Tài liệu Nghiên cứu phân bố tài nguyên và nâng cao hiệu suất trong mạng di động 5g

VŨ XUÂN SƠN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KỸ THUẬT VIỄN THÔNG LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ TÀI NGUYÊN VÀ NÂNG CAO HIỆU SUẤT TRONG MẠNG DI ĐỘNG 5G VŨ XUÂN SƠN 2018 - 2020 HÀ NỘI - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SỸ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU PHÂN BỐ TÀI NGUYÊN VÀ NÂNG CAO HIỆU SUẤT TRONG MẠNG DI ĐỘNG 5G VŨ XUÂN SƠN CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 852.0208 NGƯỜI HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN HOÀI GIANG Hà Nội, tháng 6 năm 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố. Hà Nội, ngày 30 tháng 3 năm 2022 Học viên thực hiện Vũ Xuân Sơn LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Ban giám hiệu trường Đại học Mở Hà Nội vì đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất với hệ thống thư viện hiện đại, đa dạng các loại sách, tài liệu thuận lợi cho việc tìm kiếm, nghiên cứu thông tin. Xin cảm ơn các Thầy TS. Nguyễn Hoài Giang và ThS. Nguyễn Văn Sơn đã giảng dạy tận tình, chi tiết để em có đủ kiến thức và vận dụng chúng vào bài luận văn này. Do chưa có nhiều kinh nghiệm làm để tài cũng như những hạn chế về kiến thức, trong bài luận văn chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong nhận được sự nhận xét, ý kiến đóng góp, phê bình từ phía Thầy để bài luận văn được hoàn thiện hơn. Lời cuối cùng, em xin kính chúc thầy nhiều sức khỏe, thành công và hạnh phúc! MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................3 LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................4 MỤC LỤC ...................................................................................................................5 DANH MỤC HÌNH ẢNH ..........................................................................................7 DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................7 DANH MỤC SƠ ĐỒ ..................................................................................................7 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................8 DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ........................................................................9 PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................................13 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 5 (5G) ................16 1.1. Khái niệm .......................................................................................................16 1.2. Ứng dụng của 5G ...........................................................................................16 1.2.1. Trường hợp ứng dụng tính ổn định và độ trễ thấp ..................................17 1.2.2. Trường hợp ứng dụng tính mở rộng và số lượng thiết bị kết nối lớn .....19 1.2.3. Trường hợp ứng dụng đặc điểm tốc độ băng thông cao .........................20 1.2.4. Tương lai công nghệ 5G .........................................................................20 1.3. Đặc điểm của mạng 5G ..................................................................................25 1.3.1. Kiến trúc mạng 5G ..................................................................................25 1.3.2. Tiêu chuẩn của mạng 5G ........................................................................26 1.3.3. So sánh với các công nghệ thế hệ trước ..................................................27 1.3.4. Nền tảng công nghệ 5G ...........................................................................29 1.4. Kết luận chương .............................................................................................30 CHƯƠNG 2: NÂNG CAO HIỆU NĂNG PHÂN PHỐI CỦA MẠNG KHÔNG DÂY VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN MẠNG ...........................31 2.1. Nâng cao hiệu năng phân phối của mạng không dây.....................................31 2.1.1. Công nghệ đa truy nhập NOMA .............................................................31 2.1.2. Công nghệ truyền dẫn nhiều Antenna MIMO ........................................32 5 2.2. Đề xuất các giải pháp phân bổ tài nguyên mạng ...........................................33 2.2.1. Các vấn đề về phân bố tài nguyên sóng vô tuyến trong hệ thống đa tầng ...........................................................................................................................33 2.2.2. Mô hình Centralized optimal ..................................................................34 2.2.3. Mô hình Stable matching ........................................................................40 2.2.4. Mô hình Message passing .......................................................................42 2.2.5. Mô hình Auction .....................................................................................49 2.3. Kết luận chương .............................................................................................54 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TÍNH HIỆU QUẢ CỦA CÁC GIẢI PHÁP PHÂN BỔ TÀI NGUYÊN MẠNG .............................................................................................55 3.1. Mô hình Stable matching ...............................................................................56 3.1.1. Phát triển thuật toán ................................................................................56 3.1.2. Tính ổn định ............................................................................................60 3.1.3. Tính tối ưu ...............................................................................................62 3.1.4. Độ phức tạp .............................................................................................62 3.2. Mô hình Message passing ..............................................................................63 3.2.1. Phát triển thuật toán ................................................................................63 3.2.2. Hội tụ và tối ưu .......................................................................................67 3.2.3. Độ phức tạp .............................................................................................69 3.3. Mô hình Auction ............................................................................................69 3.3.1. Phát triển thuật toán ................................................................................69 3.3.2. Tính hội tụ và tính phức tạp ....................................................................74 3.3.3. Sự tối ưu ..................................................................................................75 3.4. So sánh tổng thể giữa các lược đồ phân bổ nguồn lực ...................................76 3.5. Kết luận chương .............................................................................................78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................79 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................80 6 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Những ứng dụng của 5G vào Việt Nam.....................................................21 Hình 1.2 Băng tần của 5G và vệ tinh ........................................................................23 Hình 1.3 Các mốc thời gian của các công nghệ thế hệ trước ....................................24 Hình 1.4 Kiến trúc của mạng 5G ..............................................................................25 Hình 1.5 Mô hình kết nối trong 5G ...........................................................................26 Hình 1.6 So sánh tốc độ của mạng 3G, 4G và 5G ....................................................27 Hình 1.7 Các công nghệ lõi chính trên 5G ................................................................29 Hình 2.1. Sơ đồ mô hình mạng không đồng nhất. Các cặp D2D, SBS và SUE cùng một tập hợp tài nguyên vô tuyến ...............................................................................35 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các hệ thống tiêu chuẩn của 5G ................................................................27 Bảng 3.1 So sánh giữa các phương pháp phân bổ tài nguyên khác nhau .................76 DANH MỤC SƠ ĐỒ Sơ đồ 3.1 Lưu đồ thuật toán tạo tập so khớp Stable Matching trong phân bổ tài nguyên viễn thông ..................................................................................................................57 Sơ đồ 3.2 Lưu đồ thuật toán sử dụng hàm tạo danh sách so khớp trong phân bổ tài nguyên viễn thông .....................................................................................................58 Sơ đồ 3.3 Lưu đồ cập nhật danh sách phân bổ khi duyệt qua từng liên kết transmitter, RB và công suất ........................................................................................................64 Sơ đồ 3.4 Lưu đồ chạy MP trên phân bổ tài nguyên.................................................65 Sơ đồ 3.5 Lưu đồ hàm thuật toán đấu giá của từng máy phát...................................70 Sơ đồ 3.6 Lưu đồ Auction trong phân bổ tài nguyên ................................................71 7 Sơ đồ 3.1 Lưu đồ thuật toán tạo tập so khớp Stable Matching trong phân bổ tài nguyên viễn thông ..................................................................................................................57 Sơ đồ 3.2 Lưu đồ thuật toán sử dụng hàm tạo danh sách so khớp trong phân bổ tài nguyên viễn thông .....................................................................................................58 Sơ đồ 3.3 Lưu đồ cập nhật danh sách phân bổ khi duyệt qua từng liên kết transmitter, RB và công suất ........................................................................................................64 Sơ đồ 3.4 Lưu đồ chạy MP trên phân bổ tài nguyên.................................................65 Sơ đồ 3.5 Lưu đồ hàm thuật toán đấu giá của từng máy phát...................................70 Sơ đồ 3.6 Lưu đồ Auction trong phân bổ tài nguyên ................................................71 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt AR Bộ TTTT CSI D2D DUE eMBB FWA HSPA IEEE IMT-2020 IoT ITS LTE LTE-M M2M Massive MIMO MBS mMTC MP MUE Từ đầy đủ Augmented Reality Bộ Thông tin truyền thông Channel State Information Device to Device Device to Device User Equipment enhanced Mobile Broadband Fixed Wireless Access High Speed Packet Access Institute of Electrical and Electronics Engineers International Mobile Telecommunications-2020 Internet of Things Intelligent Transport System Long Term Evolution Long Term Evolution Machine Type Communication Machine to Machine Massive Multiple-Input Multiple-Output Macro Base Station massive Machine Type Communications Message Passing Macro User Equipment 8 NB-IoT NOMA OFDMA P2P QoS R&D RAN RB SBS SINR SUE UE uRLLC V2V V2X VR WCSM WiMAX WRC Narrow Band - Internet of Things Non-Orthogonal Multiple Access Orthogonal frequency-division multiple access Peer to Peer Quantity of Service Research and Development Radio Access Network Resource Block Small Cell Base Station Signal-to-Interference-plus-noise Ratio Small Cell User Equipment User Equipment Ultra-reliable and low-latency communications Vehicle to Vehicle Vehicle to X Virtual Reality World Combination Service Mode Worldwide Interoperability for Microwave Access World Radio Conference DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Kí hiệu 𝑏(𝑖𝑗) (𝑡 ) (𝑛,𝑙) 𝑏𝑘 (𝑡 ) 𝐵𝑖𝑗 (𝑛,𝑙) 𝐵𝑘 𝐵𝑅𝐵 𝔅 𝑘 (𝑡 ) (𝑛) 𝛽𝑖,𝑗 𝑐𝑗 𝑐𝑖𝑗 (𝑡) (𝑛,𝑙) 𝑐𝑘 Ý nghĩa Giá trị hiệu quả trên phần tử 𝑖 từ tài nguyên 𝑗 trong lần lặp 𝑡 Giá trị hiệu quả trên RB 𝑛, bộ phát 𝑘 và mức công suất 𝑙 trong lần lặp 𝑡 Giá trị hiệu quả trên phần tử 𝑖 từ tài nguyên 𝑗 Giá trị hiệu quả trên RB 𝑛, bộ phát 𝑘 và mức công suất 𝑙 Băng thông tương ứng với nguồn tài nguyên RB (𝑛,𝑙) Tập hợp [𝑏𝑘 (𝑡 )] trong lần lặp 𝑡 ∀𝑛,𝑙 Là thành phần fading kênh giữa 𝑖 và 𝑗 trên nguồn tài nguyên resource block 𝑛 Chi phí trên tài nguyên 𝑗 Chi phí trên tài nguyên 𝑗 của phần tử 𝑖 trong lần lặp 𝑡 Chi phí trên RB 𝑛, bộ phát 𝑘 và mức công suất 𝑙 9 𝐶 (𝑛,𝑙) 𝐶𝑘 (𝑛) 𝛾𝑢𝑘 (𝑛,𝑙) Γuk −𝛼 𝑑𝑖,𝑗 D ∆𝑖 (𝑡 − 1) 𝜖 (𝑛) 𝑔𝑖,𝑗 Θ 𝑖 (𝑡 ) 𝐼 (𝑛) (𝑛) Tập hợp cellular (𝑛,𝑙) = max{0, 𝑐𝑘 } Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu của small cell base station 𝑘 và small cell user equipment 𝑢𝑘 trên nguồn tài nguyên resource block 𝑛 (𝑛) ≜ 𝛾 (𝑛) : Biểu thị SINR có thể đạt được của UE 𝑢𝑘 trên 𝑢𝑘 |𝑝𝑘 =𝑙 RB 𝑛 sử dụng mức công suất 𝑙 Khoảng cách giữa điểm 𝑖 và 𝑗 và suy hao tín hiệu 𝛼 Cặp device to device = max{𝐵𝑖𝑗 (𝑡 − 1) − 𝑐𝑖𝑗 (𝑡 − 1)} − ′max {𝐵𝑖𝑗 ′ (𝑡 − 1) − 𝑗 ≠Θ𝑖 (𝑡) 𝑗 𝑐𝑖𝑗 ′ (𝑡 − 1)} + 𝜖: Hiệu số giá trị lớn nhất và giá trị lớn thứ hai trong lần lặp 𝑡 − 1 độ trùng bổ sung epsilon (𝐵𝑖𝑗 ′ − 𝑐𝑗 ′ ≥ max{𝐵𝑖𝑗 − 𝑐𝑗 } − 𝜖) 𝑗 Độ lớn khuếch đại tín hiệu kênh giữa i và j trên nguồn tài nguyên resource block 𝑛 = argmax{𝐵𝑖𝑗 (𝑡 ) − 𝑐𝑖𝑗 (𝑡 )}: Tài nguyên có giá trị hiệu số giá 𝑗 trị hiệu quả và chi phí lớn nhất trong lần lặp 𝑡 Nhiễu tổng hợp trên resource block 𝑛 𝐼𝑚𝑎𝑥 Ngưỡng nhiễu của resource block 𝑛 𝔍(𝑛) Nhiễu trên RB 𝑛 𝑘 𝒦𝑅 𝒦Τ 𝑙 ℒ 𝑚 Biểu thị bộ phát underlay Tập hợp của các bộ thu underlay Tập hợp của các bộ phát underlay Biểu thị mức công suất Tập hợp hữu hạn các mức công suất Biểu thị macro user equipment 𝑚𝑘∗ = 𝑎𝑟𝑔𝑚𝑎𝑥 𝑔𝑘,𝑚 , ∀𝑚 ∈ 𝒰𝑚 𝑀 𝔚𝑛 ( 𝐗 ) ℜ𝑘 (𝐗) 𝜇 (𝑘 ) 𝜇 (𝑛 ) (𝑛) Là biểu hiện macro base station Nhiễu tổng hợp trên RB 𝑛 của vector liên kết truyền 𝐗 Tốc độ dữ liệu của bộ phát 𝑘 của vector liên kết truyền 𝐗 Hàm so khớp bộ phát 𝑘 với nguồn tài nguyên RB 𝑛 và mức công suất 𝑙 Hàm so khớp nguồn tài nguyên RB 𝑛 với bộ phát 𝑘 và mức công suất 𝑙 10 |𝜇(. )| 𝑛 𝒩 𝑁0 𝜉 𝒪 (𝜉 ) (𝑛) 𝑝𝑘 |𝒫𝑗 (∙)| Số phần tử của tập hợp 𝜇(. ) Biểu hiện resource block Tập hợp bộ tài nguyên mạng resource block Biểu thị nhiễu điện tử do kích động nhiệt 𝑇 = ∑𝐾𝑘=1|𝒫𝑘 (𝒩, ℒ)| + ∑𝑁 𝑛=1|𝒫𝑛 (𝒦 , ℒ)|: tổng độ dài của đầu vào tuỳ ý của stable matching Độ phức tạp của thuật toán với độ lớn đầu vào 𝜉 Công suất phát của bộ phát 𝑘 trên nguồn tài nguyên resource block 𝑛 biểu thị độ dài của cấu hình vectơ 𝒫𝑗 (∙) (𝑛,𝑙) 𝒫𝑘 (𝒩, ℒ ) 𝒫𝑛 (𝒦 𝑇 , ℒ ) 𝑅𝑢𝑘 (𝑛,𝑙) 𝑅𝑢𝑘 (𝑛) = [𝔘𝑘 ]𝑛∈𝒩,𝑙∈ℒ . Vector cấu hình ưu tiên của một máy phát lớp underlay 𝑘 ∈ 𝒦 𝑇 trên tập hợp các mức RB có sẵn 𝒩 và mức công suất ℒ (𝑛,𝑙) = [𝔘𝑘 ]𝑘∈𝐾𝑇,𝑙∈ℒ Tốc độ dữ liệu có thể đạt được của UE lớp underlay 𝑢𝑘 tương ứng với bộ phát 𝑘 Tốc độ dữ liệu có thể đạt được của UE lớp underlay 𝑢𝑘 tương ứng với bộ phát 𝑘, nguồn tài nguyên RB 𝑛 và mức công suất 𝑙 𝑅𝑢 Tốc độ dữ liệu của UE 𝑢 ∈ 𝒰 trên nguồn tài nguyên RB 𝑛 ℛ𝜇 Tốc độ tổng thu được của bộ so khớp µ (𝑛,𝑙) ℛ(Γ𝑢𝑘 ) 𝑆 𝜎2 (𝑛,𝑙) 𝛿{𝑛,𝑙}→𝑘 (𝑥𝑘 ) 𝕋 (𝑛,𝑙) 𝜏𝑘 𝑢𝑘 𝒰 𝒰𝑑 𝒰 𝑑𝑅 𝒰 𝑑𝑇 𝒰𝑚 (𝑛,𝑙) = 𝐵RB log 2 (1 + Γ𝑢𝑘 ) biểu thị tốc độ dữ liệu có thể đạt được đối với máy phát 𝑘 trên RB 𝑛 sử dụng mức công suất 𝑙 Tập hợp các small cell base station = 𝑁0 𝐵𝑅𝐵 Thông báo cung cấp bởi tài nguyên {𝑛, 𝑙} tới máy phát 𝑘 Ánh xạ co = 𝜓𝑘→{𝑛,𝑙} + 𝜓{𝑛,𝑙}→𝑘 : các biên của nút cho các thông báo chuẩn hóa bộ phát 𝑘, nguồn tài nguyên resource block 𝑛 và mức công suất 𝑙 Là small cell user equipment liên kết small cell base station 𝑘 Tập hợp các user equipment Tập hợp các kết nối device to device Tập hợp các bộ thu của user equipment device to device Tập hợp các bộ phát của user equipment device to device Tập hợp các macro user equipment 11 𝒰𝑠 (𝑛,𝑙) 𝔘𝑘 〈𝑣{𝑛′,𝑙′}→𝑘 〉~{𝑛,𝑙} (𝑛,𝑙) 𝜙𝑘 (𝑛,𝑙) (𝑥𝑘 𝓌1 𝓌2 (𝑛,𝑙) 𝑥𝑘 𝑋(𝑡) 𝜓{𝑛,𝑙}→𝑘 𝜓 (𝑡 ) Ψ𝑘 ) Tập hợp các small cell user equipment Hàm tính chỉ số lợi ích hiệu quả liên kết nguồn tài nguyên RB 𝑛, bộ phát 𝑘 và mức công suất 𝑙 giá trị cực đại khởi tạo của vectơ Ψ𝑘 Giá trị lớn nhất của tổng Nhiễu tổng hợp trên RB 𝑛 của vector liên kết truyền 𝐗 và Tốc độ dữ liệu của bộ phát 𝑘 của (𝑛,𝑙) vector liên kết truyền 𝐗 trừ liên kết 𝑥𝑘 Hệ số cho tốc độ dữ liệu Hệ số cho nhiễu tổng hợp Chỉ số liên kết của bộ phát 𝑘 đến nguồn tài nguyên resource block 𝑛 theo mức công suất 𝑙, là 0 hoặc 1 Kết quả của so khớp xác định bộ phát, vectơ phân bổ RB và mức công suất tương ứng trong lần lặp 𝑡 = 𝛿{𝑛,𝑙}→𝑘 (1) − 𝛿{𝑛,𝑙}→𝑘 (0) đại diện cho tất cả các thông điệp được trao đổi giữa máy phát và tài nguyên tại lần lặp 𝑡 {𝑁,𝐿} (1,1) (1,𝐿) = [𝔘𝑘 + 𝜓{1,1}→𝑘 , … , 𝔘𝑘 + 𝜓{1,𝐿}→𝑘 , … 𝔘𝑘 + 𝜓{𝑁,𝐿}→𝑘 ] 12 𝑇 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, nhu cầu sử dụng mạng di động nhanh và ổn định hơn đang đòi hỏi phải hình thành mạng internet không dây thế hệ thứ năm (5G). Với tốc độ nhanh hơn gấp từ 10 - 20 lần mạng 4G, mạng 5G được kỳ vọng sẽ thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ mới trong nền kinh tế 4.0 như tự động hóa, thực tế ảo hay kết nối vạn vật… Sự ra đời của mạng di động thế hệ thứ năm là bước ngoặt của thời đại mới, hứa hẹn mang lại thay đổi lớn tiếp theo. Những công ty viễn thông lớn trên thế giới hy vọng sẽ chính thức ra mắt mạng 5G vào đầu năm 2020. Hiện các công ty công nghệ đang hợp tác nghiên cứu và thử nghiệm để tìm ra định nghĩa, cũng như quy chuẩn chính xác cho 5G. Nhưng tất cả đều nhất trí về một số điểm chung: Khi số lượng người dùng di động và nhu cầu dữ liệu tăng lên, thách thức mới đặt ra cho 5G là phải xử lý lưu lượng truy cập nhiều hơn với tốc độ cao hơn nhiều so mạng di động 4G hiện tại. Mạng di động 5G cho phép tải về các dữ liệu video lớn chỉ trong vài giây. Tiếp đó là nền tảng kết nối internet vạn vật (IoT) sẽ bùng nổ khi mạng 5G được sử dụng rộng rãi. Người dùng sẽ được trải nghiệm các thiết bị thông minh kết nối ổn định và tốc độ cao, sống trong các ngôi nhà và thành phố thông minh có khả năng đáp ứng những nhu cầu thiết yếu. Chỉ đơn cử việc sử dụng 5G ở lĩnh vực y tế, cánh tay robot sẽ hoạt động ổn định, chính xác hơn trong phẫu thuật, hoặc máy bay không người lái kết nối nhanh hơn trong công tác tìm kiếm, cứu nạn. Từ đó có thể thấy ưu điểm của 5G quan trọng ra sao, nhất là trong những tình huống mà mạng sống con người được quyết định chỉ trong vài giây. Mạng 5G không chỉ phục vụ hiệu quả nhu cầu mỗi cá nhân, mà còn đặc biệt quan trọng với nền kinh tế 4.0. Nó có khả năng cách mạng hóa các lĩnh vực khác như năng lượng, sản xuất công nghiệp nặng, nông nghiệp công nghệ cao và giao thông vận tải. Các doanh nghiệp sử dụng 5G có thể chuyển từ kết nối có dây sang không dây trong nhiều môi trường công nghiệp. Điều này sẽ giảm chi phí lắp đặt và tăng tính linh hoạt, đặc biệt trong các quy trình sản xuất tự động hóa cao. Thí dụ như trong một nhà máy lắp ráp ô-tô tự động hóa, kết nối 5G giúp nâng cấp tốc 13 độ cho mạng lưới điều khiển, phối hợp hoạt động của máy móc. Trong trường hợp các máy móc cần lập trình và cài đặt mới các bản cập nhật phần mềm, mạng 5G có thể giảm thời gian thực hiện quy trình này, do đó giảm thời gian đình trệ, giúp nhà máy trở lại sản xuất nhanh hơn. Chính vì những yêu cầu tốc độ vượt trội, độ trễ tối thiểu trong quá trình lưu thông dữ liệu và việc số lượng thiết bị người dung tang vượt trội cũng như tính không đồng nhất của cơ sở hạ tầng so với các thế hệ truyền thông trước, nên một trong những vấn đề cần giải quyết của hệ thống mạng di động 5G là phải phân bố được tài nguyên của hệ thống và phải đảm bảo hiệu suất của hệ thống mạng để đảm bảo yêu cầu về chất lượng phục vụ (QoS). Vì vậy, tôi quyết định chọn đề tài: "Nghiên cứu phân bố tài nguyên và nâng cao hiệu suất trong mạng di động 5G" làm luận văn thạc sỹ. 2. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu Trên thế giới, vấn đề phân bố tài nguyên và nâng cao hiệu suất trong mạng di động 5G nhiều bởi các nhà khoa học, các viện nghiên cứu, trường đại học của các quốc gia…như: đề tài "Phân bổ tài nguyên phân tán trong mạng di động 5G" của các nhà nghiên cứu của Đại học bang Manitoba, Canada nghiên cứu [6]; đề tài "Khảo sát về công nghệ di động 5G" của Đại học Kỹ thuật Jeppiaar Maamallan, Chennai, Ấn Độ [15]; "Các vấn đề trong Công nghệ viễn thông thế hệ thứ năm (5G)" của quốc hội Mỹ [11]; "Công nghệ không dây 5G" của Ganesh R. Patil trong Tạp chí quốc tế về khoa học máy tính và điện toán di động [12]. 3. Mục đích nghiên cứu Đề tài đưa ra mô hình hệ thống và giải quyết bằng phương pháp toán học. Từ mô hình và giải thuật đề xuất, đề tài sử dụng lý thuyết để kiểm chứng các thuật toán đưa ra. 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Các phương pháp phân bổ tài nguyên hiệu quả trong các hệ thống di động 5G. 5. Phương pháp nghiên cứu 14 - Tìm hiểu các phương pháp phân bố công suất trong hệ thống thông tin di động 5G. - Phân tích đánh giá giải pháp mô hình tối ưu về kiến trúc mạng 5G dựa trên thông tin định danh (ID) của người dùng và các thông tin liên quan đến điều kiện kênh truyền. 6. Nội dung của Luận văn Bao gồm phần mở đầu và 3 chương với các phần chính sau đây: Chương 1: Tổng quan mạng di động thế hệ thứ 5 (5G): Giới thiệu về mạng 5G và các ứng dụng, kiến trúc mạng và các công nghệ sử dụng trong 5G. Chương 2: Nâng cao hiệu năng phân phối của mạng không dây và đề xuất giải pháp phân bổ tài nguyên mạng: Giới thiệu 02 kỹ thuật để nâng cao hiệu năng phân phối và 03 giải pháp để phân bổ tài nguyên mạng phân tán. Chương 3: Phân tích tính hiệu quả của các giải pháp phân bổ tài nguyên mạng: Đưa ra chứng minh, so sánh và thuật toán của 03 giải pháp phân bổ tài nguyên mạng ở Chương 2. 15 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN MẠNG DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ 5 (5G) 1.1. Khái niệm 5G (Thế hệ mạng di động thứ 5 hoặc hệ thống không dây thứ 5) là thế hệ tiếp theo của công nghệ truyền thông di động sau thế hệ 4G, được phân bổ thêm các băng tần sóng milimet trong khoảng 24GHz đến 100GHz. Theo các nhà phát triển, mạng 5G sẽ có tốc độ nhanh hơn khoảng 100 lần so với mạng 4G hiện nay, giúp mở ra nhiều khả năng mới và hấp dẫn. Lúc đó, xe tự lái có thể đưa ra những quyết định quan trọng tùy theo thời gian và hoàn cảnh. Tính năng chat video sẽ có hình ảnh mượt mà và trôi chảy hơn, làm cho chúng ta cảm thấy như đang ở trong cùng một mạng nội bộ. Các cơ quan chức năng trong thành phố có thể theo dõi tình trạng tắc nghẽn giao thông, mức độ ô nhiễm và nhu cầu tại các bãi đậu xe, do đó có thể gửi những thông tin này đến những chiếc xe thông minh của mọi người dân theo thời gian thực. 1.2. Ứng dụng của 5G Mạng 5G được xem là chìa khóa để chúng ta đi vào thế giới Mạng lưới vạn vật kết nối Internet (IoT), trong đó các bộ cảm biến là những yếu tố quan trọng để trích xuất dữ liệu từ các đối tượng và từ môi trường. Hàng tỷ bộ cảm biến sẽ được tích hợp vào các thiết bị gia dụng, hệ thống an ninh, thiết bị theo dõi sức khỏe, khóa cửa, xe hơi và thiết bị đeo, các hệ thống lớn,… Ta có thể phân loại ứng dụng của 5G theo ba trường hợp: - Trường hợp 1: Sử dụng vào thực tiễn dựa vào tính ổn định và độ trễ thấp. - Trường hợp 2: Sử dụng vào trường hợp có số lượng thiết bị kết nối lớn trong một đơn vị diện tích (IoT). - Trường hợp 3: Sử dụng dựa vào băng thông tốc độ cao. 16 1.2.1. Trường hợp ứng dụng tính ổn định và độ trễ thấp - Công nghệ xe tự lái: Xe tự lái là một trong những ứng dụng của 5G được mong đợi nhất. Công nghệ xe hiện giờ đang tiến bộ nhanh chóng để hỗ trợ xe tự lái trong tương lai. Ngoài ra, máy tính tích hợp vào phương tiện giao thông hiện nay ngày càng nhỏ gọn và đủ mạnh để đáp ứng yêu cầu việc vận hành xe tự động. Mạng 5G có độ trễ siêu thấp sẽ là một động lực to lớn cho việc phát triển xe tự lái, vì các phương tiện sẽ có thể phản hồi nhanh hơn 10-100 lần so với các mạng di động hiện tại. Mục tiêu cuối cùng trong việc phát triển xe tự lái là xe có thể giao tiếp với mọi thứ (V2X) trên hành trình đường bộ. Điều này sẽ cho phép xe tự động phản ứng với các đối tượng và những thay đổi xung quanh chúng gần như ngay lập tức. Một chiếc xe phải có khả năng gửi và nhận tin nhắn trong tầm mili giây để phanh hoặc chuyển hướng theo các biển báo, nguy hiểm và người qua đường. Việc phản hồi xử lý nhanh như vậy giúp cho việc rủi ro về an toàn giao thông sẽ giảm đáng kể. - Quản lý cơ sở hạ tầng và giao thông trong thành phố thông minh: Nhiều thành phố trên thế giới ngày nay đang triển khai hệ thống giao thông thông minh (ITS), và đang có kế hoạch hỗ trợ kết nối với các phương tiện giao thông. Hệ thống sẽ quản lý điều hướng các phương tiện để giảm thiểu bị ùn tắc giao thông trong thành phố. Công nghệ kết nối đến phương tiện giao thông sẽ cho phép kết nối các xe với nhau (V2V) và từ xe đến cơ sở hạ tầng giao thông (V2X) để thúc đẩy sự an toàn trên các hệ thống giao thông. Các thành phố thông minh hiện đang lắp đặt các cảm biến ở mọi giao lộ để phát hiện chuyển động và khiến các phương tiện tự phản ứng khi cần thiết. Một khi được triển khai đầy đủ 5G với độ trễ thấp thì việc quản lý điều phối giao thông sẽ hiệu quả đáng kể. Ngoài ra, thành phố thông minh sẽ ứng dụng trí tuệ nhân tạo để đảm bảo an ninh, đánh giá hành vi con người, cảnh báo các tình trạng khẩn cấp như cháy nổ, tội phạm, quản lý điều phối hệ thống điện lưới,... - Tự động hoá công nghiệp: Một trong những lợi ích đầu tiên của 5G trong tự động hóa công nghiệp là kết nối không dây trên một cơ sở hạ tầng có sẵn, doanh nghiệp 17 không cần đầu tư một hệ thống cơ sở hạ tầng không dây để kết nối giữa các thiết bị tự động hoá. Ngày nay, các ứng dụng này yêu cầu dây cáp truyền tín hiệu, vì Wi-Fi không phát đủ rộng, tính di động kém và độ trễ mạng di động ngày nay khá cao. Với 5G, tự động hóa công nghiệp có thể sẽ không còn sử dụng dây cáp tín hiệu nữa, việc di chuyển sẽ linh hoạt hơn, cho phép các nhà máy thông minh hoạt động hiệu quả hơn. Trong thời đại phát triển công nghiệp 4.0, con người và robot sẽ có thể tương tác và làm việc cùng nhau. Để hoạt động, robot cần phải liên lạc thường xuyên với nhà máy và môi trường xung quanh. Nó phải có tính di động, có chuyển động vật lý hoàn chỉnh và cảm biến môi trường. Những tiến bộ này sẽ cho phép quan hệ cộng sinh giữa con người và máy móc, mỗi bên sẽ thực hiện vai trò tốt nhất của nó. - Tương tác thực tế ảo (AR) và Thực tế ảo (VR): Độ trễ thấp của 5G sẽ làm cho các ứng dụng AR và VR trở nên sinh động hơn rất nhiều. Ví dụ: trong các ứng dụng công nghiệp, một kỹ thuật viên đeo kính 5G AR có thể nhìn thấy trên lớp vỏ máy giúp xác định các bộ phận, hướng dẫn sửa chữa hoặc hiển thị các bộ phận không an toàn khi chạm vào. Đây là cơ hội để việc phát triển các công nghiệp trình độ cao với các tác vụ phức tạp sẽ trở nên dễ dàng, phổ biến rộng rãi. Ngoài ra, trong môi trường kinh doanh, bạn có thể tổ chức các cuộc họp trực tuyến sử dụng AR để tăng cường tương tác giữa các thành viên. Các thành viên sẽ hiển thị ảo trong một phòng họp mặc dù mỗi người đang ở một nơi khác nhau. Trong lĩnh vực giải trí, 5G sẽ cho phép việc trải nghiệm một trận thể thao ảo trở nên dễ dàng hơn. Ví dụ: nếu hai người đeo kính 4G LTE đang cố gắng đá qua lại một quả bóng đá sẽ rất khó để phản ứng vì vào thời điểm họ nhận biết quả bóng đến chân thì quả bóng đã đi qua do độ trễ cao. Nhưng với kính 5G với độ trễ thấp hơn cho phép người nhận nhìn thấy quả bóng và đá nó trở lại kịp thời. Mặt khác, chúng ta có thể nhìn các thần tượng bằng ảnh ba chiều như thật mà không cần gặp trực tiếp hoặc tận hưởng không khí sân vận động trong một trận cầu bóng đá sống động tại nhà. - Y tế, chăm sóc sức khoẻ: Với việc ứng dụng 5G, các bác sĩ chuyên khoa đầu ngành có thể khám, chuẩn đoán bệnh cho bệnh nhân ở bất kỳ nơi đâu, bất kỳ lúc nào. Đặc 18 biệt, kết hợp với việc phát triển các cánh tay robot y tế ngày càng hoàn thiện và hiện đại, các bác sĩ có thể thực hiện các cuộc phẫu thuật từ xa ở bất kỳ đâu trên thế giới. Điều này rất cần đến độ trễ thấp, tính ổn định, và băng thông vừa đủ của mạng 5G. Không những thế, mọi trang thiết bị y tế khác như máy chụp cắt lớp, hệ thống cứu hộ, máy phân tích xét nghiệm,…đều có thể kết nối để điều khiển từ xa và chuyển dữ liệu kết quả xét nghiệm, điều trị một cách nhanh chóng đến các bác sĩ chuyên khoa đầu ngành ở bất kỳ nơi đâu. - Máy bay không người lái: Ngày nay, máy bay không người lái có rất nhiều ứng dụng rộng lớn và ngày càng phát triển ngoài nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng để quay phim và chụp ảnh. Ví dụ, Máy bay không người lái được sử dụng để giám sát, vận hành, kiểm tra các thiết bị đang hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp. Các công ty hậu cần và bán lẻ đang tăng cường phát triển việc phân phối hàng hóa bằng máy bay không người lái. 5G sẽ tăng cường phạm vi và khả năng tương tác với thiết bị này. Ngày nay máy bay không người lái đang bị giới hạn vị trí và khoảng cách điều khiển. Khi máy bay ra khỏi tầm kiểm soát bằng mắt thường hoặc ra khỏi vùng điều khiển, thì chúng ta không thể điều khiển được nó và biết nó đang ở đâu. Tuy nhiên, với 5G, bạn sẽ có thể có những thiết bị hỗ trợ xem vị trí của nó, điều khiển nó, thậm chí là bằng video phân giải cao với độ trễ rất là thấp cho dù nó ra khỏi tầm mắt của bạn. 5G cũng sẽ mở rộng phạm vi điều khiển với điều kiện máy bay vẫn kết nối tới mạng di động 5G. Những tiến bộ này sẽ có ý nghĩa đối với các trường hợp sử dụng trong tìm kiếm và cứu nạn, an ninh biên giới, giám sát, dịch vụ giao hàng bằng máy bay không người lái và hơn thế nữa. 1.2.2. Trường hợp ứng dụng tính mở rộng và số lượng thiết bị kết nối lớn Kết nối vạn vật: Một trong những thách thức sắp tới của IoT sẽ là sự phát triển bùng nổ số lượng thiết bị sử dụng. Tổ chức Statistica/IHS dự đoán rằng tỷ lệ thiết bị kết nối IoT trên toàn thế giới trên mỗi người trên hành tinh sẽ tăng từ 2 thiết bị/người hiện nay lên 10 thiết bị/người vào năm 2025. Số lượng thiết bị được kết nối dự kiến 19 yêu cầu kết nối dữ liệu đặt ra nhu cầu đáng kể đối với cơ sở hạ tầng truyền thông. Điều này sẽ được cải thiện với 5G để xử lý cùng lúc nhiều thiết bị. Theo tiêu chuẩn IMT-2020, 5G có khả năng đáp ứng tối thiểu 1 triệu thiết bị/km2. Thiết bị đeo, thiết bị theo dõi và cảm biến, trợ lý ảo sẽ là một số lượng lớn các thiết bị IoT khổng lồ của 5G. Ngoài điện thoại, máy tính bảng và máy tính xách tay đã được kết nối mạng di động ngày nay, 5G sẽ cho phép nhiều loại thiết bị hơn nữa kết nối đảm bảo liên tục, độ trễ ít, suy hao không đáng kể, ...) trong bất kỳ khu vực nhất định nào. 1.2.3. Trường hợp ứng dụng đặc điểm tốc độ băng thông cao - Truyền tải đa phương tiện thời gian thực: 5G sẽ cung cấp tốc độ đáp ứng được các ứng dụng băng thông cao hơn như phát video phân giải 4K và trong tương lai là phát trực tuyến 8K hoặc video 360 độ sẽ mang đến trải nghiệm chất lượng cao ở thời gian thực cho người dùng. - Lưu trữ dữ liệu trên đám mây: Các doanh nghiệp sẽ có thể lưu trữ nhiều thông tin hơn trên đám mây và truy cập thông qua mạng 5G với tốc độ nhanh, độ trễ thấp như thể nó được lưu trữ cục bộ. Điều này làm giảm nhu cầu về các máy chủ tại chỗ. Và thay vì cần một máy tính cấu hình cao để xử lý thông tin cục bộ, bạn có thể kết xuất trên điện toán đám mây và truyền dữ liệu trực tuyến cho bạn. Nó sẽ có tốc độ tương đương mạng nội bộ. 5G cũng sẽ thay đổi cách các doanh nghiệp kết nối kinh doanh. Mạng di động 5G sẽ trở thành kết nối chính với tốc độ cao, ổn định và độ trễ thấp. Bạn sẽ không phải lo lắng về việc xây dựng hệ thống dây cáp và các chi phí lắp đặt hạ tầng mạng. 1.2.4. Tương lai công nghệ 5G Công nghệ mạng 5G ra mắt vào năm 2020, nhưng cho đến nay giới quan sát vẫn chưa thấy bất kỳ dự án chính thức để phát triển mạng 5G mang tầm vóc quốc tế được khởi động ngoài một số dự án riêng lẻ do các tập đoàn công nghệ tự nghiên cứu. Điển hình là Samsung kết hợp với trường đại học New York để tự tìm ra hướng đi riêng của mình. Huawei cho biết đã đầu tư khoảng 600 triệu USD cho các hoạt động nghiên 20