, G(.) có thể được mô tả như sau:

G(y SR) =  ySR Trong đó α là hệ số khếch đại, được giới hạn bởi sự hạn chế công suất truyền

Relay được thể hiện như sau:

2

{| G(y ) | } PSR r

E  Trong đó,P rlà công suất truyền cực đại tại các node Ralay R Các vấn đề chính

của chuyển tiếp AF là nhiễu tại R thì cũng được khuếch đại, loại mà áp đảo tìn hiệu yếu

nhận được

Khi node nguồn S không xa các node chuyển tiếp S, giao thức chuyển tiếp DF

thông thường được triển khai, trong đó chuyển tiếp phát hiện và giải mã x từy SR, và sau

đó mã hóa lại tín hiệu trước hoạt động chuyển tiếp Nếu DF chuyển tiếp giải nén thành

công các ký hiệu dữ liệu nguồn, sau đó tín hiệu có ích có thể là được tái sinh hoàn toàn

mà không khếch đại nhiễu không mong muốn trong giao thức chuyển tiếp AF Do đó,

G(.) trong một chuyển tiếp DF được cho bởi:

SR x

G(y ) P Trong đó P được chọn để đáp ứng biểu thức (1.25)

Trong khe thời gian thứ hai, node chuyển tiếp R chuyển tiếp G(ySR) tới node đích

D Tín hiệu được nhận tại D có thể được viết:

y  h  g(y ) n 

Trong đó,h RDlà chỉ số của kênh chuyển tiếp (R tới D) và n RDlà nhiễu tại D

Giả sử rằng hai khe thời gian của truyền dẫn chuyển tiếp TDD của cùng một thời

gian và công suất nhiễu 2

Biểu thức cho thấy rằng, dung lượng điểm cuối-điểm cuối được chi phối bởi giá

trị cực tiểu của các dung lượng liên quan với hai đường đi khác nhau, đó là, đường trực

tiếp từ S tới D và đường chuyển tiếp từ S tới R sau đó tới D

Ngoài các giao thức AF và DF, các node chuyển tiếp cũng có thể thực hiện

chương trình mã hóa khác nhau trên ySR bước khi chuyển tiếp gói tin tới node đích Một

vài chương trình mã hóa thực tế bao gồm mã hóa kênh xoắn và mã hóa thời gian-không

gian được phân bố

Cần lưu ý rằng mặc dù sự ra đời của các node chuyển tiếp có thể cải thiện vùng

phủ sóng hệ thống, nó cũng không hứa hẹn sẽ giảm được nhiễu trong mạng Ngược lại,

các node chuyển tiếp, nhiễu có thể được quan sát bởi các UE Do đó, hạn chế nghiêm ngặt công suất truyền trên các node chuyển tiếp là cần thiết để làm cho hệ thống làm việc đúng cách

1.2.1.4 Công nghệ CoMP

Công nghệ phối hợp truyền dẫn đa điểm CoMP (Coordinated Multi-Point Transmission), phối hợp truyền thông tin từ một nút nguồn tới một số nút chuyển tiếp (trạm lặp), các trạm lặp chuyển tiếp tín hiệu đã được xử lý tới nút đích, tại nút đích kết hợp và sử dụng phân tập tín hiệu thu được từ các trạm lặp và từ nút nguồn

để nhận được tín hiệu thu Lợi ích của hệ thống CoMP trong việc nâng cao chất lượng dịch vụ:

 Tăng hiệu quả sử dụng mạng bằng việc cung cấp kết nối tới nhiều trạm cùng một lúc và có thể tận dụng tối ưu tài nguyên của các trạm thu phát đó

 Nâng cao chất lượng thuê bao bằng cách sử dụng nhiều tế bào mạng trên một thuê bao sẽ tăng khả năng thu nhận và giảm đáng kể việc mất kết nối

 Hệ thống này giúp cải thiện đáng kể về tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm và can nhiễu

ở thiết bị đầu cuối, giảm đáng kể nhiễu tạp âm

Hình 1.13 Công nghệ phối hợp truyền dẫn đa điểm CoMP

1.1.3 Những vấn đề còn tồn tại trong các thế hệ thông tin di động

Dung lượng trong các hệ thống thông tin di động 1G rất thấp, số lượng dịch vụ không nhiều, chất lượng dịch vụ thông tin kém, chỉ cung cấp dịch vụ thoại tương tự Hệ thống thông tin di động 2G các hệ thống thông tin di động băng hẹp với tốc độ bit thông tin của người sử

dụng là 8-13Kbps Các hệ thống mạng 2G phát triển rất mạnh vào những năm 1990, tuy nhiên số thuê bao di động không ngừng tăng cộng với nhu cầu về dịch vụ mới, đặc biệt là các dịch vụ truyền số liệu, dịch vụ roaming quốc tế, các yêu cầu về chất lượng cuộc gọi…đã đòi hỏi các tổ chức quốc tể phải cứu để đưa ra các tiêu chuẩn mới nhằm nâng cấp và phát triển

hệ thống thông tin di động hiện có

Cả hai thế hệ thông tin di động 1G và 2G đều bị hạn chế nhiều do việc sử dụng các kỹ thuật đa truy cập FDMA, TDMA hoặc CDMA Các kỹ thuật này xác định người dùng bằng việc cấp phát một tần số hoặc một khe thời gian hoặc một mã trải phổ duy nhất khi họ đăng nhập vào hệ thống Nhưng phổ tần dành cho thông tin di động thì lại có hạn, mặc dù CDMA cũng làm tăng dung lượng hệ thống đáng kể nhưng nó lại dẫn đến

sự gia tăng nhiễu đồng kênh và nhiễu xuyên kênh do mật độ phân bố cao của người dùng trong một Cell, vì vậy dung lượng hệ thống của thể hệ thông tin di động 1G, 2G là không cao Bên cạnh đó, chất lượng dịch vụ của người dùng cũng giảm do ảnh hưởng của fading tần số và nhiễu đồng kênh, nhiễu xuyên kênh khi họ di chuyển

Hệ thống thông tin di động 3G là hệ thống có các kênh thoại chất lượng cao cũng như khả năng truyền tải dữ liệu băng rộng có thể đạt tới 2Mbps và cung cấp các dịch vụ viễn thông tốc độ cao hơn, tuy nhiên ở mạng 3G vẫn tồn tại một số khiếm khuyết như rất khó cho việc tăng băng thông liên tục và tốc độ dữ liệu cao để đáp ứng được những yêu cầu cao hơn của các dịch vụ đa phương tiện, cùng với sự tồn tại song song của các dịch vụ khác nhau cần có băng thông và QoS khác nhau Giới hạn phổ và phân bố phổ Khó roaming qua các môi trường dịch vụ khác nhau ở các băng tần khác nhau Thiếu cơ chế vận chuyển liên tục từ đầu cuối đến đầu cuối để liên kết mở rộng một mạng di động nhỏ với một mạng cố định nhỏ khác Các hệ thống thông tin di động 3G có thể cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cực đại lên tới 2MHz, nhưng tốc độ này chỉ có thể đạt được trong các Cell pico trong nhà, còn lại các dịch

vụ với tốc độ 14.4Kbps là phổ biến và chỉ đảm bảo cho các tốc độ di động thông thường ở các Cell macro

Hệ thống thông tin di động 4G sử dụng băng thông rộng do đó có thể giảm mật

độ phổ công suất khả dụng và thậm chí phổ rộng sẽ chỉ khả dụng tại các băng tần cao

và điều này đồng nghĩa với suy hao cao Các thuê bao yêu cầu các dịch vụ tốc độ số liệu cao thường đựơc đặt trong nhà và phải chịu cường độ tín hiệu thấp do sóng vô

tuyến phải thâm nhập qua các tường ngăn của tòa nhà Để chống lại các ảnh hưởng này và đảm bảo thông lượng cao ổn định trên toàn mạng, các trạm eNodeB của mạng 4G cần phải đựơc đặt gần người sử dụng hơn để đạt đựơc mục đích truyền dữ liệu tin cậy với tốc độ cao Hệ thống thông tin di động 4G có yêu cầu kỹ thuật dung lượng lớn

và tốc độ dữ liệu cao trong khi băng thông cho phép bị hạn chế, tốc độ truyền dẫn cao trên các kênh truyền băng rộng, đặc biệt là các kênh fading lựa chọn tần số, nhiễu liên

ký tự xuất hiện do độ trễ của kênh truyền, làm tăng tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) một cách đáng kể Việc tăng cường mở rộng dung lượng và nâng cao tốc độ dữ liệu sẽ gặp nhiều khó khăn, do đó mạng 4G cần phải kết hợp sử dụng các công nghệ tiên tiến như MIMO, OFDM/OFDMA, Relay…nhằm tiết kiệm chi phí triển khai phần cứng, tối ưu hóa phân bổ công suất, mở rộng vùng phủ, tăng tốc độ dữ liệu, hạn chế sự suy hao năng lượng và tăng cường khả năng chống nhiễu

1.2 Nội dung nghiên cứu

Là một trong những hệ thống thông tin di động thế hệ tiếp theo, 3GPP LTE-A cam kết cung cấp các công nghệ để tăng tốc độ dữ liệu và dung lượng hệ thống Hơn nữa LTE-

A được định nghĩa để hỗ trợ các thành phần cho mạng LTE-A để đáp ứng các yêu cầu giao tiếp cao hơn [6] Các dịch vụ cục bộ là những vấn đề được ưu tiên xem xét để cải thiện Việc sử dụng lại các tài nguyên không đăng ký làm cho các nhà cung cấp dịch vụ gặp khó khăn trong việc đảm bảo một môi trường điều khiển ổn định ví dụ như mạng ad-hoc [7], vì không được điều khiển tập trung tại các nốt mạng Vì vậy sử dụng các băng tần đăng ký có sức hấp dẫn hơn rất nhiều

Công nghệ truyền thông D2D (Device To Device) là một thành phần của hệ thống LTE-A Các nghiên cứu đã chỉ ra D2D làm tăng hiệu quả sử dụng phổ [6, 30, 31] Trong D2D, các thiết bị người dùng (UE) gửi trực tiếp tín hiệu cho nhau thông qua một kênh trực tiếp thay vì phải đi qua các trạm thu phát gốc Các UE D2D giao tiếp dữ liệu trực tiếp với nhau với sự điều khiển của trạm gốc (BS – Base Station) vì thế hiệu năng tái sử dụng phổ cải thiện đáng kể [31,32] bằng cách tái sử dụng tài nguyên trong Cell Mặc dù D2D mang lại nhiều lợi ích, nó gây ra nhiễu trong Cell với việc dùng chung tài nguyên tần số Vì vậy đặt ra yêu cầu kỹ thuật hạn chế nhiễu trong Cell có D2D để đảm bảo các mục tiêu hiệu năng

là hai kỹ thuật chủ đạo để giảm nhiễu và tăng hiệu quả sử dụng phổ tài nguyên qua đó nâng cao dung lượng và hiệu quả của hệ thống

Luận văn sẽ nghiên cứu về công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A, phân tích những thay đổi thiết kế của hệ thống LTE-A để hỗ trợ giao tiếp D2D, nêu ra và cập nhật các chuẩn của 3GPP cho công nghệ D2D Thêm vào đó, luận văn sẽ tập trung nghiên cứu tối ưu điều khiển công suất và cấp phát tài nguyên vô tuyến cho người dùng D2D trong Cell hệ thống LTE-A trên cơ sở nghiên cứu các thuật toán tối ưu, điều khiển công suất tập trung, phân tán và thuật toán cấp phát tài nguyên dựa vào

mô Hình lý thuyết trò chơi Xây dựng công thức toán học tại eNodeB và người dùng D2D để tối ưu Trong đó, để có đủ điều kiện phân tích cho mô Hình điều khiển công suất và cấp phát tài nguyên cho D2D tôi đã chọn phương pháp điều khiển công suất dựa vào ngưỡng phát tại eNodeB và thuật toán đấu giá tổ hợp lặp I-CA (Iterative Combinatorial Auctions) cho cấp phát tài nguyên Kết quả của luận văn sẽ được mô Hình giao tiếp D2D tối ưu trên cơ sở đánh giá hiệu quả của việc tối ưu điều khiển công suất và cấp phát tài nguyên nhằm tối ưu dung lượng Cell trong hệ thống LTE-A

1.3 Kết luận

Trong chương Chương 1, luận văn đã giới thiệu chung về lịch sử phát triển của các thế

hệ thông tin di động trên thế giới Một số công nghệ tiên tiến MIMO, OFDM/ OFDMA, Relay… đã và đang được các tổ chức khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu nhằm áp dụng cho hệ thống thông tin di động LTE-A, thực hiện mục tiêu mở rộng dung lượng hệ thống, tối ưu hóa nguồn tài nguyên vô tuyến, tăng tốc độ truyền dữ liệu, hạn chế nhiễu cho hệ thống thông tin di động mới, đáp ứng nhu cầu về số lượng, chất lượng dịch vụ di động đang ngày một gia tăng của người sử dụng

Trong chương này, luận văn cũng đã đưa ra đánh giá về những tồn tại của các thế

hệ thông tin di động 1G, 2G, 3G và nêu lên sự cần thiết, tiềm năng, lợi ích của giao tiếp D2D vào mạng di động LTE-A Phân tích những kỹ thuật cần phải triên khai để có thể tích hợp D2D vào mạng và đặc biệt là một số tồn tại liên quan đến quản lý cấp phát tài nguyên, hạn chế nhiễu, tối ưu điều khiển công suất…của các công trình nghiên cứu kết hợp công nghệ D2D vào mạng di động LTE-A Từ đó tác giả đã nêu bật những nội dung chính sẽ được tập trung nghiên cứu và trình bày trong luận văn, cũng như động lực cho tác giả quyết định lựa chọn thực hiện nội dung luận văn “Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A”

CHƯƠNG 2 CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG D2D TRONG HỆ

THỐNG LTE-A

2.1 Giới thiệu chung

Truyền thông thiết bị đến thiết bị D2D (Device to Device) trong hệ thống LTE-A

là giao tiếp trực tiếp của những đầu cuối có khoảng cách gần nhau trong mạng không cần thông qua một nút trung gian nào Giao tiếp D2D sử dụng phổ tần dùng chung với mạng và được điều khiển bởi trạm thu phát gốc (eNB) với chất lượng dich vụ đảm bảo trước Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về mô Hình kiến trúc hệ thống D2D và các đặc tính ưu việt của hệ thống này

Tác giả trong [11] và [15] tiếp cận và so sánh hai phương thức sử dụng D2D trong mạng viễn thông trên phương diện dung lượng và tốc độ độ: (i) D2D dùng chung phổ tần với mạng và (ii) D2D dùng riêng phổ tần với mạng Thử thách lớn nhất trong cả hai cách tiếp cận này là giảm thiểu nhiễu Trên lý thuyết, có thể giải quyết vấn đề nhiễu bằng cơ cấu cấp phát tài nguyên (RA) và điểu khiển công suất (PC) như được chỉ ra trong [8-11] Trạm thu phát gốc (BS) lựa chọn những tài nguyên phổ tần và mức công suất phù hợp cho các các máy phát D2D, xem xét thông tin nhiễu giữa D2D và BS Thông tin về nhiễu này nhận được bằng cách gửi cho BS những điều kiện về kênh truyền giữa các nốt D2D, thực hiện những phép đo đạc định kỳ từ phía BS như được chỉ ra trong [9, 12, 13] Việc thu thập các thông tin về nhiễu làm tiêu hao tài nguyên, giảm hiệu suất và phải thay đổi mô hình của mạng Thêm vào đó, ngay cả khi thông tin về nhiễu được cung cấp đầy đủ và chính xác cho BS, việc tính toán và tối ưu nó cũng rất phức tạp

Một số nghiên cứu khác tiếp cận vấn đề bằng cách tăng cường những chức năng cần thiết để có thể tích hợp D2D vào mạng Các kịch bản, thử thách cho mạng LTE được giới thiệu trong [14, 15] Tác giả trong [15] đưa ra chi tiết lớp giao tiếp D2D trong mạng D2D, mô tả tổng quan những thiết kế tín hiệu cần đến cho việc cấp phát tài nguyên và truyền tải dữ liệu D2D Vấn đề gặp phải là nhận biết đầu cuối khi phải xác định khoảng cách đủ gần để có thể giao tiếp trực tiếp Hai cách tiếp cận cơ bản để nhận biết đầu cuối

là nhận biết phân tán và nhận biết tập trung Tiếp cận phân tán linh hoạt hơn nhưng yêu cầu phải hoạt động trong vùng cục bộ Qualcomm đưa ra một giải pháp phát hiện D2D