- Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 1 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. - Tác giả Đào Xuân Hoàng Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 2 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT. - Hệ thống thông tin di động. - Lịch sử phát triển của hệ thống thông tin di động. - Xu hướng công nghệ. - Công nghệ OFDM và OFDMA. - Công nghệ MIMO. - Công nghệ trạm lặp. - Công nghệ CoMP. - Những vấn đề còn tồn tại trong các thế hệ thông tin di động. - CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG D2D TRONG HỆ THỐNG LTE-A. - Chuẩn 3GPP cho công nghệ D2D trong LTE-A. - Các khối chức năng D2D trong mạng LTE-A. - Các cách kết nối D2D trong mạng. - 58 Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 3 2.7. - TỐI ƯU CẤP PHÁT TÀI NGUYÊN D2D TRONG HỆ THỐNG LTE-A. - Quản lý tài nguyên vô tuyến. - Mô hình quản lý tài nguyên và cơ chế đấu giá. - Thuật toán cấp phát tài nguyên. - Phân tích thuật toán cấp phát tài nguyên dựa vào đấu giá. - 87 Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 4 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3G 3GPP AFH Third Generation 3rd Generation PartnershipProject Adaptive Frequency Hopping AMC Adaptive Modulation and Coding AMP Alternative MAC/PHY AoA Angel of Arrival AoD Angel of Departure AP Access Point API Application Programming Interface ARQ Automatic Repeat Request AWGN Additive White Gausesian Noise BLE Bluetooth Low Energy BLER Block Error Rate BSS Base Station Subsystem CA Combinatorial Auction CDF Cumulative Distribution Function CDM Code Divition Multiplexing CFO Carrier Frequency Offset CoMP Coordinated Multipoint CP Cyclic Prefix CQI Channel Quality Indicator C-RNTI Cell Radio Network Temporary Identifier CSI Channel State Information CSIT Channel State Information at the Transmitter CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance DL Downlink DM-RS Demodulation RS DPO Distributed Power Optimization DRX Discontinuous Reception DTX Discontinuous Transmission D2D Device to Device EEMS Exponential Effective Signal to Interface plus Noise Ratio Mapping EPC Evolved Packet Core eNB eNodeB ESM Effective SINR Mapping Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 5 E-UTRA Evolved Universal Terrestrial Radio Access E-UTRAN Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network FEC Forward Error Correction FDD Frequency Division Dupplexing FDMA Frequency devision Multiple Access GPS Global Positioning System GSM Global System for Mobile Communications HARQ Hybrid Automatic Repeat Request HeNB Home eNode B (Over E-UTRAN) IBSS Independent Basic Service Set I-CA Iterative Combinatorial Auction ICI Inter-Carrier Interference ICIC Inter-Cell Interference Coordination IMT International Mobile Telecommunications InH Indoor Hotpot IoT Internet of Things ISI Inter-Symbol Interference ISM Industrial Scientific and Medical ITE International Telecommunication Union ITE-R ITE Radiocommunication Sector LTE Long Term Evolution LTE-A Long Term Evolution Advanced LoS Line of Sight L2 Layer2 L3 Layer3 MAC Media Access Layer MCI Maximum Channel to Interference Ratio MCS MAP Communication Server MCN Multihop Cellular Network MIMO Mulple-Input Multiple-Output MIESM Mutual Information Effective SINR Mapping MNO Mobile Network Operator NFC Near Field Communication NLOS Non Line of Sight OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 6 OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PAPR Peak to Average Power Ratio PBCH Physical Broadcast Channel PCFICH Physical Control Format Indicator Channel PDCCH Physical Downlink Control Channel PF Proportional Fair PFS Proportional Fair Scheduling PHICH Physical Hybrid-ARQ Indicator Channel PMI Precoder Matrix Indicator ProSe Proximity-Based Services PRACH Physical Random Access Channel PSD Power Spectral Density PSS Primary Synchonization Signal PUSCH Physical Uplink Shared Channel PUCCH Physical Uplink Control Channel QoS Quality of Service RACH Random Access Channel RAN1 Radio Access Network Working Group RAR Random Access Response RA-RNTI Random Access Radio Network Temporary Identifier RB Resource Block RF Radio Frequency RI Rank Indicator RIT Radio Interface Technologies RMA Rural Macro RRC Radio Resource Control RS Reference Signals Rx Receiver SAC Set-based Admission Control SAE System Architecture Evolution SC-FDMA Single Carrier Frequency Division Multiple Access SIG Special Interest Group SINR Signal to Interference plus Noise Ratio SISO Single-Input Single-Output SRIT Sets of Radio Interface Technologies SRS Sounding Reference Signal SSL Secure Sockets Layer Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 7 SSS Secondary Synchronization Signal STA Station S-TMSI SAE Temporary Mobile Subscriber Identity TDD Time Division Duplex TDM Time Division Multiplexing TDMA Time Devision Multiple Access TSG Technical Specification Group TTI Transmission Time Interval Tx Transmitter UE User Equipment UL Uplink UMa Urban Macro Umi Urban Micro UPnP Universal Plug and Play VoIP Voice over IP WAN Wide Area network Wi-Fi Wireless Fidelity WBAN Wireless Body Area Network WIMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WLAN Wireless Local Area Network WPAN Wireless Personal Area Network ZC Zadoff Chu Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 8 DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa Ví dụ Chữ thường, in nghiêng Biến số x, n, m, i Chữ thường, in nghiêng, đậm Vetor x, s Chữ hoa, in đậm Ma trận H Chữ hoa, in nghiêng Công suất P, N, M anten thu N, anten phát M (.)-1 Ma trận nghịch đảo H-1 2 Phương sai tạp âm E. - H Hermitian HH Ma trận đường chéo kích IK Ma trận đơn vị bậc K IN 0N Vec tơ không 0N hi,j Phần tử i,j của ma trận H h1,1 Tập ma trận kích thước M, CMxN N với giá trị phức CM M Vùng dung lượng kênh đa CMAC truy nhập CMAC Vùng dung lượng kênh CBC quảng bá CBC Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 9 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 Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 10 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. - Lịch sử phát triển hệ thống thông tin di động Hình 1.2. - Kiến trúc hệ thống tiến hóa từ GSM và UMTS tới LTE Hình 1.3. - Kiến trúc hệ thống mạng LTE-A Hình 1.4a. - Chồng giao thức điều khiển LTE-A Hình 1.4b. - Công nghệ đa ăng-ten Hình 1.7. - Minh họa một hệ thống MIMO xác định Hình 1.8. - Dung lượng Ergodic của một hệ thống MIMO xác định Hình 1.9. - Công nghệ trạm lặp 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 Hình 1.12. - Công nghệ phối hợp truyền dẫn đa điểm CoMP Hình 2.1. - Giao tiếp D2D trong chuẩn 3GPP Hình 2.9. - Mô Hình truyền thông D2D 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 Hình 2.13. - Phân bố SINR truyền thông D2D điều khiển công suất L = 25m đường xuống Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 11 Hình 2.14. - CFOL: Vòng mở điều khiểnCell Hình 2.15. - Phân bố SINR truyền thông D2D dưới các phương thức khác nhau L = 5m Hình 2.16. - Phân bố SINR truyền thông D2D dưới các phương thức khác nhau L = 15m Hình 2.17. - Phân bố SINR truyền thông D2D dưới các phương thức khác nhau L = 35m Hình 2.18. - 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 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 Hình 3.4. - Tốc độ tổng hệ thống khi dùng các thuật toán cấp phát tài nguyên khác nhau dùng bốn cặp D2D 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 Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 12 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. - 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]. - 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. - Chương 2: Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A. - Chương 3: Tối ưu cấp phát tài nguyên D2D trong hệ thống LTE-A. - 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 Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 13 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. - Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà nội, ngày 15 tháng 10 năm 2015 Học viên Đào Xuân Hoàng Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 14 CHƯƠNG 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 Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 15 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 Năm ra đời Công nghệ truy nhập FDMA TDMA hoặc CDMA TDMA hoặc CDMA TDMA hoặc CDMA WCDMA CDMA-2000 TD-SCDMA WCDMA CDMA-2000 TD-SCDMA WCDMA CDMA-2000 TD-SCDMA OFDMA Dịch vụ hỗ trợ Thoại Thoại Thoại và data (GPRS) Thoại và data (EDGE) Thoại và data R99 Thoại và Data Thoại và Data Data Tốc độ Data max NA NA 115.2 kbps 384 kbps 2048 kbps 14 Mbps 21.2 Mbps 20-100 Mbps Chuyển mạch hỗ trợ CS switch CS switch 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). - Công nghệ D2D trong hệ thống LTE-A Đào Xuân Hoàng – 13BKTTT1 Trang 16 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. - 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]. - 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. - 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).
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt